李良勇，馬煒迪，曹寶珠

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

紅黏土是一種承載能力較好，但卻具有高含水率、高孔隙比等不良物理性質(zhì)的特殊土，直接使用紅黏土作為建筑基礎(chǔ)時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生不均勻沉降，使其上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而影響建筑結(jié)構(gòu)的安全和使用，因此需對(duì)其進(jìn)行加固處理[1].目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于紅粘土的處理主要以棄土換填和化學(xué)改性為主，但由于紅黏土在海南全省的分布點(diǎn)多面廣，大量的換填會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞，并且還會(huì)大幅增加工程費(fèi)用.化學(xué)加固法是通過(guò)在紅黏土中摻入石灰、水泥等無(wú)機(jī)膠結(jié)材料來(lái)提升紅黏土的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性[2-6]，這種方法對(duì)環(huán)境的影響較大.羅斌等[7]提出用摻加碎石的方法來(lái)改良高液限紅粘土，葉瓊瑤等[8]也提出摻加30%的砂礫是改良紅黏土的一種有效措施，但是砂礫和碎石材料有時(shí)不易獲取，而且其長(zhǎng)距離的運(yùn)輸成本較高.而采用纖維對(duì)紅黏土進(jìn)行加固，不僅成本低，而且施工方便，是一種良好的加固方法，因此部分學(xué)者[9-11]采用聚丙烯纖維材料來(lái)加固紅黏土，取得了良好的效果.但是人工合成的纖維材料在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，增加碳排放量，不利于環(huán)保，因而需發(fā)展綠色環(huán)保的天然纖維材料.而椰子在海南省隨處可見，廢舊的椰殼在經(jīng)過(guò)浸泡、敲打、除雜和晾曬后，所獲得的椰殼纖維具有強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、抑菌、可再生等特性，具有較廣闊的應(yīng)用前景.目前，國(guó)內(nèi)外已有部分學(xué)者[12-15]對(duì)土體中加入椰殼纖維進(jìn)行了研究，但對(duì)于椰殼纖維加固紅黏土的研究卻較少.

針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用天然椰殼纖維對(duì)紅黏土進(jìn)行了加固，并通過(guò)直剪試驗(yàn)來(lái)研究椰殼纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響，旨在為海南地區(qū)紅黏土地基加固提供一定的參考.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料本試驗(yàn)所采用的紅黏土為海南地區(qū)具有代表性的粉質(zhì)紅黏土，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表 1所示.天然椰殼纖維由海南當(dāng)?shù)貜U棄椰子在經(jīng)過(guò)浸泡、敲打、除雜和晾曬后所獲得，其直徑為100～500 μm，長(zhǎng)度為5～20 cm，密度為1.25 g/cm3，經(jīng)拉伸試驗(yàn)，確定其延伸率為0.251，抗拉強(qiáng)度為98.36 MPa，初始模量為2.14 GPa，所得性質(zhì)與Toledo等[16]和水鋒等[17]測(cè)得的性質(zhì)接近.

表1 粉質(zhì)紅黏土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試樣制備將取回的紅黏土風(fēng)干后碾碎過(guò)篩，按最優(yōu)含水率配置紅黏土，將椰殼纖維修剪至所需的長(zhǎng)度，按照擬定的摻量將椰殼纖維加入紅黏土中并攪拌均勻，接著將配置好的土樣用薄膜密封，靜置24 h，然后用環(huán)刀切取土樣并壓實(shí)，同時(shí)保證每個(gè)環(huán)刀內(nèi)的土樣質(zhì)量相同，接著將土樣壓入到直剪盒內(nèi)，分別施加100 kPa，200 kPa，300 kPa和400 kPa的垂直壓力進(jìn)行試驗(yàn)，剪切速率為0.8 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).

1.3 試驗(yàn)方案為了研究椰殼纖維長(zhǎng)度和椰殼纖維摻量對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響，以便得到最優(yōu)的椰殼纖維參數(shù)，本研究共進(jìn)行了素土、4種椰殼纖維長(zhǎng)度和4種椰殼纖維摻量的直剪試驗(yàn)，如表2所示，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每種工況進(jìn)行了3組平行試驗(yàn).

