冀 慧，張 濤，劉保健

(1.山西大學(xué) 電力與建筑學(xué)院，太原 030006；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064； 3.天津辰達(dá)工程監(jiān)理有限公司 山西分公司，太原 030024 )

1 研究背景

黃土顆粒松散，不易壓實(shí)，且滲透性差，水穩(wěn)性差，甚至表現(xiàn)出明顯的濕陷性，因此，黃土不能直接用作路基填料。在道路交通建設(shè)工程中，為了充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益，常采用多種方式對黃土進(jìn)行改良，提高其強(qiáng)度及水穩(wěn)定性[1-4]。目前，運(yùn)用較為廣泛的是化學(xué)改良法，即在黃土中添加一定比例的水泥、石灰、粉煤灰，經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)，形成具有較高強(qiáng)度的膠凝物質(zhì)，從而提高土體強(qiáng)度。近幾年生態(tài)環(huán)保理念深入人心，固廢改良土成為一個(gè)重要的研究方向。粉煤灰及秸稈灰中含有大量的可溶氧化物SiO2及Al2O3，可與石灰消化生成的Ca(OH)2反應(yīng)生成水化硅酸鈣及水化鋁酸鈣，隨著水化物的逐步硬化，會形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，可有效提高土體強(qiáng)度，改良效果優(yōu)于單一的石灰改良土[5-6]。但是，受季節(jié)氣候變化影響，化學(xué)改良土在多次干濕循環(huán)后，土中的鈣離子等逐漸流失，會導(dǎo)致強(qiáng)度降低，產(chǎn)生開裂變形。

物理改良是指改變土體粒徑級配或加筋等方式加固土體。實(shí)踐中常采用化學(xué)改良與物理改良相結(jié)合的復(fù)合改良方式來改善土體物理力學(xué)性質(zhì)。纖維具有抗拉強(qiáng)度大、耐久性好等特點(diǎn)，可有效提高土體的抗拉強(qiáng)度及抗裂性能，對此，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。Festugato等[7]和Yang等[8]分別研究了不同纖維長度、摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、水泥含量等因素對纖維水泥復(fù)合改良土的抗壓、抗拉及劈裂強(qiáng)度的影響規(guī)律，結(jié)果表明，纖維可有效提高土體的強(qiáng)度，減緩裂縫的發(fā)展。Mohammad等[9]利用纖維素纖維和聚丙烯纖維增強(qiáng)的土壤水泥混合物進(jìn)行了耐久性、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度和間接抗拉循環(huán)荷載等試驗(yàn)，結(jié)果表明，最優(yōu)摻量下，纖維可以有效抑制土樣的拉伸或收縮裂縫，從而提高土體的承載力和性能。胡文樂等[10]基于正交試驗(yàn)研究了不同含水率、壓實(shí)度、纖維摻量及圍壓下玄武巖纖維黃土剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律，得出最優(yōu)配比為纖維摻量0.4%。相關(guān)學(xué)者研究了聚丙烯纖維摻量及長度等對石灰土及二灰土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，聚丙烯纖維可有效抑制裂縫貫通發(fā)育，提高土體抗壓、抗剪強(qiáng)度，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)因素的回歸分析[11-13]。

目前針對干濕循環(huán)條件下，纖維改良黃土力學(xué)性質(zhì)的研究較少。對此，本文擬開展不同纖維長度、纖維摻量下，不同養(yǎng)護(hù)齡期的纖維-秸稈灰-石灰復(fù)合改良黃土在干濕循環(huán)條件下剪切特性的變化規(guī)律研究。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用黃土取自太原市東山某工地，其物理指標(biāo)如表1 所示，粒徑級配曲線如圖1 所示，土質(zhì)松散，空隙發(fā)育，不易壓實(shí)，為黃土狀粉質(zhì)黏土。

表1 土樣的基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indexes of soil sample

