劉繼鵬，張 哲

(1.河南工程學院土木工程學院，鄭州 451191;2.鄭州大學土木工程學院，鄭州 450001)

0 引 言

目前針對黃土改良技術頗多，多采用物理或化學手段改良黃土，消除其不良特性[1]。物理手段一般采用水泥、固廢等材料改良黃土，但水泥及部分固廢材料(粉煤灰、礦渣)具有潛在的毒性[2-3]，會對土壤及地下水造成一定的污染?；瘜W手段雖然可以達到良好的處理效果，但該手段具有耗能大、污染土壤等缺點，不符合綠色環(huán)保的理念。因此，使用一種既有效加固黃土，又可有效降低環(huán)境污染的材料是我國踐行綠色環(huán)保理念的必行之路。近年來，纖維加筋技術被廣泛推廣到巖土工程領域中，其具有施工簡單、造價低、材料來源廣、對土壤污染小等優(yōu)勢，目前得到許多巖土學者的關注[4]。李華華[5]使用棕櫚纖維加筋黃土，結果表明當棕櫚纖維質量摻比達到0.6%～0.8%時，改良黃土抗剪強度達到最大。朱敏等[6]研究指出當聚丙烯纖維質量摻比為0.5%時，改良后黃土的無側限抗壓強度值提高2.1倍。張軍[7]研究滌綸紗線加筋黃土的靜力特性，試驗結果表明滌綸紗線對黃土的靜力特性有顯著提高。但目前眾多學者多從抗剪強度、無側限抗壓強度或靜力特性等角度研究，針對纖維加筋黃土動力特性的研究較少，隨著黃土地區(qū)“一帶一路”公路與鐵路建設如火如荼，靜力特性的研究已無法滿足實際工程建設的需要，且長期動荷載作用會對公路與鐵路路基性能造成一定危害，路基易發(fā)生裂縫、蠕變、液化、不均勻沉降等現(xiàn)象，因此從動力特性角度出發(fā)研究纖維加筋黃土不僅可以減少動荷載對路基的損傷，還可以有效提高路面行車安全，為黃土地區(qū)公路與鐵路路基建設提供理論參考。

上述研究表明纖維材料用于土體加固具有可行性，可有效提高土體強度。目前針對纖維材料的選取較為廣泛，黃麻纖維[8]、劍麻纖維[9]、棕絲纖維[10]、玻璃纖維[11]等都具有加筋黃土的潛力，但黃麻纖維來源廣，價格低，同時具有強度高、抗拉及散水快等優(yōu)勢[12]，被廣泛用于各種行業(yè)(紡織業(yè)、制漿造紙、建筑等)，素有“黃金纖維”之稱。因此，本文采用黃麻纖維加筋黃土，利用動三軸設備開展不同黃麻纖維質量摻比加筋黃土的動力特性研究，系統(tǒng)分析不同黃麻纖維質量摻比加筋黃土的動應力-應變關系、阻尼比、動彈性模量變化。研究成果可為黃麻纖維加筋黃土動力特性方面的研究提供參考。

1 實 驗

1.1 試驗用土

試驗用土選自西安市某在建高層建筑基坑內，取土深度為地下4 m，土體呈黃褐色，土質較為均勻，可歸為Q3黃土。按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[13]規(guī)定對黃土基本物理性能進行相關試驗，結果見表1。黃土顆粒以粉粒為主，占黃土總質量的70%。

表1 黃土的基本物理性能Table 1 Basic physical properties of loess

1.2 黃麻纖維

圖1 黃麻纖維Fig.1 Jute fiber

黃麻纖維選自西安當?shù)厥袌觯啥鄺l平行股組合而成，如圖1所示。黃麻纖維長度為12 mm，直徑為7 μm。纖維的抗拉強度為4.9 GPa，彈性模量、伸長率和密度分別為230 GPa、2.1%和1.8 g/cm3。

