馬煒迪，李良勇，曹寶珠

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

填海造地是人類(lèi)向自然拓展生產(chǎn)生活空間的一種有效手段，對(duì)沿海城市的社會(huì)發(fā)展，交通改善和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)都有極大的促進(jìn)作用.低層房屋建筑是滿(mǎn)足人民生活需求、促進(jìn)海南旅游娛樂(lè)業(yè)發(fā)展、符合海南環(huán)境保護(hù)要求的建筑形式，尤其是木結(jié)構(gòu)低層建筑和裝配式輕鋼低層建筑，具有綠色環(huán)保、造價(jià)低廉、舒適度高的優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)人工吹填島上的主要建筑形式之一.目前，海南的人工吹填島的地基土大多為海砂，吹填海砂級(jí)配不良，黏粒含量少，壓實(shí)性能差，地基土強(qiáng)度不易達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，不宜直接作為基礎(chǔ)持力層.

纖維加筋是一種新型的土體加固技術(shù)，是指將分散的纖維均勻地?fù)饺胪馏w，達(dá)到提高了土體的力學(xué)性質(zhì)的目的.過(guò)去20年中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞纖維加筋土進(jìn)行了一系列研究工作，取得了大量成果：在土體中進(jìn)行纖維加筋后，土體的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度增大，承載力、破壞韌性和滲透性增加，因此纖維加筋技術(shù)是一種優(yōu)良的土體加固技術(shù)[1].同時(shí)，纖維在土體中彼此交織、互成網(wǎng)絡(luò)，使土體具有各向同性的特點(diǎn)，能夠避免傳統(tǒng)加筋方法存在潛在滑移面的不足[2].目前，常用的纖維加筋體以人工合成材料為主，國(guó)內(nèi)外已有大量學(xué)者對(duì)人工合成纖維加筋土進(jìn)行了研究.Akbulut[3]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)聚乙烯纖維加筋土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，取得了一系列研究成果.張金利[4]通過(guò)多種試驗(yàn)研究了聚丙烯纖維紅黏土的力學(xué)特性.唐朝生[5]進(jìn)行了聚丙烯加固軟土試驗(yàn)研究，研究了聚丙烯纖維加固軟土的效果和機(jī)制.雖然人工合成纖維材料具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，但其生產(chǎn)過(guò)程會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，增加碳排放量，不利于環(huán)境保護(hù)，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差.近年來(lái)，用植物纖維代替人工合成材料摻入到土體中的加筋方法已成為熱門(mén)課題，Prabakar[6]和Sivakumar[7]對(duì)劍麻纖維加筋土進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析.魏麗[8]對(duì)麥秸稈加筋鹽漬土的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究.吳燕開(kāi)[9]以劍麻纖維作為加筋材料，研究了劍麻纖維不同長(zhǎng)度和摻量對(duì)加筋土力學(xué)性能的影響.

椰殼纖維作為一種植物纖維，具有強(qiáng)度高、彈性好、重量輕、綠色環(huán)保的特點(diǎn)，與其他植物纖維相比，椰殼纖維含有的木質(zhì)素更高，抗腐蝕能力更強(qiáng)，同時(shí)椰殼纖維在海南還具有原料豐富、易于獲取、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，是一種非常具有潛力的加筋材料，具有廣泛的應(yīng)用前景.筆者使用椰殼纖維作為海南吹填海砂的加筋材料，通過(guò)直剪試驗(yàn)確認(rèn)了椰殼纖維加筋吹填海砂的有效性，研究了不同長(zhǎng)度和不同摻量條件下椰殼纖維對(duì)吹填海砂抗剪強(qiáng)度和剛度的影響，為吹填海砂上低層建筑地基的加固處理提供了有價(jià)值的參考，也使原本大量廢棄處理的椰殼“變廢為寶”，有利于保護(hù)環(huán)境和節(jié)約成本，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 椰殼纖維在研究椰殼纖維加筋土前，首先要清楚椰殼纖維本身的力學(xué)性能，Banerjee[10]的研究表明，椰殼纖維平均直徑為 135.7～204.2 μm，平均長(zhǎng)度為 50～250 mm.本試驗(yàn)采用的椰殼纖維提取自海南島所產(chǎn)椰子，為了得到海南省椰殼纖維的準(zhǔn)確力學(xué)性能，從中隨機(jī)選取50根，經(jīng)測(cè)量得海南椰殼纖維平均直徑為150 μm.將這50根椰殼纖維長(zhǎng)度均修剪至100 mm，然后通過(guò)50組拉伸試驗(yàn)確定其力學(xué)性能，拉伸速率為20 mm·min-1，對(duì)試驗(yàn)得到的極限抗拉強(qiáng)度和極限延伸率結(jié)果進(jìn)行計(jì)算并取平均值，選擇一組最接近這兩個(gè)指標(biāo)平均值的曲線作為椰殼纖維的代表曲線，結(jié)果如圖1所示.

