李賀勇，張洪東，李海峰，盧洪寧，趙寧寧

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；3．浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310000 )

0 引言

浙江省麗水市位于浙江省西南部，地勢(shì)以丘陵為主，黏土邊坡是該地區(qū)工程建設(shè)需要面對(duì)的諸多工程問(wèn)題之一。黏土的含水率、孔隙比、壓縮性較高，這些特征在工程建設(shè)中表現(xiàn)出一系列不良的地質(zhì)工程現(xiàn)象，影響建筑物安全穩(wěn)定[1-2]。因此，在實(shí)際工程前需要對(duì)黏土進(jìn)行加固處理，使加固后的土體滿足工程建設(shè)的要求。

目前常用的加固方法分為化學(xué)加固和物理加固?；瘜W(xué)加固的方法主要為高分子固化劑加固，土體加筋作為常用的物理加固方法，加固纖維已有碳纖維、聚丙烯纖維、劍麻纖維、棕櫚纖維以及棉纖維等[3-9]。施斌[10]等通過(guò)聚丙烯纖維加筋土與素土之間的工程性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)纖維加筋改良土體的強(qiáng)度特性作了機(jī)理分析，得出聚丙烯纖維加筋的方法能有效提高土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強(qiáng)度特性，改善土體破壞形式；吳景海等[11]利用5種土工復(fù)合材料作為砂土的加筋材料，通過(guò)進(jìn)行三軸試驗(yàn)，數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)土工合成材料能夠提高有土體的強(qiáng)度，土工織物和土工格柵對(duì)砂土的變形有良好的約束作用；Prabakar等[12]對(duì)劍麻與椰子纖維進(jìn)行了強(qiáng)度分析，討論了天然纖維的加筋效果；Yetimoglu等[13]發(fā)現(xiàn)土體的殘余強(qiáng)度隨著纖維的增加而增大，加筋土通過(guò)增加土顆粒間的摩擦和約束作用，增強(qiáng)土體的強(qiáng)度，起到加固作用。因此，在現(xiàn)代工程建設(shè)中，將天然纖維材料運(yùn)用于黏性土或砂土當(dāng)中，改善土體性質(zhì)，對(duì)生態(tài)文明建設(shè)起到重要作用[14-17]。

劍麻纖維是目前使用較廣泛的天然纖維，其斷裂強(qiáng)度和彈性模量分別為450 MPa～700 MPa和7 GPa～13 GPa，屬于中強(qiáng)高彈纖維。劍麻纖維具有耐磨、產(chǎn)量高、耐腐蝕、彈性大、耐鹽堿等優(yōu)點(diǎn)。但目前劍麻纖維作為加筋材料對(duì)土體強(qiáng)度的研究還很少，本文采用劍麻纖維作為加筋材料，通過(guò)快速剪切與無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，將纖維含量和密度作為研究對(duì)象，分析其對(duì)土體強(qiáng)度的影響和加固作用機(jī)制，為工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用的土樣為浙江省麗水市縉云縣某邊坡黏土，黏土土樣經(jīng)過(guò)烘箱烘干，機(jī)械碾碎，過(guò)2 mm篩后進(jìn)行界限含水率試驗(yàn)，得到試驗(yàn)土樣的液限和塑限。試驗(yàn)選用的纖維材料為劍麻纖維，劍麻纖維具有質(zhì)量輕、環(huán)保無(wú)污染、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。從現(xiàn)場(chǎng)取回的原狀土(圖1a)，經(jīng)過(guò)烘干篩分后(圖1b)，其物理參數(shù)見(jiàn)表1，劍麻纖維(圖1c)的物理性質(zhì)見(jiàn)表2。

圖1 試驗(yàn)材料和黏土試樣

表1 某邊坡黏土的物理參數(shù)

表2 劍麻纖維的物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)的變量為黏土干密度和劍麻纖維含量，黏土干密度分別取1.55 g/cm3和1.60 g/cm3，劍麻纖維的含量取0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，為了便于劍麻纖維和黏土混合，試驗(yàn)前參考相關(guān)加筋土文獻(xiàn)，劍麻纖維剪裁為20 mm加筋效果良好，因此取纖維長(zhǎng)度為20 mm作為本次試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度[18-19]。試驗(yàn)中含水率取為20%。并按照纖維含量與含水率計(jì)算出所需土、水和劍麻纖維質(zhì)量，稱取相應(yīng)質(zhì)量的土、水?dāng)嚢杈鶆蚝螅帽ｕr膜包裹試樣，保持溫度不，靜置24 h利于土體充分浸潤(rùn)。靜置后，依照試驗(yàn)方案加入不同含量的劍麻纖維，混合均勻后倒入模具，之后用壓實(shí)裝置施加靜態(tài)壓力將土體壓實(shí)到指定高度，靜置2～3 min后取出試樣。