圖1 粒徑級配曲線Fig.1 Particle size distribution curve

試驗(yàn)所用秸稈灰產(chǎn)自長治生物質(zhì)發(fā)電廠，主要含有SiO2等活性物質(zhì)，所用石灰中活性氧化鈣及氧化鎂摻量為74.09%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。秸稈灰、石灰主要成分如表2所示，玻璃纖維物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表2 秸稈灰、石灰化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of straw ash and lime

表3 玻璃纖維的物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of glass fiber

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 土樣制作

試驗(yàn)時(shí)首先對配比為m秸稈灰∶m石灰∶m素土=20%∶8%∶100%的基材混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，求得其最優(yōu)含水率為16.7%，最大干密度為1.897 g/cm3。在秸稈灰、石灰、素土混合料中分別加入不同長度、不同摻量的玻璃纖維，按照含水率16.7%配置成復(fù)合改良土，濕悶24 h。將混合均勻的改良土裝入模具，取壓實(shí)度為0.95，制成直徑為39.1 mm、高度為80 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣。將試樣脫模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行規(guī)定齡期的養(yǎng)護(hù)。

2.2.2 試樣干濕循環(huán)處理

土樣的干濕循環(huán)包括吸水與失水2個(gè)過程。目前，國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的干濕循環(huán)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[14]。綜合前人的研究方法，本文試驗(yàn)中將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的土樣浸水，進(jìn)行真空抽氣飽和并浸水1 d，然后取出試樣，置于烘箱中(溫度40 ℃)，定期稱重直至試樣質(zhì)量與浸水前一致，為一個(gè)完整的干濕循環(huán)。將完成干濕循環(huán)的土樣密閉放置24 h后，進(jìn)行剪切試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方案

為了研究纖維摻量、纖維長度、養(yǎng)護(hù)齡期及干濕循環(huán)次數(shù)對纖維-秸稈灰-石灰復(fù)合改良黃土剪切特性的影響，本次試驗(yàn)擬定采用m秸稈灰∶m石灰∶m素土=20%∶8%∶100%的混合料作為基材，按照表4的試驗(yàn)方案進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)研究。

表4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Table 4 Design of test schemes

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 改良土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2為200 kPa圍壓下，玻璃纖維長度為9 mm，摻量分別為0、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%時(shí)改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。當(dāng)纖維摻量為0時(shí)，復(fù)合改良黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈軟化型，存在峰值強(qiáng)度；纖維摻量為0.2%時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)水平屈服段，土樣延性增強(qiáng)；隨著纖維摻量的繼續(xù)增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型，隨著應(yīng)變的增加，未出現(xiàn)明顯的峰值強(qiáng)度。未加入纖維的土樣的強(qiáng)度明顯低于纖維改良土的強(qiáng)度，且隨著纖維摻量的增大，15%應(yīng)變所對應(yīng)的偏應(yīng)力(σ1-σ3)呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)纖維摻量為0.4%時(shí)，強(qiáng)度最大。

圖2 纖維摻量對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響Fig.2 Influence of fiber content on stress-strain relationship

圖3為纖維摻量為0及0.4%、纖維長度為9 mm的秸稈灰-石灰改良黃土在100 kPa圍壓和不同循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖3(a)可知，秸稈灰-石灰改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈應(yīng)變軟化型，存在峰值強(qiáng)度，改良土的水穩(wěn)定性差，隨著循環(huán)次數(shù)的增大，峰值強(qiáng)度減小，且軟化速率增大，當(dāng)循環(huán)次數(shù)較大時(shí)，循環(huán)次數(shù)對強(qiáng)度的影響逐步減弱。根據(jù)圖3(b)可知，當(dāng)纖維摻量為0.4%、長度為9 mm時(shí)，纖維-秸稈灰-石灰改良黃土的水穩(wěn)性表現(xiàn)良好，強(qiáng)度差異較小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)應(yīng)變硬化型，沒有明顯峰值應(yīng)力，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，15%應(yīng)變所對應(yīng)的偏應(yīng)力逐漸減小，后逐步穩(wěn)定。