表2 直剪試驗(yàn)分組

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 不同椰殼纖維長(zhǎng)度的剪應(yīng)力-剪切位移的關(guān)系曲線

2.1 椰殼纖維長(zhǎng)度圖1為100 kPa垂直壓力和0.3%椰殼纖維摻量條件下，不同椰殼纖維長(zhǎng)度時(shí)剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線，為便于比較，素土的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系也包含在此圖中.剪應(yīng)力與剪切位移曲線的斜率能反映土體抵抗變形的能力，其斜率越大，土體抵抗變形的能力越大.從圖1中可看出，當(dāng)剪切位移很小時(shí)，各曲線的斜率接近，原因在于剪切位移很小時(shí)，椰殼纖維和紅黏土之間的相對(duì)位移也很小，椰殼纖維還不能發(fā)揮出加筋作用，和素土無(wú)異；但隨著剪切位移的增大，椰殼纖維與紅黏土間的相對(duì)位移也增大，椰殼纖維逐漸開始發(fā)揮其作用，曲線斜率和剪應(yīng)力較素土?xí)r開始逐漸增大.在椰殼纖維長(zhǎng)度小于5 cm時(shí)，曲線斜率和剪應(yīng)力隨椰殼纖維長(zhǎng)度的增加而增大，但在椰殼纖維長(zhǎng)度達(dá)到5 cm后，曲線斜率和剪應(yīng)力反而減小，這與椰殼纖維過(guò)長(zhǎng)而易纏繞成團(tuán)有關(guān).

根據(jù)摩爾庫(kù)倫理論，紅黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有兩個(gè)，即粘聚力和內(nèi)摩擦角，圖2和圖3分別為粘聚力和內(nèi)摩擦角隨椰殼纖維長(zhǎng)度的變化曲線，由圖2和圖3可見，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨椰殼纖維長(zhǎng)度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì).在椰殼纖維長(zhǎng)度小于5 cm時(shí)，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨椰殼纖維長(zhǎng)度的增大而增加，且增長(zhǎng)幅度逐漸減??；而在椰殼纖維長(zhǎng)度達(dá)到5 cm后，隨椰殼纖維長(zhǎng)度的增加，粘聚力和內(nèi)摩擦角均有較大幅度的降低，但均大于素土?xí)r的粘聚力和內(nèi)摩擦角.這說(shuō)明對(duì)于紅黏土而言，最優(yōu)的椰殼纖維長(zhǎng)度為5 cm，其原因就在于隨著椰殼纖維長(zhǎng)度的增加，椰殼纖維之間易發(fā)生交互，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)傳力效果，且隨著椰殼纖維長(zhǎng)度的增加，纖維的錨固長(zhǎng)度也增大，不易被拉斷，其粘聚力和內(nèi)摩擦角亦不斷增大；但當(dāng)椰殼纖維過(guò)長(zhǎng)時(shí)，則易纏繞成團(tuán)，從而弱化椰殼纖維的作用，最終導(dǎo)致粘聚力和內(nèi)摩擦角減小.該現(xiàn)象與陳佳雨等[11]采用聚丙烯纖維來(lái)加固紅黏土的現(xiàn)象一致.

從圖2和圖3中也可看出，采用椰殼纖維加筋后，紅黏土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均有所增大，但粘聚力的增長(zhǎng)幅度大于內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)幅度，說(shuō)明椰殼纖維的加筋效果主要體現(xiàn)在粘聚力的增加上.

302520151050粘聚力/kPa012345678椰殼纖維長(zhǎng)度/cm1614121086420內(nèi)摩擦角/°012345678椰殼纖維長(zhǎng)度/cm圖2 粘聚力與椰殼纖維長(zhǎng)度的關(guān)系曲線圖3 內(nèi)摩擦角與椰殼纖維長(zhǎng)度的關(guān)系曲線

圖4 不同椰殼纖維摻量的剪應(yīng)力-剪切位移曲線

2.2 椰殼纖維摻量圖4為100 kPa垂直壓力和3 cm椰殼纖維長(zhǎng)度的條件下，不同椰殼纖維摻量時(shí)剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線，為便于比較，素土的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系也包含在此圖中.從圖4中可看出，隨著剪切位移的增大，椰殼纖維與紅黏土間的相對(duì)位移也增大，椰殼纖維逐漸開始發(fā)揮作用，曲線斜率和剪應(yīng)力較素土?xí)r開始逐漸增大.在椰殼纖維摻量小于0.5%時(shí)，曲線斜率和剪應(yīng)力隨椰殼纖維摻量的增加而增大，但椰殼纖維摻量達(dá)到0.5%后，曲線斜率和剪應(yīng)力反而減小，這與椰殼纖維摻量過(guò)高聚集而形成受力軟弱區(qū)有關(guān).