1.3 黃麻纖維加筋黃土的制備

纖維加筋土樣制備的關鍵是防止纖維互相糾纏，保證纖維均勻分布在土體內。目前多采用干法和濕法[14]制備纖維加筋土樣。干法是將纖維與黃土混合均勻后按最優(yōu)含水率(16.5%，質量分數(shù))向土樣中加蒸餾水并充分攪拌。濕法是將蒸餾水、纖維、黃土同時倒入攪拌器內并均勻攪拌，其中蒸餾水按總蒸餾水質量均分三次倒入。但經過前期試驗發(fā)現(xiàn)使用干法制備纖維加筋土樣的效果并不理想，黃麻纖維與黃土無法均勻混合，纖維在土體內出現(xiàn)聚集的現(xiàn)象。因此，本試驗采用濕法制備纖維加筋土樣，該方法可以使黃麻纖維均勻分布在土體內，同時可以減少攪拌過程中對黃麻纖維的損傷[15]。拌和后的纖維加筋土樣用保鮮膜密封，靜止24 h，使水分均勻分布在土樣內。按照最大干密度1.72 g/cm3進行重塑土樣的制作。定義黃麻纖維摻比m為黃麻纖維與黃土質量比，分別按照m=0%、m=0.1%、m=0.2%、m=0.3%、m=0.4%配置不同纖維質量摻比的重塑土。將重塑土按3層擊實且每層質量相等，并按照80 mm(高)×39.1 mm(直徑)的尺寸進行制作。重塑后的土樣置于恒溫、恒濕條件下養(yǎng)護28 d。

1.4 動三軸試驗及微觀表征

不同纖維質量摻比下的加筋黃土動三軸試驗在英國制造的10 Hz、25 kN型儀器上完成，采用頻率為1 Hz的等幅正弦荷載。為研究不同質量摻比黃麻纖維加筋黃土動力特性，分別在圍壓σ3=100 kPa、σ3=200 kPa、σ3=300 kPa下進行相關試驗。進行動彈性模量試驗時，在不排水條件下分10級施加循環(huán)荷載。采用JSM-7500 F型掃描電子顯微鏡觀察黃麻纖維加筋黃土微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 圍壓及纖維質量摻比對動應力-應變關系的影響

不同圍壓及纖維質量摻比下黃土動應力-應變(σd-εd)關系曲線如圖2所示。在黃麻纖維質量摻比相同的試樣中，隨著圍壓逐漸增大，曲線變陡，彈性變強。與素黃土(m=0%)的動應力-應變曲線相比，黃麻纖維的摻入使黃土的動應力-應變曲線更加陡峭，彈性特征更加明顯。隨黃麻纖維質量摻比的增加，相同動應變條件下所需的動應力增大，當黃麻纖維質量摻比達到0.3%時，破壞試樣所用動應力達到最大值，即此質量摻比下黃麻纖維與黃土顆粒在動荷載作用下可承受較大的動應力。當黃麻纖維質量摻比大于0.3%時，動應力值呈下降趨勢，即質量摻比0.3%為黃麻纖維的最優(yōu)摻比。當黃麻纖維質量摻比不斷增加(0%～0.3%)時，黃麻纖維與黃土顆粒會產生一定的摩擦力，在動荷載作用下使黃土內部顆粒相對位移減少[16]，進而重塑黃土能承受較大的動應力，但當黃麻纖維摻量超過0.3%時，過多的黃麻纖維在土體內部會使黃麻纖維之間接觸面積增大，從而使黃麻纖維與土顆粒接觸面積減少，而黃麻纖維之間所產生的摩擦力比土體顆粒與黃麻纖維間產生的摩擦力要小，對重塑土樣強度及抗變形能力影響較小[17]，因此重塑黃土所承受的動應力值降低。

圖2 不同圍壓及纖維質量摻比下黃土的σd-εd關系曲線Fig.2 σd-εd relationship curves of loess with different surrounding pressures and fiber mass ratios

2.2 圍壓及纖維質量摻比對動彈性模量-動應變關系的影響

不同圍壓及纖維質量摻比下黃土動彈性模量-動應變(Ed-εd)關系曲線如圖3所示。黃麻纖維的摻入可以有效提高黃土動彈性模量，不同纖維質量摻比下黃土的動彈性模量均大于素黃土(m=0%)。動彈性模量與動應變呈負相關，即隨動應變的增加，動彈性模量降低。同時動彈性模量與圍壓呈正相關，在相同應變下，圍壓越大動彈性模量越大。隨黃麻纖維質量摻比不斷增加，動彈性模量呈先增大后減小的趨勢。不同圍壓，相同應變(εd=1.5%)條件下,黃麻纖維質量摻比為0.3%的黃土較素黃土(m=0%)動彈性模量分別增加330%、185%、200%，圍壓的增加使黃麻纖維與土體顆粒之間的摩擦力增大，纖維加筋黃土不易被拉裂，同時也提高了土體的黏聚力，土體顆粒之間接觸更加緊密，使得在循環(huán)荷載作用下土體不易被破壞，進而提高土體剛度[18]。

圖3 不同圍壓及纖維質量摻比下黃土的Ed-εd關系曲線Fig.3 Ed-εd relationship curves of loess with different surrounding pressures and fiber mass ratios

