王 成，劉春輝，劉翔寧，張 俊，盧龍玉，張夢子

(1.煙臺大學土木工程學院，山東 煙臺 264005；2.天津大學建筑工程學院，天津 300350)

目前常用的加固砂土的方法有生物、化學和物理三種。生物方法需要控制的變量因素較多，在實際工程中操作困難；化學方法是利用化學溶液或膠結劑灌入土中，使土顆粒膠結，提高土體強度，通常會造成地下水污染等環(huán)境問題；物理方法是在砂土中添加土工織物、土工格柵及土工布等材料，通過人工或機械方式將其拌和均勻進行加固。纖維加固是物理加固中常見的一種方法，將纖維以分散形式隨機分布于土體中, 纖維與砂土之間盤互交錯，彼此相連，互成網絡，纖維土表現出各向同性的性質，備受國內外學者的關注。近年來，國內外學者就纖維加筋砂土進行深入研究。BABU等[1]對纖維增強砂土進行三軸壓縮試驗，發(fā)現纖維能夠提高砂土的抗剪強度。MARANDI等[2]研究隨機分布棕櫚纖維影響粉砂土強度和延性，結果顯示纖維加入能夠提高試樣的峰值強度和殘余強度，但棕櫚纖維在提高粉砂土延性的同時會降低其剛度。TANG等[3]采用無側限抗壓強度(UCS)試驗研究聚丙烯短纖維增強水泥穩(wěn)定黏性土的強度和力學性能，利用掃描電鏡(SEM)對土壤基質和表面進行分析,結果表明，影響纖維土性能提高的因素主要是土中的結合材料、纖維體周圍的法向應力、界面的有效接觸面積和纖維表面粗糙度等。有研究報道[4-6]用聚丙烯纖維分別處理膨脹土、石灰土、軟土，結果顯示土體力學性能均有提高。王宏勝等[7]研究纖維加筋市政污泥的剪切強度特性，分析在不同固結壓力下纖維摻量對污泥排水固結后的含水率及干密度的影響。唐朝生等[8]發(fā)現在黏性土中的含砂量對纖維加筋土的強度有重要影響，添加砂的纖維土，在受到荷載時，砂的存在會增大土樣受到剪切破壞時破壞面的粗糙程度，增加纖維與土之間的相對滑動阻力，進而提高土的力學性能。趙瑩瑩等[9]對內蒙古風沙土進行纖維加固并測試其強度特性，發(fā)現纖維摻入的風沙土內摩擦角幾乎不變,但黏聚力與纖維長度和纖維摻量成正比。鐘漢林等[10]研究隨機分布纖維影響煙臺海砂土力學性能，發(fā)現纖維長度、纖維摻量、圍壓及密實度對砂土的抗剪強度在一定范圍內均有不同程度的影響。

上述研究成果展示了纖維加固各種土質均取得較好的進展，充分表明纖維加筋是一種優(yōu)良的土質改良技術。但需要指出的是，已有研究基本上都是以內陸砂土為研究對象，針對海洋砂土研究較少。本文將重點針對纖維長度對海砂力學參數的影響進行討論。

本研究所選的天然劍麻纖維屬于綠色纖維材料，具有質地堅硬、彈性強、拉伸性好和耐摩擦等優(yōu)點之外, 還具有耐腐蝕性和耐低溫性能。良好的性能使得劍麻纖維已廣泛地應用于海上港口和海岸堤防等眾多工程的地基處理中。

通過標準三軸試驗，得到海砂應力-應變曲線、軸向應變5%時偏應力值作為破壞點應力路徑下的莫爾應力圓、纖維長度與彈性模量、割線模量的關系，對纖維加筋在海砂工程應用具有較大的參考價值。

1 試驗步驟

1.1 海砂性質

本文使用的海砂取自于煙臺大學東門海水浴場，粒徑主要分布在0.1～2 mm之間。按照土工試驗方法標準[11]，計算不均勻系數和曲率系數。砂樣篩分數據見表1。

表1 海砂的篩分數據

1.2 劍麻纖維的特性

本研究使用的劍麻纖維長度(FL)分別為0、6、12、18 mm，平均直徑約為0.18 mm，密度為 0.014 g/cm3，拉伸強度為537 MPa，拉伸模量為22 GPa,斷裂伸長率為2.5%,具有很大的柔韌性。

2 試驗方案

2.1 試樣的制備

將煙臺海砂過篩放入烘箱烘烤8 h，試驗選取的纖維含量為0.6%，對應的FL分別是0(未加入纖維)、6、12、18 mm。試驗過程中，根據確定好的相對密度60%，稱量干砂157.2 g，纖維0.94 g，水15.72 g，準備好的干砂在加入纖維之前先用水拌和均勻，此時砂土含水率達到10%。根據現有研究，砂土含水率為10%時，纖維在拌和過程中能夠較為均勻地分布在砂土中，且能夠防止試樣在轉移過程中出現纖維漂浮[12]。為保證試驗在砂樣裝入三軸儀的過程中不受干擾變形，本次試驗直接將拌和好的海砂倒入直徑39.1 mm、高度80 mm的三軸儀上制備，分3層擊實。研究開展12組試驗，方案數據見表2。