圖5和圖6分別為粘聚力和內(nèi)摩擦角隨椰殼纖維摻量的變化曲線，由圖5和圖6可見，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨椰殼纖維摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì).在椰殼纖維摻量小于0.5%時(shí)，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨椰殼纖維摻量的增大而增加；而在椰殼纖維摻量達(dá)到0.5%后，隨椰殼纖維摻量的增加，粘聚力和內(nèi)摩擦角均有所降低，但均大于素土?xí)r的粘聚力和內(nèi)摩擦角.這說(shuō)明對(duì)于紅黏土而言最優(yōu)的椰殼纖維摻量為0.5%，其原因就在于隨著椰殼纖維摻量的增加，椰殼纖維之間交織成網(wǎng)，傳力效果增強(qiáng)，從而致使粘聚力和內(nèi)摩擦角不斷增大；但當(dāng)椰殼纖維摻量過(guò)高時(shí)，椰殼纖維相互之間定向平行排列的機(jī)會(huì)就會(huì)增大，這會(huì)弱化椰殼纖維的傳力作用，且過(guò)高的椰殼纖維摻量亦會(huì)導(dǎo)致椰殼纖維聚集而形成軟弱區(qū)，從而導(dǎo)致粘聚力和內(nèi)摩擦角減小.該現(xiàn)象與陳佳雨等[11]采用聚丙烯纖維來(lái)加固紅黏土?xí)r所產(chǎn)生的現(xiàn)象一致.

從圖5和圖6中也可看出，采用椰殼纖維加筋后，紅黏土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均有所增大，但粘聚力的增長(zhǎng)幅度大于內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)幅度，這說(shuō)明椰殼纖維的加筋效果主要體現(xiàn)在粘聚力的增加上.

表3列出了采用椰殼纖維加筋后8組試驗(yàn)中紅黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，從表3中可看出，加筋后的紅黏土其抗剪強(qiáng)度均較素土的抗剪強(qiáng)度大，但椰殼纖維摻量對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響要大于椰殼纖維長(zhǎng)度對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響.

35302520151050粘聚力/kPa椰殼纖維摻量/%00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0內(nèi)摩擦角/°181614121086420椰殼纖維摻量/%00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0圖5 粘聚力與椰殼纖維摻量的關(guān)系曲線圖6 內(nèi)摩擦角與椰殼纖維摻量的關(guān)系曲線

表3 椰殼纖維加固紅黏土后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

3 結(jié) 論

本研究采用直剪試驗(yàn)研究了椰殼纖維長(zhǎng)度和椰殼纖維摻量對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響，得出如下結(jié)論：

(1)在紅黏土中摻入椰殼纖維能夠提高其抵抗變形的能力和抗剪強(qiáng)度，但抗剪強(qiáng)度的提高主要體現(xiàn)在粘聚力的增加方面，內(nèi)摩擦角的增加則較小.

(2)在椰殼纖維摻量一定的條件下，紅黏土的抗剪強(qiáng)度隨椰殼纖維長(zhǎng)度的增加而呈先增大后減小的趨勢(shì)，最優(yōu)的椰殼纖維長(zhǎng)度為5 cm.

(3)在椰殼纖維長(zhǎng)度一定的條件下，紅黏土的抗剪強(qiáng)度隨椰殼纖維摻量的增加而呈先增大后減小的趨勢(shì)，最優(yōu)的椰殼纖維摻量為0.5%.

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，椰殼纖維是一種性能優(yōu)良的加筋材料，它能有效地提高紅黏土的抗剪強(qiáng)度，而在海南由于具有豐富的椰殼纖維資源、且該種纖維綠色環(huán)保、可再生，因此它具有廣闊的應(yīng)用前景，鑒此，本研究可為紅黏土地基的加固提供有價(jià)值的參考.