圖3 干濕循環(huán)次數(shù)對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響Fig.3 Influence of dry and wet cycles on stress-strain relationship

圖4 養(yǎng)護(hù)齡期對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響Fig.4 Influence of curing age on stress-strain relationship

圖4為圍壓為100 kPa，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7、14、28、60 d，干濕循環(huán)次數(shù)分別為0及6時(shí)的改良土應(yīng)力-應(yīng)變曲線。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，復(fù)合改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈明顯軟化，且強(qiáng)度較低，干濕循環(huán)下強(qiáng)度降低明顯，水穩(wěn)性差；養(yǎng)護(hù)齡期為14 d時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯屈服段，土樣延性增強(qiáng)，干濕循環(huán)6次后，曲線表現(xiàn)為弱軟化，且強(qiáng)度明顯降低。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d及60 d時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，沒有明顯的峰值強(qiáng)度，且養(yǎng)護(hù)齡期越長，水穩(wěn)定性越好。養(yǎng)護(hù)齡期為60 d的強(qiáng)度較養(yǎng)護(hù)齡期28 d的強(qiáng)度增大，表明纖維-秸稈灰-石灰改良黃土強(qiáng)度的形成較為緩慢，后期強(qiáng)度增長較明顯。

3.2 極限偏應(yīng)力

根據(jù)三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)有明顯峰值強(qiáng)度時(shí)，取峰值強(qiáng)度為極限偏應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有峰值點(diǎn)時(shí)，取應(yīng)變?yōu)?5%對應(yīng)的應(yīng)力差為極限偏應(yīng)力。

3.2.1 纖維摻量的影響

圖5為纖維長度9 mm，纖維摻量分別為0、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%及0.6%，圍壓為100 kPa時(shí)不同干濕循環(huán)次數(shù)下改良土的極限偏應(yīng)力變化趨勢。從圖5可知，隨著纖維摻量的增大，極限偏應(yīng)力先增大后減小。當(dāng)纖維摻量為0.4%時(shí)，改良土的極限偏應(yīng)力最大，達(dá)到1 429.8 kPa。當(dāng)纖維摻量較小時(shí)，極限偏應(yīng)力隨摻量增長速率較慢，無法形成縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，纖維對土體顆粒結(jié)構(gòu)的空間聯(lián)結(jié)作用較弱。當(dāng)纖維摻量進(jìn)一步增大時(shí)，纖維在土體內(nèi)部縱橫分布，與秸稈灰-石灰改良土中的顆粒結(jié)構(gòu)團(tuán)連接，增強(qiáng)了顆粒間的咬合作用，纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度，可有效抑制裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，土體強(qiáng)度有明顯增大。但是，隨著纖維摻量繼續(xù)增大，纖維在土體內(nèi)部會發(fā)生結(jié)團(tuán)，削弱了土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用，此外，結(jié)團(tuán)的纖維強(qiáng)度較弱，易在土體內(nèi)部形成薄弱面，使土體更易破壞。當(dāng)纖維摻量為0.4%時(shí)，改良土偏應(yīng)力受干濕循環(huán)次數(shù)的影響最小，水穩(wěn)定性較好。

圖5 圍壓為100 kPa時(shí)不同干濕循環(huán)次數(shù)下纖維摻量對 極限偏應(yīng)力的影響Fig.5 Influence of fiber content on ultimate deviatoric stress at different wet and dry cycles under 100 kPa confining pressure