2.3 圍壓及纖維質量摻比對阻尼比-動應變關系的影響

阻尼比是土動力特性重要的參數(shù)，表示在土體振動過程中能量的吸收與消散，間接表示土體抗震能力[19]。阻尼比λ由應力-應變滯回曲線(見圖4)求得，公式如式(1)所示。

(1)

圖4 滯回曲線示意圖Fig.4 Diagram of hysteresis curve

式中：λ為阻尼比；AC為滯回圈面積；AL為陰影區(qū)三角形面積(如圖4所示)。

通過對數(shù)據進行處理，可得到不同圍壓及不同纖維質量摻比下黃土阻尼比-動應變(λ-εd)關系曲線,如圖5所示。黃麻纖維摻入可使黃土阻尼比下降，但當m=0.1%時黃土較素黃土(m=0%)阻尼比下降幅度較小，可能原因為黃麻纖維質量摻比較少時，顆粒與纖維間產生較小的摩擦力，對黃土抗震能力及剛度無較大貢獻。隨著動應變不斷增加，阻尼比呈非線性上升趨勢；應變在0%～0.4%區(qū)間內，阻尼比增長幅度較大，之后隨著應變的增加，土-土顆粒與土-纖維間的重新排列形成相對穩(wěn)定的土體結構，能量消耗速率較為固定，進而導致阻尼比變化平緩。相同應變，不同圍壓條件下，素黃土(m=0%)阻尼比最大，m=0.3%時黃土阻尼比最小，不同圍壓下最大阻尼比較最小阻尼比下降幅度均值分別為91%、120%、100%，表明黃麻纖維質量摻比達到0.3%時，土體內部顆粒與黃麻纖維間的摩擦作用增強，顆粒之間位移減少，土體結構增強，進而阻尼比達到最小。同時發(fā)現(xiàn)圍壓對重塑黃土阻尼比影響較小，但仍可以觀察出圍壓增加，阻尼比降低的趨勢，可能原因是圍壓越大，土體越密實，土體內部孔隙減少，土-土顆粒與土-纖維間的接觸面積增大，咬合作用增強，在動荷載作用下，變形較小，不易發(fā)生錯位，導致能量損失減小，阻尼比降低。

圖5 不同圍壓及纖維質量摻比下黃土的λ-εd關系曲線Fig.5 λ-εd relationship curves of loess with different surrounding pressures and fiber mass ratios

2.4 微觀作用機理分析

通過對比不同纖維質量摻比下黃土的微觀形貌(如圖6所示)，可以發(fā)現(xiàn)隨黃麻纖維質量摻比的增加，纖維在土體內分布更加均勻。當纖維質量摻比為0.3%時，黃麻纖維在土壤內部分布效果達到最優(yōu)，纖維被膠結的土壤顆粒很好地包裹著。當纖維質量摻比大于0.3%時，黃麻纖維之間出現(xiàn)互相糾纏的現(xiàn)象，團聚纖維在動荷載作用下不能有效發(fā)揮抗變形能力，最終導致纖維加筋黃土動彈性模量、阻尼比下降。黃麻纖維加筋黃土的改良主要依據黃麻纖維與土顆粒之間的界面相互作用，發(fā)生膠結與摩擦是纖維加筋黃土的關鍵。當土體在動荷載作用下發(fā)生變形時，纖維與土顆粒之間的擠壓效應增強，纖維與土顆粒之間的相對滑移可能性降低，纖維對土顆粒的約束效應增強[20]。

圖6 不同纖維質量摻比下黃土的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of loess with different fiber mass ratios

3 結 論

(1)黃麻纖維加筋黃土與素黃土的動應力-應變曲線均表示為應變硬化。隨著黃麻纖維質量摻比不斷增加，動應力先增大后減少，黃麻纖維質量摻比達到0.3%時，動應力達到最大值。圍壓的增加會使動應力-應變曲線變陡，彈性變強。

(2)黃麻纖維的摻入可有效提高黃土的動彈性模量，不同圍壓下的黃土動彈性模量隨動應變的增加而下降，且圍壓與動彈性模量呈正相關。

(3)阻尼比隨動應變增長，出現(xiàn)先劇增后平緩的趨勢。黃麻纖維的摻入可使黃土阻尼比下降。不同圍壓對黃土阻尼比影響較小，但仍可以觀察出圍壓增加，阻尼比降低的趨勢。

(4)通過SEM照片可以發(fā)現(xiàn)，隨黃麻纖維質量摻比的增加，纖維在土體內分布更加均勻，當質量摻比達到0.3%時，纖維在土體內部分布效果達到最優(yōu)。當質量摻比大于0.3%時，過多纖維的摻入導致纖維在土體內部形成一定團聚現(xiàn)象，進而導致黃土抗變形、剛度指標下降。