張夢(mèng)子,劉春輝,鐘漢林

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

天然砂土結(jié)構(gòu)松散,具有易沖刷、易侵蝕、易液化的特點(diǎn),在實(shí)際工程中經(jīng)常需要對(duì)砂土地基進(jìn)行處理才能滿足設(shè)計(jì)要求。因此探索一種成本低廉、操作簡(jiǎn)便、生態(tài)環(huán)保的砂土加固方法,成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。1963年,法國(guó)的工程師亨利·維達(dá)在觀察鳥(niǎo)類(lèi)利用泥和草筑巢,受到啟發(fā),提出來(lái)加筋土這一新概念[2],即通過(guò)在土中布置土工合成材料來(lái)增強(qiáng)土體強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性,這項(xiàng)技術(shù)如今在鐵路和公路的路基工程、堤壩及各種擋墻結(jié)構(gòu)的修建中都得到了廣泛的應(yīng)用。

20世紀(jì)80年代,纖維作為一種新型土體加筋材料開(kāi)始引起了人們的關(guān)注。與傳統(tǒng)加固方式相比,纖維加筋土更加環(huán)保清潔,施工工藝簡(jiǎn)單,成本低廉,在多種土體中都能得到較好的利用[3]。因此,利用纖維來(lái)改善砂土性能已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究熱點(diǎn)。例如,金佳旭等[4]研究了加入聚丙烯纖維后尾礦砂的抗剪性能、抗壓性能和宏/微觀結(jié)構(gòu)特性的變化情況,結(jié)果表明當(dāng)纖維含量為0.3%、含水率為12%時(shí),試樣的單軸抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度得到了顯著的增強(qiáng)。馬強(qiáng)等[5]利用室內(nèi)三軸試驗(yàn)研究了不同纖維含量對(duì)加筋砂抗剪強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)與純砂土相比纖維加筋砂的強(qiáng)度和抗變形能力更高。劉超等[6]進(jìn)行了大量試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),纖維加筋可以顯著提高土體的抗液化能力且能減小液化引起的變形。PRABAKAR和SRIDHAR[7]在軟土中加入纖維,發(fā)現(xiàn)其抗剪強(qiáng)度參數(shù)顯著提升。KUMAR等[8]研究了聚酯纖維加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,結(jié)果表明纖維的摻入對(duì)強(qiáng)度特性有積極的影響。MESBAH等[9]通過(guò)直接拉伸試驗(yàn)得出,纖維的摻入能有效抑制土體初始拉伸裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。綜上所述,纖維加筋土的多項(xiàng)性能指標(biāo)更加突出,具有良好的應(yīng)用前景。

然而,現(xiàn)有研究大多關(guān)注纖維加筋砂的靜力性能,其動(dòng)力特性研究尚處于初步階段。此外,循環(huán)荷載下砂土的動(dòng)力特性問(wèn)題一直是工程設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。因此,以劍麻纖維加筋砂土作為研究對(duì)象,通過(guò)一系列動(dòng)三軸試驗(yàn),研究循環(huán)荷載作用下纖維加筋砂土的殘余變形和剛度變化情況,為纖維材料在砂土加固領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 材料特性

隨著建設(shè)行業(yè)規(guī)模的不斷壯大和基于國(guó)家對(duì)于保護(hù)河床生態(tài)環(huán)境的要求,可供應(yīng)的建筑用河砂資源日益匱乏[10],而我國(guó)擁有豐富的海砂資源,對(duì)海砂的合理利用可以有效緩解行業(yè)需求與供給不足之間的矛盾。試驗(yàn)所用砂土取自煙臺(tái)大學(xué)東門(mén)海水浴場(chǎng)。測(cè)試前,將海砂進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后烘干,并參照規(guī)范(GB/T 50123—1999)[11]測(cè)定試樣的基本參數(shù),繪制出顆粒級(jí)配曲線如圖1。由顆粒級(jí)配曲線可知:不均勻系數(shù)Cu=D60/D10=3.61,曲率系數(shù)Cc=D302/(D60×D10)=0.58,砂的比重Gs=2.16。

