梅 紅,趙洪巖,李明陽,劉 瑾,馬 柯,盧洪寧,張晨陽,黃庭偉,張繼周

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211100; 2.國家開發(fā)銀行江蘇省分行,江蘇 南京 210019; 3.寧夏公路勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司,寧夏 銀川 750004)

廣泛開展的各類基礎(chǔ)建設(shè)工程會極大地改變當?shù)氐膮^(qū)域地貌,給工程當?shù)亓粝麓罅康穆懵稁r質(zhì)邊坡。相比于自然邊坡,此類裸露邊坡穩(wěn)定性差,易受擾動,會發(fā)育嚴重的工程地質(zhì)隱患[1-3]。在國內(nèi)穩(wěn)步推進生態(tài)建設(shè)戰(zhàn)略的大背景下,工程地質(zhì)領(lǐng)域?qū)ι鷳B(tài)環(huán)保理念日益重視,針對裸露巖質(zhì)邊坡的生態(tài)護坡技術(shù)逐漸成為研究重點[4-6],其中,客土噴播是較受關(guān)注的一項生態(tài)護坡技術(shù)。為客土基材加筋以改善基材的物理力學(xué)性能是改善基材物理力學(xué)性能的一種常用手段。

將客土基材噴播到巖質(zhì)坡面上,基材與巖面形成基材土-巖體二元結(jié)構(gòu)。土-巖界面是表現(xiàn)二元結(jié)構(gòu)不均勻性和各向異性的主要區(qū)域,是發(fā)生邊坡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和醞釀次生災(zāi)害的高發(fā)區(qū)域[7]。在客土基材形變與界面穩(wěn)定問題中,土-巖界面的剪切力學(xué)性能是學(xué)界長期以來的關(guān)注重點[8]。Potyondy[9]于1961年通過直剪試驗研究了多種界面與上覆土體之間的剪切力學(xué)特性;Clough等[10]對土-混凝土界面開展直剪試驗研究界面剪切力學(xué)特征,提出界面上τ-ω存在雙曲線關(guān)系,其中τ是土-混凝土界面上的剪切應(yīng)力,ω是土體與混凝土之間相對位移的速度差異;殷宗澤等[11]通過分析土-混凝土界面的剪切變形特征,揚棄了Clough等的τ-ω雙曲線關(guān)系理論,指出界面破壞的過程是由邊緣向內(nèi)部發(fā)展,并提出剪切帶上土體的剛-塑性變形觀點;高俊合等[12]利用大型單剪設(shè)備對土-混凝土接觸特性進行研究,給出了土體在剪切帶內(nèi)的雙重變形機制。進入21世紀以來,也有大量學(xué)者通過單剪儀、環(huán)剪儀、大型直剪儀等多種剪切設(shè)備與試驗方法對土-巖界面的受力特征、顆粒排布運移、宏細觀破壞機制等進行了深入研究。

目前面向客土加筋的研究主要集中在加筋材料、加筋配比等與客土基材力學(xué)性能關(guān)系等方面[13-18];面向土-巖界面的研究主要包括模型擬合、試驗方法評價、粗糙度模擬、客土性質(zhì)影響等方面[11,16-17]。針對加筋纖維與界面粗糙度對土-巖界面穩(wěn)定性復(fù)合影響的評價較為缺乏。土-巖界面的剪切力學(xué)性能是評價客土穩(wěn)定的重要指標,揭示加筋纖維和界面粗糙度對界面剪切力學(xué)性能的影響規(guī)律具有理論與現(xiàn)實意義[19-20]。利用預(yù)先制作的混凝土模塊作為巖面相似材料,以劍麻纖維作為加筋改良材料,開展一系列改進室內(nèi)直剪試驗,分析纖維摻量與界面粗糙度對界面剪切力學(xué)性能的影響,并結(jié)合掃描電鏡試驗揭示劍麻纖維和界面粗糙度對界面剪切力學(xué)性能的強化機理。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用土樣采自南京市江寧區(qū),為粉質(zhì)黏土,呈淺棕黃色,質(zhì)地均勻稍細膩,具有高可塑性、低膨脹性、失去水分后容易收縮開裂等特性。土樣的最大干密度為1.79g/cm3,最優(yōu)含水率為20.3%,塑性指數(shù)為16.4,塑限為23.8%,液限為40.2%,相對密度為2.71,粒徑分布曲線如圖1所示。