由圖1可知，椰殼纖維受拉曲線分為3個(gè)階段，最初直線部分為線彈性區(qū)、中間曲線部分為屈服平臺(tái)區(qū)、最后直線部分為強(qiáng)化區(qū)，極限延伸率為0.251，極限抗拉強(qiáng)度為98.36 MPa，5%延伸率所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為59.98 MPa.通過(guò)線性回歸計(jì)算得到椰殼纖維的初始模量為2.14 GPa，通過(guò)角平分線法得到拉伸曲線屈服點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)?.036，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為54.58 MPa；強(qiáng)化點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)?.214，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為91.35 MPa.Toledo[11]在試驗(yàn)中測(cè)試了椰殼纖維的抗拉性能，得出椰殼纖維的極限延伸率率為 0.15～0.4，極限抗拉強(qiáng)度為108～252 MPa，略大于本次試驗(yàn)的極限抗拉強(qiáng)度，可能由于不同地區(qū)、不同品種椰殼纖維抗的拉強(qiáng)度差異所導(dǎo)致的.水鋒[12]對(duì)海南省椰殼纖維進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，得出海南椰殼纖維的極限延伸率為0.28，極限抗拉強(qiáng)度為93.78 Mpa，屈服點(diǎn)為0.03，強(qiáng)化點(diǎn)的為0.23，與本次試驗(yàn)結(jié)果基本吻合.

此外，耐久性是植物纖維加筋土需要處理的重要問(wèn)題，纖維素是控制植物纖維強(qiáng)度和耐腐蝕性的重要指標(biāo)，李欣欣[13]的研究結(jié)果表明，椰殼纖維的化學(xué)成分是36%～43%的纖維素、41%～45%的木質(zhì)素、0.15%～0.25%的半纖維素和3%～4%的果膠和可溶性物質(zhì)，椰殼纖維的纖維素含量高，材料本身的耐久性較好.采用植物纖維作纖維加筋材料時(shí)往往需要經(jīng)過(guò)一定的處理，對(duì)椰殼纖維一般采用NaOH進(jìn)行浸泡處理.經(jīng)過(guò)NaOH浸泡后，椰殼纖維的細(xì)胞發(fā)生塌縮，導(dǎo)致細(xì)胞壁變厚，表面的纖維素含量大大增加，耐久性和強(qiáng)度均得到提升[14]，因此，經(jīng)過(guò)處理后的椰殼纖維的耐久性良好，能夠滿(mǎn)足纖維加筋土的使用要求.

1.1.2 吹填海砂吹填海砂取自位于?？跒澄骱０毒嗪０毒€約1.6 km處的南海明珠人工島施工現(xiàn)場(chǎng)，取土深度為0.7 m.按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》的方法，對(duì)吹填海砂進(jìn)行顆粒分析和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，級(jí)配曲線如圖2所示，特性參數(shù)如表1所示.

表1 吹填海砂基本物理性質(zhì)指標(biāo)

由圖2和表1可知這種吹填海砂顆粒粒徑在0.25～0.5 mm之間的占總質(zhì)量的70%以上，不均勻系數(shù)Cu小于5，級(jí)配不良.標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)為13，屬于中軟土～中硬土，承載能力一般較低.