3.2.2 纖維長度的影響

圖6為圍壓為200 kPa時(shí)，纖維摻量為0.4%，在不同干濕循環(huán)次數(shù)下，纖維長度分別為3、6、9、12 mm時(shí)的極限偏應(yīng)力變化規(guī)律。當(dāng)纖維長度為9 mm時(shí)，改良土極限偏應(yīng)力最大，達(dá)到1 769.3 kPa。當(dāng)纖維長度較小時(shí)，纖維對土顆粒及內(nèi)部活化反應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)團(tuán)的聯(lián)結(jié)作用有限，難以形成有效的整體空間連接，因此強(qiáng)度相對較小。當(dāng)纖維長度為12 mm時(shí)，較長的纖維極易打結(jié)成團(tuán)，強(qiáng)度降低。相同摻量下改良土的水穩(wěn)性受纖維長度影響，纖維長度3 mm時(shí)，不同干濕循環(huán)次數(shù)下強(qiáng)度差異明顯。纖維長度為9 mm時(shí)，改良土的水穩(wěn)定性最好。

圖6 圍壓為200 kPa時(shí)不同循環(huán)次數(shù)下纖維長度對 極限偏應(yīng)力的影響Fig. 6 Influence of fiber length on ultimate deviatoric stress at different wet and dry cycles under 200 kPa confining pressure

3.2.3 養(yǎng)護(hù)齡期的影響

圖7為200 kPa圍壓下，纖維長度為9 mm，摻量為0.4%的復(fù)合改良黃土在不同干濕循環(huán)次數(shù)下極限偏應(yīng)力隨養(yǎng)護(hù)齡期變化趨勢。隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，改良土的強(qiáng)度快速增長，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，0次及6次干濕循環(huán)下極限偏應(yīng)力分別增長到1 429.75 kPa及1 354.0 kPa，較7 d時(shí)的強(qiáng)度增長幅值分別為70%及140.25%。養(yǎng)護(hù)齡期為60 d時(shí)，對應(yīng)強(qiáng)度分別繼續(xù)增長17%及29.93%。養(yǎng)護(hù)齡期從28 d到60 d時(shí)，土樣強(qiáng)度仍有增長，復(fù)合改良土的硬凝反應(yīng)仍在發(fā)生，且不同干濕循環(huán)次數(shù)下的偏應(yīng)力更為接近，這是由于隨硬凝反應(yīng)的發(fā)生，產(chǎn)物可包裹土顆粒、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其水穩(wěn)性。在實(shí)踐運(yùn)用中，可選用28 d強(qiáng)度進(jìn)行分析研究，其余強(qiáng)度作為安全儲備。

圖7 200 kPa圍壓時(shí)不同循環(huán)次數(shù)下養(yǎng)護(hù)齡期對 極限偏應(yīng)力的影響Fig.7 Influence of curing age on ultimate deviatoric stress at different wet and dry cycles under 200 kPa confining pressure

3.2.4 干濕循環(huán)次數(shù)的影響

圖8為不同纖維摻量、纖維長度及養(yǎng)護(hù)齡期下，土體極限偏應(yīng)力與干濕循環(huán)次數(shù)的柱狀圖。從圖8(a)看出，復(fù)合改良土在8次干濕循環(huán)后，強(qiáng)度降低37%，加入纖維后，土體強(qiáng)度及水穩(wěn)定性得到提高，且存在最優(yōu)摻量，纖維摻量為0.4%時(shí)，強(qiáng)度最大，且8次干濕循環(huán)后強(qiáng)度僅降低6%，表明纖維可以有效改善水穩(wěn)性。圖8(b)反映了纖維長度及干濕循環(huán)次數(shù)對土體強(qiáng)度的影響。當(dāng)纖維長度為3 mm時(shí)，經(jīng)過8次干濕循環(huán)后，強(qiáng)度降低31.8%。隨著纖維長度增加，降低比率得到改善，當(dāng)纖維長度為9 mm時(shí)，強(qiáng)度最為穩(wěn)定。圖8(c)為不同養(yǎng)護(hù)齡期下土樣在干濕循環(huán)下的強(qiáng)度變化。隨著齡期的增加，土體的穩(wěn)定性得到明顯提高。7 d時(shí)，土體經(jīng)過8次干濕循環(huán)后強(qiáng)度降低45.96%，水穩(wěn)定性較差；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為60 d時(shí)，相同干濕循環(huán)條件下，土體強(qiáng)度僅降低3.5%，穩(wěn)定性明顯改善。