1.3 強(qiáng)度試驗(yàn)與儀器

快速剪切試驗(yàn)使用的儀器為應(yīng)變控制式直剪儀。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試樣分別施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的軸向荷載，保持應(yīng)變速率為0.8 mm/min直至試樣破壞。本次研究共有6組試驗(yàn)，為防止試驗(yàn)誤差過(guò)大，每組試樣制作3個(gè)平行試樣，并取平均值作為結(jié)果分析。試樣高20 mm，直徑61.8 mm。試樣制備完畢后，以保鮮膜緊密包裹，放置在恒定溫度下，養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。

無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)使用的儀器為YYW-2型應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓力儀。試驗(yàn)過(guò)程中，控制應(yīng)變速率為 2.4 mm/min，至試樣破壞。試樣直徑為39.1 mm，高度為80 mm，每組試樣制作3個(gè)平行試樣，并取平均值作為結(jié)果分析。制備的試樣見(jiàn)圖1c。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 剪切性能

本文通過(guò)改變?cè)嚇蛹咏盥逝c干密度，研究不同的劍麻纖維含量和土體干密度(ρ)對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，試樣的剪切性能結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，劍麻纖維加筋后黏土土樣的抗剪強(qiáng)度均有提高，在適量纖維加筋作用下，剪切性能提高顯著，但是過(guò)高的纖維含量反而會(huì)削弱一部分剪切強(qiáng)度。

表3 不同干密度和纖維含量試樣的剪切性能

圖2為黏聚力和內(nèi)摩擦角隨纖維含量變化曲線。由圖2可見(jiàn)，在保持試樣相同含水率、干密度及纖維長(zhǎng)度的情況下，с值(黏聚力)隨劍麻纖維含量提高呈增加趨勢(shì)，φ值(內(nèi)摩擦角)略有上升，纖維加筋后φ值最大增加至36.467°，相比素土增幅較小，提升不明顯。因此纖維含量對(duì)土體的黏聚力影響較大，對(duì)土體的內(nèi)摩擦力影響較小。當(dāng)纖維含量從0.1%增加到0.2%時(shí)，纖維的加入對(duì)土體的黏聚力和內(nèi)摩擦力有較大提升；當(dāng)纖維含量從0.2%提高到0.4%時(shí)，黏土的抗剪能力較之前提升較小，甚至存在內(nèi)摩擦力減小的情況。這說(shuō)明，劍麻纖維含量對(duì)土體抗剪強(qiáng)度提升具有最優(yōu)勢(shì)區(qū)間，在這一優(yōu)勢(shì)區(qū)間內(nèi)，土體抗剪能力增量較高，尤其是黏聚力明顯增加，超過(guò)或者低于這個(gè)優(yōu)勢(shì)區(qū)的纖維含量都有可能導(dǎo)致加固黏土的效果下降。

圖2 黏聚力(a)和內(nèi)摩擦角(b)隨纖維含量變化圖

在保持試樣含水率、纖維含量不變的情況下，干密度為1.55 g/cm3及1.60 g/cm3纖維加筋土抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)基本相同，不同干密度纖維土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)都明顯高于素土。從黏聚力的直線增長(zhǎng)間距來(lái)看，在加筋率為0.2%與0.4%時(shí)，干密度為1.60 g/cm3纖維土相對(duì)于素土黏聚力提高了20.5%和21.7%，干密度為1.55 g/cm3纖維土黏聚力則提高了22.9%和34.9%，在纖維含量為0.4%時(shí)，黏聚力逐漸大于干密度為1.60 g/cm3纖維土。這說(shuō)明在纖維含量較高時(shí)，纖維在土體內(nèi)部分布不均勻?qū)е峦馏w的黏聚力降低，影響土體的整體穩(wěn)定性，這進(jìn)一步驗(yàn)證劍麻纖維含量對(duì)土體抗剪強(qiáng)度提升有利，但過(guò)量的纖維會(huì)影響加固效果。