1.2 試驗(yàn)方案椰殼纖維強(qiáng)度高、耐久性好；天然吹填海砂本身承載能力較低，難以滿(mǎn)足低層建筑地基要求.因此采用椰殼纖維加筋吹填海砂具有很高的實(shí)用價(jià)值，纖維加筋土的強(qiáng)度參數(shù)受到纖維本身長(zhǎng)度和摻量的影響較大，為了驗(yàn)證椰殼纖維加筋土的有效性，研究椰殼纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)加筋土力學(xué)性能的影響并找出椰殼纖維加筋吹填海砂的最佳參數(shù)，分別對(duì)素土、4種不同長(zhǎng)度和4種不同摻量的椰殼纖維加筋土進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，其中摻量是指椰殼纖維質(zhì)量與素土質(zhì)量的比值.除去1組重復(fù)試驗(yàn)，共設(shè)計(jì)8種工況下的直剪試驗(yàn)，每種工況都進(jìn)行3組平行試驗(yàn)以保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，具體試驗(yàn)分組如表2所示.每組直剪試驗(yàn)都分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa的垂直壓力下進(jìn)行，剪切速率為0.24 mm·min-1，直到百分表讀數(shù)持續(xù)停止或緩慢下降時(shí)終止試驗(yàn).

表2 直剪試驗(yàn)分組

1.3 試樣制備直剪試樣直徑61.8 mm，厚度20 mm，所有試樣均按照吹填現(xiàn)場(chǎng)取樣時(shí)測(cè)定的天然含水率3.7%配置，將椰殼纖維修剪至所需的長(zhǎng)度，然后按照擬定的摻量摻入并充分?jǐn)嚢杈鶆?為避免不同試樣密度不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，所有試樣均采用同一個(gè)環(huán)刀，試樣質(zhì)量控制在136 g±0.5 g，保證每組試樣密度為1.56 g·cm-3.

2 結(jié)果分析

按照上述試驗(yàn)方法，對(duì)表2中各組試樣進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，相關(guān)結(jié)果如表3所示.

表3 直剪試驗(yàn)分組

圖3 不同垂直應(yīng)力條件下剪切應(yīng)力-位移曲線

圖3給出了第4組直剪試驗(yàn)不同垂直應(yīng)力條件下的剪切應(yīng)力-位移曲線，由圖3可知，吹填海砂在垂直應(yīng)力較小時(shí)，砂顆粒間的相互作用較小，剪應(yīng)力的增長(zhǎng)非常緩慢，而隨著垂直壓力的增大，剪應(yīng)力提升速度明顯增大，這是由于垂直壓力增大導(dǎo)致砂顆粒間摩擦力增大，同時(shí)也會(huì)提高纖維-土界面的摩擦作用，椰殼纖維更不容易從海砂中拔出，增強(qiáng)了椰殼纖維的加筋效果.因此，椰殼纖維加筋土在所受的垂直應(yīng)力較小時(shí)，加筋效果不明顯，隨著試樣所受垂直應(yīng)力的增大，加筋效果也越來(lái)越好.

圖4 第4組直剪試驗(yàn)剪切面俯視圖圖5 第4組直剪試驗(yàn)剪切面?zhèn)纫晥D

圖4和圖5為第4組直剪試驗(yàn)在400 kPa垂直壓力下的剪切破壞面.從圖5中可以看出，部分椰殼纖維從剪切面中伸出，沒(méi)有被剪斷，說(shuō)明部分椰殼纖維從土體中被拔出.將所有破壞后試樣中的椰殼纖維清理出后發(fā)現(xiàn)，各組試樣剪切面情況相似，都存在大部分椰殼纖維長(zhǎng)度不變，只有少數(shù)被拉斷的現(xiàn)象.說(shuō)明本次試驗(yàn)中試樣在剪切破壞過(guò)程中既存在拉斷破壞，也存在椰殼纖維被拔出的失效破壞，但總體上以纖維拔出的失效破壞為主.因此，椰殼纖維加筋吹填海砂的抗剪強(qiáng)度主要由纖維-土界面摩擦作用控制.需要指出的是：纖維-土界面摩擦作用受到椰殼纖維長(zhǎng)度、直徑、表面粗糙度和土體顆粒組成、含水率、密度、正應(yīng)力等多個(gè)因素的影響[15]，具體的椰殼纖維吹填海砂加筋作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究.