圖8 不同條件下干濕循環(huán)次數(shù)對極限偏應(yīng)力的影響Fig.8 Influence of the number of drying-wetting cycles on ultimate deviatoric stress under different conditions

從圖8可知，干濕循環(huán)條件下，土體強(qiáng)度在較小的循環(huán)次數(shù)下降低較快，后續(xù)逐步趨于穩(wěn)定。一方面是由于黃土中含有可溶鹽，浸水飽和后，其中部分可溶鹽被溶解，土顆粒間的膠結(jié)作用減弱，整體強(qiáng)度降低；另一方面干濕循環(huán)過程中浸水飽和導(dǎo)致細(xì)顆粒隨水流失、孔隙體積增大，水的滲透作用使孔隙增大、連通，形成微裂隙并逐漸發(fā)育。此外，黃土是團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，浸水飽和會導(dǎo)致團(tuán)粒分解，土顆粒粒徑減小，孔隙體積也相應(yīng)增大。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，土體中的裂隙逐步趨于穩(wěn)定，內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)排列重新平衡[15]，秸稈灰-石灰改良黃土中的水化硅酸鹽、水化鋁酸鹽等不溶于水的膠凝物質(zhì)組成了改良土的主要受力骨架，受干濕循環(huán)的影響減小。

3.3 強(qiáng)度指標(biāo)

3.3.1 黏聚力

3.3.1.1 纖維摻量對黏聚力的影響

圖9為不同干濕循環(huán)次數(shù)下，黏聚力隨纖維摻量的變化?？芍?，黏聚力受纖維摻量的變化影響較大，與未摻纖維時(shí)相比，強(qiáng)度提高12.4%～34%。變化幅度與干濕循環(huán)次數(shù)有關(guān)，干濕循環(huán)次數(shù)越大時(shí)，土體黏聚力受纖維摻量的影響越大。纖維摻量為0.4%時(shí)，黏聚力最大，這與土體的極限偏應(yīng)力的變化規(guī)律相同，可知纖維改良土抗剪強(qiáng)度的變化主要源于土體黏聚力的改變。土體在加載過程中，顆粒發(fā)生錯(cuò)動產(chǎn)生微小裂縫，隨著加載不斷進(jìn)行，微小裂紋逐步發(fā)展成為較大的裂縫。纖維可增強(qiáng)顆粒間的咬合力，有效抵抗顆粒間的錯(cuò)動，抑制裂縫的出現(xiàn)及發(fā)展。但是纖維摻量太大時(shí)，纖維易纏繞結(jié)塊，纖維集中處易成為應(yīng)力薄弱面，不利于黏聚力的形成。

圖9 纖維摻量對黏聚力的影響Fig.9 Influence of fiber content on cohesion

3.3.1.2 纖維長度對黏聚力的影響

圖10為不同干濕循環(huán)次數(shù)下，黏聚力隨纖維長度的變化規(guī)律?？芍嬖谧顑?yōu)纖維長度，纖維較短時(shí)，約束作用較小，易發(fā)生纖維從土顆粒間拔出等情況，不能很好地約束顆粒的變形，而當(dāng)纖維太長時(shí)，纖維易打結(jié)成團(tuán)，削弱了對土體變形的約束作用。

圖10 纖維長度對黏聚力的影響Fig.10 Influence of fiber length on cohesion

3.3.1.3 養(yǎng)護(hù)齡期對黏聚力的影響

圖11為養(yǎng)護(hù)齡期為7、14、28、60 d時(shí)黏聚力的變化?？芍ぞ哿Φ男纬膳c時(shí)間有關(guān)，經(jīng)歷0次干濕循環(huán)的土樣，養(yǎng)護(hù)齡期從7 d到60 d時(shí)，強(qiáng)度從148.2 kPa增長到287.9 kPa，增長幅度為94.2%；養(yǎng)護(hù)前期強(qiáng)度增長較快，后期增長較慢，養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)并未達(dá)到最大黏聚力。養(yǎng)護(hù)前期黏聚力主要來自水化硅酸鈣及碳酸鈣的快速形成，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，膠凝物質(zhì)覆蓋于顆粒表面，雖減慢了反應(yīng)速率，但反應(yīng)仍在進(jìn)行，因此在養(yǎng)護(hù)后期黏聚力仍會緩慢增長。