2.2 抗剪試驗(yàn)應(yīng)力位移曲線

在含水率和干密度保持不變的情況下，將直剪試驗(yàn)測(cè)得的土樣強(qiáng)度數(shù)據(jù)按照試驗(yàn)施加的軸向應(yīng)力(100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa)分組繪制應(yīng)力-位移關(guān)系曲線(圖3)。

由圖3可見(jiàn)，在不同的軸向應(yīng)力作用下，加筋土的抗剪強(qiáng)度都相較素土有明顯提高。在軸向應(yīng)力為100 kPa時(shí)，加筋對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響最為明顯。在剪切位移較小的時(shí)候，素土和加筋土的剪應(yīng)力-剪切位移曲線幾乎重合，隨著剪切位移逐漸增大，加筋土的剪應(yīng)力-剪切位移曲線逐漸增大并高于素土的剪應(yīng)力-剪切位移曲線。這是由于在剪切位移較小試樣發(fā)生微小變形時(shí)，加筋土內(nèi)的纖維沒(méi)有發(fā)揮加固作用，土體依靠自身強(qiáng)度抵抗剪應(yīng)力，當(dāng)隨著試樣變形的增大，土體內(nèi)部纖維逐漸受力拉伸以抵抗剪應(yīng)力，并將部分剪應(yīng)力傳遞到土體其他部分產(chǎn)生共同受力的效果，延緩?fù)馏w受力剪破的速度，提高土體的韌性與強(qiáng)度。軸向應(yīng)力與試樣抗剪強(qiáng)度存在正比關(guān)系，土體的抗剪強(qiáng)度隨著法向荷載的增大而增大。

在圖3a中，應(yīng)力先隨著試樣變形的增加而增加，達(dá)到峰值強(qiáng)度后，應(yīng)力隨變形的增加而減小，呈應(yīng)變軟化型曲線；在圖3b、圖3c和圖3d中，應(yīng)力隨試樣變形的增加而增加，應(yīng)力到達(dá)最大值后基本保持不變，曲線無(wú)下降趨勢(shì)且沒(méi)有峰值強(qiáng)度，呈應(yīng)變硬化性曲線。當(dāng)剪切位移較小時(shí)，應(yīng)力增加比較明顯，曲線較陡，當(dāng)剪切位移繼續(xù)增加時(shí)，應(yīng)力增加較少，曲線平緩且無(wú)峰值出現(xiàn)。加筋土受到的剪應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而增大，在應(yīng)變達(dá)到一定程度后，剪應(yīng)力會(huì)趨于穩(wěn)定，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因：在垂直荷載較小時(shí)，纖維發(fā)揮的作用相對(duì)較低，抗剪能力會(huì)隨著形變的增加進(jìn)一步降低；在垂直荷載較大時(shí)，土顆粒中的空隙被進(jìn)一步壓縮，土體和纖維接觸變得更加緊密，土顆粒間的摩擦力和纖維對(duì)土體的咬合力導(dǎo)致纖維不易被拔出，土體的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨形變的增加而緩慢增加或保持穩(wěn)定。

圖3 不同軸向應(yīng)力下應(yīng)力-位移曲線

在圖3d中，除了素土的剪切強(qiáng)度較低外，加筋率0.1%～0.4%的剪切強(qiáng)度曲線重合度較高，這說(shuō)明在高軸向應(yīng)力狀態(tài)下的加筋土普遍有較高的剪應(yīng)力，此時(shí)的纖維含量對(duì)剪應(yīng)力的影響較小。加筋土的剪應(yīng)力隨著軸向應(yīng)力的增大而逐漸增加，但是增幅速度并不是線性增加，剪應(yīng)力在軸向應(yīng)力由300 kPa到400 kPa的增長(zhǎng)率比在軸向應(yīng)力由200 kPa到300 kPa的要小，可見(jiàn)在正應(yīng)力增加的同時(shí)，加筋土體的剪應(yīng)力的增幅降低，在法向荷載增大到一定程度時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度不會(huì)有較大的增幅[20]。在軸向應(yīng)力作用下，加筋土的抗剪能力均明顯優(yōu)于素土，加筋率為0.4%的黏土在軸向應(yīng)力作用下，對(duì)抗剪強(qiáng)度提高分別為17.4%、42.8%、15.5%、9.7%；加筋率為0.2%的黏土在軸向應(yīng)力作用下，對(duì)抗剪強(qiáng)度提高分別為17.6%、45.9%、32.5%、10%。