2.1 椰殼纖維長(zhǎng)度為了研究椰殼纖維長(zhǎng)度對(duì)椰殼纖維加筋土剪切過(guò)程和剪切強(qiáng)度參數(shù)的影響，選取1、2、4、7和8組的試驗(yàn)結(jié)果為代表進(jìn)行分析.

圖6給出了椰殼纖維加筋土試樣在400 kPa垂直應(yīng)力、不同纖維長(zhǎng)度條件下的剪切應(yīng)力-位移曲線，剪切應(yīng)力-位移曲線的斜率可以反映出椰殼纖維加筋土受力時(shí)抵抗變形的能力，體現(xiàn)了椰殼纖維加筋土的抗剪剛度的大小.由圖6可知，在剪切位移小于0.6 mm時(shí)，椰殼纖維加筋土與素土試樣的抗剪剛度無(wú)明顯差異，這是由于椰殼纖維的抗剪剛度較小，在剪切位移較小時(shí)，纖維與土之間的相對(duì)位移較小，纖維還不能發(fā)揮加筋作用，而隨著剪切位移的逐漸增加，椰殼纖維逐漸開(kāi)始發(fā)揮作用，所有椰殼纖維加筋土的抗剪剛度和最大剪應(yīng)力均明顯大于素土.當(dāng)剪切位移小于4 mm時(shí)，不同長(zhǎng)度椰殼纖維加筋土的抗剪剛度差別較小，當(dāng)剪切位移達(dá)到4 mm且椰殼纖維長(zhǎng)度在5 cm內(nèi)時(shí)，椰殼纖維加筋土的抗剪剛度和最大剪應(yīng)力隨著椰殼纖維長(zhǎng)度的增大而增大.當(dāng)椰殼纖維長(zhǎng)度達(dá)到8 cm時(shí)，其抗剪剛度和最大剪應(yīng)力反而略小于椰殼纖維長(zhǎng)度為1 cm的椰殼纖維加筋土，但仍大于素土.

由于砂土幾乎沒(méi)有粘聚力，本次研究只對(duì)椰殼纖維加筋土的內(nèi)摩擦角進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示.由圖7可知，椰殼纖維加筋土的內(nèi)摩擦角均大于素土，在纖維摻量相同的條件下，當(dāng)摻入的椰殼纖維長(zhǎng)度小于5 cm時(shí)，加筋土的內(nèi)摩擦角隨纖維長(zhǎng)度的增大而增大，但增幅逐漸減小，椰殼纖維長(zhǎng)度從1 cm增加到3 cm后，內(nèi)摩擦角增加了2.51 °，椰殼纖維長(zhǎng)度從3 cm增加到5 cm后，內(nèi)摩擦角僅增加了1.25 °.當(dāng)椰殼纖維達(dá)到8 cm時(shí)，椰殼纖維加筋土的內(nèi)摩擦角與纖維長(zhǎng)度為5 cm時(shí)相比反而減小，但仍大于素土.這是由于過(guò)長(zhǎng)的纖維容易形成局部纖維團(tuán)，難以在椰殼纖維加筋土中均勻分布，試樣受到直剪試驗(yàn)尺寸效應(yīng)的影響，此局部纖維團(tuán)更容易產(chǎn)生.當(dāng)纖維團(tuán)位于剪切面時(shí)，剪切面上大量土顆粒被纖維團(tuán)取代，導(dǎo)致界面摩擦系數(shù)減小；當(dāng)纖維團(tuán)不在剪切面時(shí)，剪切面纖維含量過(guò)少，不能提供足夠的約束作用.因此，椰殼纖維長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，加筋吹填海砂的最佳纖維長(zhǎng)度為5 cm.

2.2 椰殼纖維摻量為了研究纖維摻量對(duì)椰殼纖維加筋土剪切過(guò)程和剪切強(qiáng)度參數(shù)的影響，選取1、3～6組的試驗(yàn)結(jié)果為代表進(jìn)行分析.