表2 試驗方案

2.2 試驗方法

試驗采用TCK-1型應變控制式三軸儀(圖1)進行三軸壓縮試驗，加載速率為0.80 mm/min。選取的劍麻纖維如圖2。試驗中采取100、200和300 kPa的圍壓，試驗破壞點的取值以偏應力(σ1-σ3)的峰值點作為破壞點，無峰值點時，按5%軸向應變相應的偏應力作為破壞強度值。

3 試驗結果與討論

3.1 應力應變曲線

圖3為各個圍壓下不同FL的應力應變曲線。由圖3(a)可知，當FL=0 mm(未摻入纖維)時，隨著軸向應變的增加，偏應力逐漸增大，在應變達到4%時，對應圍壓為100 kPa的試樣偏應力達到峰值。而圍壓為200、300 kPa的試樣，在軸向應變達到4%時，偏應力尚未達到峰值，隨著軸向應變的增加，偏應力進一步增大，且圍壓為300 kPa時對應的偏應力比圍壓為200 kPa時對應的偏應力提高幅度更為明顯，說明圍壓能夠提高純砂樣的抗剪強度。

分析圖3(b)—(d)可知，當軸向應變達到5%時，試樣(FL=6、12、18 mm)對應的偏應力表現出繼續(xù)增長趨勢，這一結果表明海砂中加入劍麻纖維能夠提高海洋砂土偏應力的峰值點。

對比圖3(a)—(d)可以觀察到，隨著FL的增加，砂土的應力幅值有著顯著變化，不同圍壓下，試樣的強度隨著圍壓的增大而增大，當軸壓較小時，圍壓對強度的影響也比較小，這是因為較小軸向應變下，纖維與土之間還沒有相對滑動趨勢或相對滑動，劍麻纖維還沒有發(fā)揮其作用。隨著軸向應變的增大，纖維與砂土之間的摩擦力成為傳力路徑，軸向變形越大，圍壓對偏應力的影響也越大。

觀察破壞后的試樣，發(fā)現纖維沒有出現斷裂現象，可知，試樣在破壞時纖維是被拔出而沒有被拉斷，因此只須考慮纖維與土的摩擦力與黏聚力，不必考慮纖維自身的抗拉斷能力。

3.2 纖維長度與峰值強度關系

圖4為纖維長度與峰值強度的關系圖。由圖可知，隨著FL的增加，峰值強度隨之增加。圍壓為300 kPa時，FL=18 mm的峰值強度是FL=6 mm的1.32倍，是FL=0 mm的1.57倍。原因是砂粒之間是松散的， 纖維可以很好地對砂粒起著固定作用，纖維越長，則固定的砂粒越多，減少了砂粒之間的滑動，所以FL的增加提高了整體抗剪強度。在FL=18 mm的纖維土中，圍壓為300 kPa的峰值強度是圍壓為200 kPa的1.41倍，是圍壓為100 kPa的1.93倍。在低圍壓下，砂土本身無黏聚力，隨著圍壓的增加，砂樣孔隙比降低，增加了砂顆粒間的咬合力，試樣變得更密實,抗剪強度也得到相應的提高。

圖4 峰值強度與纖維長度所對應的曲線

3.3 不同纖維長度對應的應力路徑

應力路徑下煙臺海砂的莫爾應力圓如圖5所示。將抗剪強度與法向應力的關系通過擬合可得表3中形式為y=ax+b的線性關系，其中a代表內摩擦角的正切值，b代表黏聚力。從表3中可得，FL的增加，黏聚力有了明顯的提高。當FL為6 mm時，黏聚力提高了1.47%; FL為12 mm時，黏聚力提高了29.81%; FL為18 mm時，黏聚力提高了60.24%?？梢奆L為18 mm時對應的黏聚力要大于纖維含量為6、12 mm及不含纖維(FL=0 mm)時砂樣所對應的黏聚力。

圖5 不同纖維長度對應的標準三軸莫爾圓

表3 抗剪強度與法向應力關系

3.4 圍壓與彈性模量E0、割線模量E50之間的關系

彈性模量E0為應力-應變曲線初始直線段的斜率，割線模量E50為50%峰值強度對應的割線模量。圖6顯示的是圍壓與E0和E50的關系，結果表明對于不同的FL，E0和E50都隨著圍壓的增加而增大。同一圍壓下纖維加筋試樣的E0和E50隨著FL的增加呈現增加的趨勢。

4 結 論

(1)劍麻纖維的加入提高了海洋砂土的抗剪強度，軸向應變較小時纖維并未發(fā)揮作用，此時纖維的長度對應力影響較小，隨著軸向應變增大，纖維與土之間的摩擦力使得偏應力顯著提高。

(2)試樣的抗剪強度隨FL的增加而增加，當圍壓控制在300 kPa時,FL為18 mm的試樣的抗剪強度分別是不摻加纖維(FL=0 mm)和FL為6 mm時的1.57、1.32倍。FL對抗剪強度的影響特別顯著。

(3)根據不同FL下的應力路徑可知，隨著FL的增加，砂土的黏聚力顯著增大。

(4)在摻入FL尚未達到臨界值時，FL不影響圍壓與彈性模量、割線模量之間關系。