2.3 干密度和纖維含量的影響

圖4為不同干密度試樣土體在含水率(20%)和纖維含量(0%、0.2%、0.4%)下的抗剪強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖4可見(jiàn)，在應(yīng)變較小時(shí)，干密度為1.60 g/cm3土體的應(yīng)力應(yīng)變曲線與干密度為1.55 g/cm3土體曲線較為重合，在應(yīng)變逐漸增大時(shí)，不同干密度的素土應(yīng)力應(yīng)變曲線相對(duì)平緩且強(qiáng)度相近，不同干密度的加筋土應(yīng)力應(yīng)變曲線呈緩慢上升趨勢(shì)，1.60 g/cm3加筋土的應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸高于1.55 g/cm3土體的曲線，這說(shuō)明干密度越大，土體的剪切性能越強(qiáng)，試樣所能承受的剪應(yīng)力就越大，土體越不容易受力破壞。在纖維含量為0.2%時(shí)，兩條曲線的差距比較明顯。與干密度為1.55 g/cm3的素土相比，干密度為1.60 g/cm3的素土抗剪強(qiáng)度提高了9.3%，加筋土在纖維含量為0.2%與0.4%時(shí)，抗剪強(qiáng)度提高了29.1%與10.6%?？梢?jiàn)在纖維含量為0.2%時(shí)，干密度對(duì)土體抗剪強(qiáng)的影響較大，土體抗剪強(qiáng)度提升顯著，但是隨著纖維含量的增加，干密度對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響會(huì)略微降低。在纖維含量為0.2%時(shí)，干密度1.60 g/cm3加筋土的殘余強(qiáng)度明顯高于干密度1.55 g/cm3加筋土；在纖維含量為0%和0.4%時(shí)，殘余強(qiáng)度雖有提高但不明顯。這說(shuō)明在特定加筋率條件下，干密度的增加可以提高土的抗變形能力和延展能力，過(guò)高的纖維含量反而會(huì)影響纖維加固土體的效果。

圖4 不同干密度的抗剪強(qiáng)度曲線

圖5為不同干密度試樣土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖5可見(jiàn)，在軸向應(yīng)變較小時(shí)，不同密度的試樣應(yīng)變曲線依然較為重合，變化規(guī)律與剪切強(qiáng)度變化曲線相似，但是當(dāng)抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值強(qiáng)度后，素土的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著軸向應(yīng)變?cè)黾佣焖傧陆?，殘余?qiáng)度幾乎為0，呈應(yīng)變軟化型曲線。在加筋率為0.2%和0.4%時(shí)，試樣強(qiáng)度達(dá)到峰值后，應(yīng)變曲線存在下降的趨勢(shì)，但仍有較高的殘余強(qiáng)度，曲線呈應(yīng)變硬化型。這說(shuō)明，劍麻纖維對(duì)土體結(jié)構(gòu)存在維系加固作用，使得土體在受到壓力破壞后仍然存在著一定強(qiáng)度，不會(huì)完全破壞，而素土在沒(méi)有纖維加固的條件下，受力破壞后土體的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力相較之前下降明顯。

圖5 不同干密度的抗壓強(qiáng)度曲線

3 加固機(jī)理分析

圖6為黏土試樣在試驗(yàn)中不同階段呈現(xiàn)的破壞模式。由圖6a～6c可見(jiàn)，素土在破壞過(guò)程中，首先在試樣頂部和中部產(chǎn)生裂縫，裂縫總體呈“Y”形，由于沒(méi)有加固措施，在試樣破壞時(shí)剪切帶明顯增多，試驗(yàn)終止階段裂縫延伸至試樣底部，黏土結(jié)構(gòu)破壞較大，土體殘余強(qiáng)度較小，試樣的破壞形式為脆性破壞。圖6d～6f為土體加筋后的破壞過(guò)程，黏土在有劍麻纖維加筋后，不僅試樣的抗壓強(qiáng)度有了較大提高，在破壞狀態(tài)上也有明顯不同。這說(shuō)明，試樣在有劍麻纖維的加固作用下，破壞形式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，劍麻纖維在土體內(nèi)形成的整體結(jié)構(gòu)有利于土體分散壓力并承受更多荷載，具體變現(xiàn)為試樣在受壓開(kāi)裂過(guò)程中形成各個(gè)開(kāi)裂小塊，并通過(guò)纖維網(wǎng)的聯(lián)系，使試樣在被破壞后仍然能保持較高的殘余強(qiáng)度和抗變形能力。