圖1 試驗用土的粒徑分布曲線Fig.1 Particle size curve of test soil

試驗所用纖維為劍麻纖維,呈米白色,質(zhì)地堅韌,抗拉、耐腐蝕、吸濕放濕快,具有良好的物理力學(xué)性能[21-24],是客土加筋中常用的天然纖維材料。試驗采用纖維長度為2cm,平均直徑為0.2mm,密度為1.05g/cm3,楊氏模量為10.94～26.70GPa,斷裂拉伸強度為41MPa,斷裂拉伸率為2.01%～2.74%。

1.2 試驗方法

采用具有規(guī)則折線形凹槽的混凝土模塊模擬粗糙巖面,將制得的混凝土模塊置于25℃恒溫下養(yǎng)護26d。為了統(tǒng)一考慮混凝土模塊表面上起伏體高度和體積的綜合影響,采用灌砂法計算得到的粗糙度R(式(1),表征混凝土模塊表面的粗糙起伏,不涉及模塊表面的微觀摩擦參量)進行界面粗糙度評價。

R=Vsi/A0

(1)

式中:Vsi為整平混凝土模塊表面需要的砂體積;A0為整平后的混凝土模塊表面積。

試驗流程及所用儀器如圖2所示。將土樣干燥粉碎后過2mm標準篩。試驗共設(shè)置劍麻纖維摻量和界面粗糙度2組變量。纖維摻量P分別控制為0%、0.4%、0.8%、1.2%,界面粗糙度R分別控制為0、1.5、2.5、6.5mm。將固定摻量的劍麻纖維和處理后的黏土顆粒進行混合,然后與混凝土模塊壓實,制得高20mm,直徑61.8mm,密度1.7g/cm3,含水率25%的直剪試樣。把試樣置于25℃恒溫箱內(nèi)濕養(yǎng)48h。試驗采用儀器為改進型應(yīng)變式直剪儀,可以使剪切過程中直剪樣的剪切面正好位于基材與混凝土模塊的接觸界面上。剪切試驗施加各法向應(yīng)力分別為100、200、300、400kPa,剪切加載速率為1.2mm/min。

圖2 試驗流程及所用儀器Fig.2 Experiment procedure and instrumentation

2 試驗結(jié)果與分析

通過改進直剪試驗對劍麻纖維復(fù)合基材土-巖界面的剪切力學(xué)性能進行研究,得出P、R和界面剪切強度間的關(guān)系如表1所示。

表1 界面的剪切強度指標

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

由圖3可知,在試驗選用剪切方案下,R=0mm時,界面應(yīng)力-應(yīng)變曲線在各級法向應(yīng)力下呈現(xiàn)軟化特征;R≠0mm時,界面應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)硬化特征。

圖3 不同條件下界面的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Shear stress-strain curves of the interface under different conditions

由圖3(a)～(d)可以發(fā)現(xiàn),相同的法向壓力下,R越大,峰值剪切應(yīng)力越大。這初步說明,增加界面的粗糙度能夠提高界面的剪切力學(xué)性能;對比圖3(d)～(g)可以發(fā)現(xiàn),P≤1.2%時,相同的法向壓力下,P越大,峰值剪切應(yīng)力越大。