圖11 養(yǎng)護(hù)齡期對黏聚力的影響Fig.11 Influence of curing age on cohesion

3.3.1.4 干濕循環(huán)次數(shù)對黏聚力的影響

圖12分別為不同纖維摻量、纖維長度及養(yǎng)護(hù)齡期下，土體黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化。從圖12可以看出土體黏聚力受干濕循環(huán)影響，黏聚力的減小集中在前期的干濕循環(huán)過程中，后期黏聚力趨于穩(wěn)定，受循環(huán)次數(shù)影響減弱。圖12反映出纖維摻量、纖維長度及養(yǎng)護(hù)齡期對土體黏聚力的水穩(wěn)性均有明顯影響，纖維存在最優(yōu)配合比。當(dāng)纖維摻量為0.4%、纖維長度為9 mm時(shí)，養(yǎng)護(hù)齡期越長，黏聚力越大且具有越好的水穩(wěn)性。

圖12 不同條件下干濕循環(huán)次數(shù)對黏聚力的影響Fig.12 Influence of wet and dry cycles on cohesion under different conditions

3.3.2 內(nèi)摩擦角

3.3.2.1 纖維摻量、纖維長度及養(yǎng)護(hù)齡期的影響

圖13為不同干濕循環(huán)次數(shù)下，復(fù)合改良土的內(nèi)摩擦角隨纖維摻量、纖維長度、養(yǎng)護(hù)齡期的變化。隨著纖維摻量的增加，內(nèi)摩擦角先增大，后逐步趨于穩(wěn)定或略有降低，摻量為0.5%時(shí)，對應(yīng)內(nèi)摩擦角最大為39.4°。內(nèi)摩擦角隨纖維長度的增大呈現(xiàn)先增后降的趨勢，纖維長度為9 mm時(shí)，內(nèi)摩擦角最大為39°。加入適量的纖維時(shí)，土顆粒間受到纖維約束作用，咬合作用增強(qiáng)，內(nèi)摩擦角較大。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，內(nèi)摩擦角增大，增長速率逐步減小。養(yǎng)護(hù)時(shí)間越久，硬凝反應(yīng)越完全，此時(shí)土體內(nèi)部大部分為反應(yīng)生成的不溶于水的膠凝物，能夠更好地與纖維裹握連接，增強(qiáng)顆粒間的作用，內(nèi)摩擦角增大且更為穩(wěn)定，受干濕循環(huán)的影響越小。

圖13 纖維摻量、纖維長度及養(yǎng)護(hù)齡期對內(nèi)摩擦角的影響Fig.13 Influence of fiber content,fiber length and curing age on internal friction angle

圖14 不同條件下循環(huán)次數(shù)對內(nèi)摩擦角的影響Fig.14 Influence of the number of drying-wetting cycles on internal friction angle under different conditions

3.3.2.2 干濕循環(huán)次數(shù)的影響

如圖14所示，土體在不同纖維摻量、纖維長度下，內(nèi)摩擦角隨循環(huán)次數(shù)的變化幅值較小，且變化規(guī)律基本相同。內(nèi)摩擦角在前4次干濕循環(huán)下明顯降低，后逐步趨于穩(wěn)定。當(dāng)纖維長度為9 mm、摻量為0.4%時(shí)，土體內(nèi)摩擦角最大且水穩(wěn)性較好。內(nèi)摩擦角受顆粒形狀、級配及孔隙比影響較大，隨著前期干濕循環(huán)的進(jìn)行，黃土內(nèi)部可溶鹽較少、細(xì)顆粒流失、原生團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破壞，空隙增大、貫通，內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，顆粒級配、形狀改變，導(dǎo)致顆粒間的咬合作用減弱，內(nèi)摩擦角減小，隨著干濕循環(huán)持續(xù)進(jìn)行，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新排列，水化膠凝物質(zhì)構(gòu)成土體基本骨架，該物質(zhì)不溶于水，此時(shí)內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定。