圖6 單軸試驗(yàn)試樣破壞過(guò)程

由試驗(yàn)結(jié)果得知，纖維含量及土體干密度的改變對(duì)黏土試樣的強(qiáng)度特性有著較大的影響。在含水率不變的情況下，隨著劍麻纖維含量和干密度的增加，試樣的黏聚力也隨之增大。當(dāng)纖維含量為0.2%，土體干密度為1.60 g/cm3時(shí)，黏土的強(qiáng)度特性得到增強(qiáng)，土體抵抗剪應(yīng)力的能力有明顯改善。

剪裁后的單根劍麻纖維呈“針狀”，纖維以不同角度雜亂均勻分布在土體內(nèi)部，填充土顆粒間的空隙，纖維相互交織纏繞，約束土顆粒移動(dòng)位移，從而增加土體剪切阻力，提高土體的整體強(qiáng)度。并且劍麻纖維側(cè)表面粗糙，具有較好的抗阻力，土顆粒在剪切面發(fā)生位移時(shí)，增加與土顆粒間的摩擦力，有效提高纖維對(duì)土顆粒的咬合作用，從而抵抗剪切位移，起到增加剪切強(qiáng)度的效果。

劍麻纖維加固后的土體，抗剪強(qiáng)度相對(duì)于素土有明顯提高，但是加筋效果會(huì)隨著加筋率有所改變。在取適量纖維加固土體后，劍麻纖維與黏土緊密結(jié)合，彎曲分布在土顆粒中，在加筋土內(nèi)部纖維相互交織形成纖維網(wǎng)，當(dāng)土體受到剪應(yīng)力產(chǎn)生位移時(shí)，土顆粒與纖維間的黏聚力和摩擦力會(huì)發(fā)揮作用，纏繞在土顆粒間的纖維發(fā)生拉伸變形產(chǎn)生拉力抵抗一部分外部荷載，同時(shí)纖維通過(guò)纖維網(wǎng)的交織點(diǎn)傳遞剪力，對(duì)土粒形成反約束作用，從而抵抗剪應(yīng)力防止土體產(chǎn)生更大的形變，起到增強(qiáng)土體剪切強(qiáng)度的作用。當(dāng)纖維含量過(guò)高時(shí)，試樣的剪切面纖維分布不均勻，容易產(chǎn)生交錯(cuò)重疊現(xiàn)象(圖7)，從而在土顆粒間產(chǎn)生阻隔面，土顆粒和纖維不能充分接觸，接觸面積減小削弱了土粒間的黏結(jié)力和摩擦力，影響了土體的整體穩(wěn)定性，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低[21]。

圖7 劍麻纖維加固機(jī)理圖

5 結(jié)論

本文通過(guò)直剪剪切和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了纖維含量與土體干密度對(duì)劍麻纖維改良黏土強(qiáng)度特性的影響，得出以下結(jié)論：

1)在相同土體干密度與含水率條件下，劍麻纖維的添加明顯提高了黏土在不同軸向應(yīng)力作用下的抗剪能力，加筋率≤0.2%時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著劍麻纖維含量的增加而快速增加；當(dāng)纖維含量≥0.2%時(shí)，黏土試樣已有較強(qiáng)的抗剪能力，因此土體的抗剪強(qiáng)度雖然在增加，但整體提升幅度較小。

2)在軸向應(yīng)力較小時(shí)，應(yīng)力先隨著試樣變形的增加而增加，達(dá)到峰值強(qiáng)度后，應(yīng)力隨變形的增加而減小，呈應(yīng)變軟化型曲線；當(dāng)軸向應(yīng)力逐漸增加，應(yīng)力隨試樣變形的增加而增加，應(yīng)力到達(dá)最大值后基本保持不變，曲線無(wú)下降趨勢(shì)且沒(méi)有峰值強(qiáng)度，呈應(yīng)變硬化性曲線。

3)在相同含水率條件下，干密度越大，土體強(qiáng)度越高，干密度通過(guò)改變土顆粒間的狀態(tài)與纖維充分接觸從而增加對(duì)黏土的加固效果。隨著纖維含量的增加，干密度對(duì)土體強(qiáng)度的影響會(huì)略微降低，但是加筋土的剪切強(qiáng)度仍大于素土。

4)劍麻纖維可以增強(qiáng)黏土整體穩(wěn)定性和韌性，試樣的破壞形式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，纖維在加筋土內(nèi)部纖維相互交織形成纖維網(wǎng)，增加摩擦力和黏聚力，同時(shí)，過(guò)高的纖維含量會(huì)引起反作用，削弱土體抗剪強(qiáng)度。