在不同纖維摻量和界面粗糙度下,應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化情況可歸納為3階段:①彈性變形階段。剪切起始階段,混凝土模塊上層土體受法向應(yīng)力影響,密度不斷增大,以抵抗剪切形變。此階段,剪切應(yīng)力與剪切位移呈線性關(guān)系;②彈塑性變形階段。隨著剪切位移的增加,界面間作用與纖維強化作用的參與程度繼續(xù)增加,界面間剪切應(yīng)力持續(xù)增大,但剪切應(yīng)力關(guān)于剪切位移的增長速率逐步降低;③破壞變形階段。剪切位移繼續(xù)增大,界面間作用與纖維強化作用逐漸發(fā)揮充分,界面處開始出現(xiàn)剪切破壞。R=0mm的平坦界面缺少宏觀嵌合結(jié)構(gòu),界面變形破壞易沿界面所處二維平面開展。因此隨著剪切繼續(xù),界面剪切應(yīng)力達到峰值后開始降低,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出軟化特征;R≠0mm的粗糙界面為土體與混凝土模塊耦合提供的宏觀嵌合結(jié)構(gòu)阻擋了土體直接沿界面發(fā)生平移破壞,并調(diào)動界面上層薄層土體參與抵抗剪切變形,在試驗所采取的高法向應(yīng)力下,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出非軟化特征。

2.2 界面粗糙度與纖維摻量對界面剪切強度的影響

圖4(a)～(d)可知,增加界面的粗糙度可以提高界面的剪切強度:R從0mm增加至6.5mm,界面的剪切強度提升了21～85kPa,提升幅度為39%～75%。由圖4(e)～(h)可知,在不同粗糙度下,當P≤0.8%,增加P可以提高界面的剪切強度,隨著P從0%增長至0.8%,界面的剪切強度提升了27～61kPa,提升幅度為25%～89%。當P>0.8%時,劍麻纖維對界面剪切力學(xué)性能的強化效果會下降。以圖4(h)為例,P=1.2%時,各級法向應(yīng)力下界面的峰值剪切應(yīng)力分別為74、120、160、209kPa,小于纖維摻量P=0.8%時的峰值剪切應(yīng)力90、132、185、239kPa。這說明當P達到1.2%時,界面的剪切強度會降低。同時在0.8%～1.2%區(qū)間存在一個優(yōu)勢摻量,可使劍麻纖維對界面峰值剪切應(yīng)力有最佳強化效果。

圖4 界面粗糙度與纖維含量對界面剪切強度的影響Fig.4 Influences of interface roughness and fiber content on interfacial shear strength

2.3 界面粗糙度對界面黏聚力與內(nèi)摩擦角的影響

圖5(a)表明提高R可以提高界面的黏聚力。以P=0.4%為例,R從1.5mm增加到6.5mm,對應(yīng)的黏聚力分別為29.0、35.5、39.5kPa,比R=0mm界面的黏聚力分別提高了4.0、10.5、14.5kPa。同時,對比P=0%未加筋土體和P≠0%的加筋土體,黏聚力關(guān)于R的增長關(guān)系表現(xiàn)出不同的形式。以黏聚力增量與界面粗糙度變化區(qū)間的無量綱比值為黏聚力增長速率。P=0%時,粗糙度0～1.5mm、1.5～2.5mm、2.5～6.5mm對應(yīng)的黏聚力增長速率分別為2、2.5、2.5,表明P=0%時,黏聚力隨R增加呈近均勻增長趨勢;P≠0%時,纖維摻量P為0.4%,0.8%和1.2%下粗糙度0～2.5mm區(qū)段對應(yīng)的黏聚力增長速率分別為4.2、2、3.6。纖維摻量P為0.4%,0.8%和1.2%下2.5～6.5mm對應(yīng)的黏聚力增長速率分別為1、0.5、1。表明P≠0%時,界面黏聚力關(guān)于R的增長可劃分為0～2.5mm的陡增區(qū)段和2.5～6.5mm的緩增區(qū)段。

圖5 界面粗糙度對界面黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響Fig.5 Effects of interface roughness on cohesion and internal friction angle of interface

圖5(b)表明提高R可以提高界面的內(nèi)摩擦角。以P=0.8%為例,R從1.5mm增加到6.5mm,對應(yīng)的內(nèi)摩擦角分別為20.41°、22.05°、26.57°,比R=0mm界面的內(nèi)摩擦角分別提高了3.34°、4.98°、9.50°。