3.4 復(fù)合改良土強(qiáng)度機(jī)理分析

綜上分析，纖維-秸稈灰-石灰復(fù)合改良黃土的抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)產(chǎn)生的變化，從細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析，如圖15(a)所示，當(dāng)纖維摻量為0 時(shí)，改良土細(xì)部結(jié)構(gòu)主要包括黃土團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、細(xì)顆粒以及水化產(chǎn)物，浸水飽和后，部分團(tuán)粒結(jié)構(gòu)遇水崩解，部分可溶鹽溶解，在水的滲透作用下，細(xì)小的顆粒逐步流失，造成土體內(nèi)部空隙的產(chǎn)生及發(fā)育，反復(fù)干濕循環(huán)作用下，極易在大顆粒結(jié)構(gòu)周圍產(chǎn)生細(xì)微裂縫，剪切作用下，土體易沿裂縫集中處破壞。當(dāng)加入適量的纖維后，如圖15(b)所示，纖維在土體中均勻分布，縱橫交錯(cuò)成網(wǎng)狀，在養(yǎng)護(hù)過程中，水化產(chǎn)物可沿纖維分布，有效地填充了顆?？障?，此外，纖維可將大量水化膠凝團(tuán)連接為一體，增強(qiáng)其整體性，在浸水作用時(shí)，纖維與膠凝物構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)可有效減少細(xì)顆粒的流失，避免大空隙的產(chǎn)生。在受力過程中，纖維的約束作用減小了土顆粒的錯(cuò)動，減緩了裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，抑制變形，提高強(qiáng)度。

圖15 復(fù)合改良土細(xì)觀結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig. 15 Schematic diagram of microstructure of composite improved soil

4 結(jié) 論

本文通過不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)，研究了不同纖維摻量、纖維長度、不同養(yǎng)護(hù)齡期下纖維復(fù)合改良黃土剪切性能的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：

(1)隨著纖維摻量的增大，改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸由應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型。纖維摻量為0 時(shí)，經(jīng)過干濕循環(huán)后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線軟化明顯且強(qiáng)度顯著降低。當(dāng)纖維長度為9 mm、摻量為0.4%時(shí)，改良土的水穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型且干濕循環(huán)條件下強(qiáng)度變化小。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，改良黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)為應(yīng)變硬化型，且水穩(wěn)定性逐步增強(qiáng)。

(2)改良土的極限偏應(yīng)力隨著纖維摻量以及纖維長度的增大均表現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)纖維長度為9 mm、摻量為0.4%時(shí)，強(qiáng)度最大。隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，前期土體強(qiáng)度衰減明顯，后期逐步趨于穩(wěn)定，纖維摻量、纖維長度對改良土的水穩(wěn)定性有明顯影響。養(yǎng)護(hù)齡期越長，改良土的強(qiáng)度越大，干濕循環(huán)條件下，力學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定。

(3)纖維長度、纖維摻量及養(yǎng)護(hù)齡期對改良土的黏聚力及內(nèi)摩擦角均有影響。隨著纖維長度、纖維摻量的增加，黏聚力先增大后減小，變化趨勢與極限偏應(yīng)力相似，內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為先增大后減小，變化幅值相對較小。干濕循環(huán)條件下，黏聚力前期快速減小后期趨于穩(wěn)定，內(nèi)摩擦角略微減小。養(yǎng)護(hù)齡期越久，黏聚力及內(nèi)摩擦角越大，且水穩(wěn)定性更強(qiáng)。