圖1 海砂顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grain gradation curve of sea sand

試驗(yàn)所用加筋材料為劍麻纖維,其具有纖維長(zhǎng)、質(zhì)地堅(jiān)韌、富有彈性、耐腐蝕、耐酸堿等特性,是一種優(yōu)質(zhì)的天然纖維,被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。為了避免不同纖維尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響,所有試樣纖維長(zhǎng)度均取12 mm,其基本力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 劍麻纖維的基本力學(xué)參數(shù)Tab.1 Basic mechanical parameters of sisal fiber

1.2 試樣制備

試驗(yàn)中,試樣的制備按以下步驟進(jìn)行。首先,根據(jù)以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)[12]可知,含水率在10%時(shí)砂土和纖維的混合效果較好,據(jù)此確定試驗(yàn)所需烘干后海砂和水的質(zhì)量,并稱量摻量為0.6%經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干的劍麻纖維,再將所有材料混合攪拌均勻。其次,模具采用三瓣膜制樣,分3層擊實(shí),在同樣擊實(shí)高度及次數(shù)條件下,控制相對(duì)密實(shí)度為70%,試樣最終高度為14 cm,直徑為7 cm。最后,為了減小試樣轉(zhuǎn)移過(guò)程中的擾動(dòng),將制備好的試樣凍結(jié)24 h[13],成型后轉(zhuǎn)移到三軸儀器上。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用的設(shè)備為英國(guó)GDS動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)由壓力室、軸向壓力傳感器、圍壓控制器、體積變化量測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集單元等組成。通過(guò)該設(shè)備的動(dòng)力加載模塊開(kāi)展了21組固結(jié)排水(CD)試驗(yàn),在施加不同圍壓和應(yīng)力幅值時(shí),分析劍麻纖維加筋砂的殘余變形和剛度變化情況。

試驗(yàn)主要分3個(gè)階段:(1)試樣的飽和。先進(jìn)行抽氣注水飽和,再進(jìn)行分級(jí)反壓飽和,當(dāng)飽和度B值大于0.95時(shí)飽和完成。(2)排水固結(jié)。輸入指定的圍壓和初始靜應(yīng)力,試樣體積變化在5 min內(nèi)小于5 mm3時(shí)固結(jié)結(jié)束。(3)動(dòng)態(tài)加載階段。加載方式如圖2,試樣經(jīng)過(guò)1000次循環(huán)加載后或達(dá)到15%的軸向累積應(yīng)變時(shí),停止動(dòng)態(tài)加載(表2)。

表2 砂土循環(huán)三軸試驗(yàn)Tab.2 Triaxial cyclic tests of sandy soil

圖2 動(dòng)態(tài)加載[14]Fig.2 Dynamic loading

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 殘余應(yīng)變

殘余應(yīng)變主要包括殘余軸向應(yīng)變?chǔ)?,R和殘余體積應(yīng)變?chǔ)舦,R2類(lèi),是試樣在循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生的永久變形。圖3和圖4分別為循環(huán)荷載作用下劍麻纖維加筋砂的殘余軸向應(yīng)變和殘余體積應(yīng)變,圖中σd為循環(huán)應(yīng)力幅值,σ3為圍壓,橫坐標(biāo)為對(duì)數(shù)形式表示的循環(huán)次數(shù)N。由圖3可以看出,殘余軸向應(yīng)變的發(fā)展出現(xiàn)了3種不同的變化趨勢(shì)。第1類(lèi):在σd較小時(shí),殘余軸向應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)N近似線性增長(zhǎng),且經(jīng)過(guò)1000次加載后累積變形趨于穩(wěn)定。第2類(lèi):隨著σd的逐漸增大,殘余軸向應(yīng)變的發(fā)展由2個(gè)階段組成,曲線出現(xiàn)了明顯的彎折。第3類(lèi):隨著σd的繼續(xù)增大,殘余軸向應(yīng)變的變化形式類(lèi)似于指數(shù)增長(zhǎng),試樣在較少的循環(huán)次數(shù)內(nèi)就已經(jīng)失效。下面將分別對(duì)上述3種現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)討論。