粗糙界面主要通過土-混凝土接觸面積和宏觀起伏體保證界面間的剪切力學(xué)性能。粗糙界面間的黏聚力主要來自于2個方面,一是土中水對界面上異相顆粒間的吸附力,二是接觸面過渡帶內(nèi)土體的黏聚力[8,19]。界面的內(nèi)摩擦角主要來自界面間土顆粒與混凝土骨料顆粒間的摩擦嚙合作用。隨著R的增大,界面上土顆粒與混凝土骨料顆粒之間的接觸面積增大,界面上起伏體調(diào)動上層土體抵抗剪切變形的能力也隨之增強。界面間的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨著R的增大而提高。同時R存在一最優(yōu)質(zhì)值,可使界面黏聚力達到最大。劍麻纖維強化了接觸面過渡帶內(nèi)土體的剪切力學(xué)性能,因此R對無纖維參與的界面和有纖維參與的界面的強化表現(xiàn)為2種模式。對于加入纖維的界面黏聚力關(guān)于R的增長關(guān)系,R的最優(yōu)值出現(xiàn)在較小區(qū)間(0～2.5mm)。

2.4 纖維摻量對界面黏聚力與內(nèi)摩擦角的影響

圖6(a)表明劍麻纖維的加入可明顯影響界面的黏聚力,且存在一最優(yōu)摻量可使界面的黏聚力達到最大,在P小于最優(yōu)摻量時,隨著P增加,界面間黏聚力增大。當P大于最優(yōu)摻量時,隨著P增加,界面間黏聚力減小。不同R下,劍麻纖維的最優(yōu)摻量分布區(qū)間不同。對于R=0mm和R=1.5mm,劍麻纖維最優(yōu)摻量在0.8%～1.2%區(qū)間;對于R=2.5mm和R=6.5mm,劍麻纖維最優(yōu)摻量在0.4%～0.8%區(qū)間。

圖6 界面粗糙度與劍麻纖維摻量對界面內(nèi)摩擦角影響Fig.6 Influences of interface roughness and sisal fiber concentration on internal friction angle of interface

圖6(b)表明當纖維摻量P≤0.8%時,界面內(nèi)摩擦角會隨著P的增加而增大,當纖維摻量達到1.2%時,界面的內(nèi)摩擦角提高幅度會降低。纖維摻量P=0.8%時,各R下界面的內(nèi)摩擦角達到17.07°、20.41°、22.05°、26.57°,而P提高到1.2%時,各R下界面的內(nèi)摩擦角分別為18.00°、20.86°、22.88°、23.99°。說明提高P可以提高界面的內(nèi)摩擦角,而當摻量超過0.8%時,纖維對內(nèi)摩擦角的強化效率會發(fā)生下降。

界面間黏聚力主要是由接觸面過渡帶內(nèi)土體的黏聚力提供,界面間內(nèi)摩擦角由接觸面間土顆粒與混凝土骨料顆粒間的嚙合摩擦提供。在達到最優(yōu)摻量之前,接觸面過渡帶內(nèi)土體的剪切力學(xué)性能隨著P的增加而增大,因此界面的黏聚力隨著P的增加而提高。劍麻纖維探出基材,粗糙的纖維側(cè)表面和尖銳的纖維兩端參與到界面間異相顆粒間的接觸摩擦作用,能在一定程度上(2.15°～6.83°)影響界面的內(nèi)摩擦角變化,但影響程度有限。

3 機理分析

土-混凝土界面上下部分之間為不同介質(zhì),具有顯著的各向異性。土-混凝土界面的剪切力學(xué)性能是界面上部土體內(nèi)土顆粒黏聚摩擦、土顆粒與混凝土骨料顆粒擠壓咬合、土體與混凝土模塊的宏觀起伏結(jié)構(gòu)間接觸咬合作用的統(tǒng)一表現(xiàn)(圖7)。以上作用的相對變化決定土-混凝土界面的剪切力學(xué)性能。R對界面剪切強度特性的影響主要體現(xiàn)在兩方面:①一定范圍內(nèi)增大的R可以明顯增大黏土基材與混凝土模塊之間的接觸面積,提高了黏土顆粒與混凝土微骨料顆粒之間的接觸耦合機會;②接觸面粗糙起伏程度的增大為土-巖耦合提供了明顯的宏觀嵌合結(jié)構(gòu)。具有明顯粗糙形態(tài)的接觸面的剪切變形破壞不僅局限于在界面上,同時可能會發(fā)生在界面上層一定厚度的土體之中。且上層土體受影響范圍和程度與接觸面的宏觀粗糙程度密切相關(guān)。