圖8給出了椰殼纖維加筋土試樣在400 kPa垂直應(yīng)力、不同纖維摻量條件下的剪切應(yīng)力-位移曲線.由圖8可知，在剪切位移小于0.6 mm時(shí)，椰殼纖維加筋土與素土試樣的抗剪剛度無(wú)明顯差異；當(dāng)剪切位移達(dá)到1.2 mm時(shí)，椰殼纖維加筋土的抗剪剛度明顯大于素土.椰殼纖維加筋土的抗剪剛度和最大剪應(yīng)力均隨椰殼纖維摻量的增大而增大.

將圖8與圖6進(jìn)行對(duì)比分析，不同纖維長(zhǎng)度條件加筋土的抗剪剛度在剪切位移達(dá)到4 mm時(shí)出現(xiàn)差異，而不同纖維摻量條件加筋土的抗剪剛度在剪切位移達(dá)到2 mm時(shí)就出現(xiàn)明顯差異.由此可知，不同摻量條件比不同長(zhǎng)度條件在剪切位移更小的階段就開(kāi)始影響椰殼纖維加筋土的抗剪剛度，說(shuō)明椰殼纖維加筋土的初期剛度受摻量條件變化的影響更明顯.

圖9為椰殼長(zhǎng)度不變時(shí)，吹填海砂內(nèi)摩擦角隨椰殼纖維摻量的變化曲線.由圖9可知，當(dāng)椰殼纖維摻量小于0.3%時(shí)，內(nèi)摩擦角隨椰殼纖維摻量的增大而增大；當(dāng)椰殼纖維摻量大于0.3%時(shí)，加筋土的內(nèi)摩擦角與椰殼摻量0.3%時(shí)相比無(wú)明顯變化.這是由于椰殼纖維加筋土的加筋效果主要來(lái)源于纖維-土界面摩擦作用[16]，當(dāng)椰殼纖維含量達(dá)到一定值時(shí)，椰殼纖維表面被大量土顆粒充分包裹，纖維與土之間的摩擦作用達(dá)到最大，此時(shí)再加入更多纖維已不能提升這種摩擦作用.

3 小 結(jié)

通過(guò)直剪試驗(yàn)對(duì)不同長(zhǎng)度和摻量椰殼纖維加筋吹填海砂的抗剪強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了研究，得到了以下結(jié)論：

1) 椰殼纖維加筋土的抗剪剛度、最大剪應(yīng)力和內(nèi)摩擦角均大于素土.當(dāng)試樣密度為1.56 g·cm-3時(shí)，加筋土試樣以剪切面纖維拔出失效破壞為主，加筋效果隨椰試樣所受的垂直應(yīng)力增大而增大.

2) 椰殼纖維長(zhǎng)度為5 cm時(shí)，加筋土的剛度、最大剪應(yīng)力和內(nèi)摩擦角達(dá)到峰值，椰殼纖維長(zhǎng)度為8 cm時(shí)，椰殼纖維加筋土的剛度、最大剪應(yīng)力和內(nèi)摩擦角降低，降低的幅度因直剪試樣的尺寸效應(yīng)而表現(xiàn)得更加明顯.椰殼纖維加筋吹填海砂的最佳纖維長(zhǎng)度為5 cm.

3) 椰殼纖維摻量為0.3%時(shí)，內(nèi)摩擦角達(dá)到峰值，而抗剪剛度和最大剪應(yīng)力隨摻量持續(xù)增大.為了在取得較好加筋效果的同時(shí)節(jié)約椰殼纖維用量，椰殼纖維摻量以0.3%為宜.

試驗(yàn)結(jié)果表明：在吹填海砂中加入椰殼纖維是一種優(yōu)良的加筋方法，有效提升了土體的強(qiáng)度參數(shù)，椰殼纖維作為加筋材料來(lái)源豐富、綠色環(huán)保，具有廣闊的應(yīng)用前景，為吹填海砂上低層建筑地基的加固處理提供了有價(jià)值的參考.