圖3 循環(huán)荷載作用下殘余軸向應(yīng)變Fig.3 Residual axial strain under cyclic loading

2.1.1 類(lèi)型1 如圖3(a)—(d)所示,當(dāng)σd≤600 kPa時(shí),隨著循環(huán)次數(shù)的增加試樣的殘余軸向應(yīng)變近似線性增長(zhǎng),經(jīng)過(guò)1000次循環(huán)后,軸向應(yīng)變累積率δε1,R/δN(定義為每個(gè)循環(huán)內(nèi)的應(yīng)變?cè)隽?逐漸降低到幾乎恒定的水平,這種變形機(jī)制被定義為塑性安定。在這種狀態(tài)下,盡管響應(yīng)不是完全彈性的,但殘余軸向應(yīng)變?nèi)孕∮?5%,變形尚在允許的范圍內(nèi)。還可以看出,在相同的循環(huán)次數(shù)下,殘余軸向應(yīng)變的增長(zhǎng)主要受循環(huán)應(yīng)力幅值影響,應(yīng)力幅值越大最終塑性變形也越大。

2.1.2 類(lèi)型2 如圖3(a)—(d)所示,當(dāng)σ3=200 kPa且σd=700 kPa、σ3=300 kPa且σd=1200 kPa、σ3=400 kPa且σd=1400 kPa,以及σ3=500 kPa且σd=1600 kPa時(shí),殘余軸向應(yīng)變隨加載次數(shù)變化曲線均出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折,可以將其分為2個(gè)階段,前期殘余軸向應(yīng)變呈非線性迅速積累,后期殘余軸向應(yīng)變近似呈線性增加。出現(xiàn)該種現(xiàn)象是由于前期殘余軸向應(yīng)變迅速積累,高水平的塑性應(yīng)變率開(kāi)始降低,當(dāng)振動(dòng)一定次數(shù)后,試樣密實(shí)程度逐漸提高,軸向應(yīng)變累積率趨于穩(wěn)定,塑性應(yīng)變近似線性上升,最終,試樣在大量的載荷循環(huán)后會(huì)因?yàn)榧喰?yīng)而失效,這種變形機(jī)制被定義為塑性蠕變。另外,通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),在相同應(yīng)力幅值時(shí),出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的循環(huán)次數(shù)有所差異,圍壓越大轉(zhuǎn)折點(diǎn)越早出現(xiàn),這是因?yàn)閲鷫涸龃笤嚇拥某跏济軐?shí)度也會(huì)提高,達(dá)到密實(shí)狀態(tài)的時(shí)間相應(yīng)減少。

2.1.3 類(lèi)型3 如圖3(b)—(c)所示,當(dāng)σ3=300 kPa且σd=1400 kPa,以及σ3=400 kPa且σd=1800 kPa時(shí),塑性應(yīng)變迅速積累,強(qiáng)度急劇降低,在較少的循環(huán)次數(shù)后試樣就因達(dá)到15%的殘余軸向應(yīng)變而失效,這種變形機(jī)制稱為塑性破壞。與類(lèi)型1和類(lèi)型2相比,在最初幾個(gè)循環(huán)內(nèi)殘余軸向應(yīng)變累積率δε1,R/δN會(huì)有所下降,之后會(huì)迅速增長(zhǎng)且一直保持在較高的水平,可以將δε1,R/δN的轉(zhuǎn)折點(diǎn)視作破壞過(guò)程的開(kāi)始。

圖3(c)和圖3(d)所示,當(dāng)圍壓由400 kPa增大到500 kPa后,應(yīng)力幅值同為1600 kPa的2組試樣處于2種不同的變形機(jī)制,圍壓的提高使其達(dá)到塑性破壞的下限也有所提高。