圖7 土-混凝土接觸形式Fig.7 Contact forms of soil-concrete interface

圖8為纖維與黏土顆粒之間的微觀接觸關(guān)系。劍麻纖維與黏土混合后呈三維隨機態(tài)分布于黏土體之間,通過交織作用、擴散作用、固定作用提高界面的剪切力學(xué)特征。

圖8 劍麻纖維改良土體的電鏡照片F(xiàn)ig.8 SEM images of soil improved by sisal fiber

a.交織作用。劍麻纖維是一種柔性纖維材料,同時具有粗糙的側(cè)表面。將劍麻纖維充分混合于土體中后,劍麻纖維在土顆?？紫堕g相互交錯接觸,不同纖維之間搭接交織,在纖維交織點上纖維的粗糙側(cè)表面發(fā)揮摩阻作用,使得纖維在土體內(nèi)相互形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖8(a))。加筋后的土體在橫向剪切作用下發(fā)生剪切變形時,纖維相互交織形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能協(xié)助抵抗土體的剪切形變。但是如果纖維的摻量過多,在混入土體過程中就會出現(xiàn)纖維在粗糙側(cè)表面摩擦作用下相互團聚的現(xiàn)象,纖維團聚體會在土體間形成軟弱部位,從而顯著降低土體的剪切力學(xué)性能。

b.擴散作用。劍麻纖維均勻地分布于土顆?？紫吨?相鄰的纖維間存在許多接觸點(圖8(b)),加筋土在外荷載作用下發(fā)生變形時,只要一個接觸點受力發(fā)生相對錯動,其他相鄰的接觸點便會阻礙土顆粒位移錯動的發(fā)展,形成了單根纖維發(fā)生錯動,其他交錯的纖維也有受力分擔(dān),且這種受力分擔(dān)通過交織點持續(xù)擴散傳遞,最終形成“牽一發(fā)而動全身”共同抑制土體的變形,從而提高了加筋土體的強度。

c.固定作用。在合適摻量下,劍麻纖維均勻分布于土體之中,在土顆?？紫督豢椘疠^為完整的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時劍麻作為一種柔性材料,可以在土顆?？障吨g實現(xiàn)彎曲轉(zhuǎn)折(圖8(c)),固定黏土的團聚土顆粒,達到纖維與土顆粒之間的互鎖。在剪切荷載作用下,纖維與土顆粒之間的互鎖作用對土體的剪切變形起到限制作用。

4 結(jié) 論

a.摻入劍麻纖維和增加界面粗糙度可以提高土-混凝土界面的剪切力學(xué)性能。摻量為0.4%、0.8%、1.2%的界面剪切強度均高于素土基材的土-混凝土界面;隨著R從0mm增加到6.5mm,界面剪切強度不斷增加。纖維存在優(yōu)勢摻量,使界面剪切強度達到最大。

b.粗糙界面主要通過提供土-混凝土接觸面積和宏觀起伏體保證界面間的剪切力學(xué)性能。界面的黏聚力與內(nèi)摩擦角隨R的增加而增大。界面黏聚力關(guān)于R的增長關(guān)系中存在一最優(yōu)R使界面黏聚作用達到最佳效果。劍麻纖維的摻入使R的最優(yōu)值出現(xiàn)在較小區(qū)間(0～2.5mm)

c.劍麻纖維主要通過固定作用、擴散作用、交織作用強化界面過渡帶間土體的力學(xué)性能以強化界面的剪切力學(xué)性能。劍麻纖維摻入可提高界面黏聚力,存在一最優(yōu)摻量使劍麻對界面黏聚力的強化效果達到最大。不同界面粗糙度R下,劍麻纖維的最優(yōu)摻量分布區(qū)間不同。對于R=0mm和R=1.5mm,劍麻纖維最優(yōu)摻量在0.8%～1.2%區(qū)間;對于R=2.5mm和R=6.5mm,劍麻纖維最優(yōu)摻量在0.4%～0.8%區(qū)間。