圖4(a)—(d)為殘余體積應(yīng)變?chǔ)舦,R隨循環(huán)次數(shù)N(對(duì)數(shù)形式)變化曲線,圖中以體積壓縮為正。可以看出,隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加,殘余體積應(yīng)變呈現(xiàn)非線性快速增長(zhǎng),體積應(yīng)變累積率δεv,R/δN也在逐漸增大,試樣整體呈壓縮狀態(tài)。殘余體積應(yīng)變與循環(huán)應(yīng)力振幅呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性,當(dāng)加載循環(huán)次數(shù)相同時(shí),試樣在較高的循環(huán)應(yīng)力下經(jīng)歷較高的體積壓縮,逐漸接近密實(shí)狀態(tài)。此外,由圖4(c)—(d)還可以看出,圍壓越高最終殘余體積應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

圖4 循環(huán)荷載作用下殘余體積應(yīng)變Fig.4 Residual volumetric strain under cyclic loading

2.2 剛度變化

如圖2(c)所示,動(dòng)態(tài)楊氏模量Ed為每個(gè)加載循環(huán)應(yīng)力增量與應(yīng)變?cè)隽康谋戎?該圖中滯回圈數(shù)與試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)相對(duì)應(yīng)。

圖5(a)—(d)為不同圍壓和應(yīng)力幅值時(shí)動(dòng)態(tài)楊氏模量Ed的變化曲線。從這四幅圖中可以看出,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,動(dòng)態(tài)楊氏模量Ed顯著增大,每個(gè)循環(huán)Ed的增大主要?dú)w因于循環(huán)加載下試樣的致密化,即:隨著循環(huán)次數(shù)的增加,殘余體積應(yīng)變逐漸增大,試樣一直處于壓縮狀態(tài),孔隙率減小,剛度提高。還可以看出,不同的應(yīng)力幅值下,試樣的動(dòng)態(tài)楊氏模量變化率存在顯著差異,當(dāng)圍壓一定時(shí),處于塑性安定狀態(tài)(類(lèi)型1)的試樣Ed增長(zhǎng)率較低,而另外2種變形機(jī)制(類(lèi)型2與類(lèi)型3)下試樣的Ed隨著N的增加迅速增加。此外,還可以發(fā)現(xiàn),與殘余體積應(yīng)變相似,在相同應(yīng)力幅值時(shí)圍壓越大剛度也越大。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),在小應(yīng)變范圍內(nèi),纖維加筋砂的動(dòng)態(tài)楊氏模量保持恒定,然而一旦超過(guò)閾值,Ed隨著應(yīng)變水平的增加而降低。

圖5 循環(huán)荷載作用下動(dòng)態(tài)楊氏模量Fig.5 Dynamic Young's modulus under cyclic loading

3 總 結(jié)

通過(guò)控制圍壓和應(yīng)力幅值,開(kāi)展了21組固結(jié)不排水三軸試驗(yàn),分析劍麻纖維加筋砂的變形和剛度變化:

(1)試樣的殘余軸向應(yīng)變隨循環(huán)加載次數(shù)的增加而增大,且殘余軸向應(yīng)變隨加載次數(shù)的變化規(guī)律與施加的應(yīng)力幅值大小有關(guān)。

(2)在不同循環(huán)應(yīng)力幅值作用下,殘余軸向應(yīng)變表現(xiàn)出了3種變形機(jī)制,即塑性安定、塑性蠕變與塑性破壞。

(3)試驗(yàn)加載過(guò)程中,纖維加筋砂整體呈壓縮狀態(tài),殘余體積應(yīng)變表現(xiàn)為非線性快速增長(zhǎng),且殘余體積應(yīng)變與循環(huán)應(yīng)力振幅存在顯著相關(guān)性。

(4)最終殘余體積應(yīng)變、剛度以及塑性破壞下限隨著圍壓的增大而增大。

(5)纖維加筋砂的動(dòng)態(tài)楊氏模量Ed隨著循環(huán)次數(shù)的增加顯著增大;在小應(yīng)變范圍內(nèi)Ed基本保持恒定,然而一旦超過(guò)應(yīng)變閾值,Ed隨著應(yīng)變水平的增加而降低。