朱旭芬,鄭加強(qiáng),魏繼紅,張成祥,馬 柯,馮玉晗,張晨陽,祁長青

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211100)

天然砂土結(jié)構(gòu)松散、砂顆粒間無黏結(jié),導(dǎo)致其力學(xué)和水理性質(zhì)都較黏性土有很大的差異,砂土層在外力作用下易受到?jīng)_刷侵蝕破壞從而產(chǎn)生液化、涌水、涌砂、地基失效和邊坡失穩(wěn)等問題[1-3]。傳統(tǒng)固化劑,如石灰、水泥和粉煤灰等材料,盡管具有較好的改良效果,但其較高的pH值往往也會(huì)帶來相應(yīng)的環(huán)境問題[4]。因此,人們開始探索更加環(huán)保安全、更具經(jīng)濟(jì)效益的新型改良材料。

水溶性聚合物憑借其低成本、高性能、高強(qiáng)度、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中。聚合物材料主要通過與土顆粒表面的化學(xué)作用,以及包裹土顆粒并填充孔隙形成網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu),從而提高土體的強(qiáng)度性能[5]。Bae等[6-7]研究了水溶性聚合物聚丙烯酰胺在黏性土工程特性改良中的應(yīng)用。Cabalar等[8-9]發(fā)現(xiàn)黃原膠改良土體在提升抗剪切性和降低滲透性方面都有顯著改善?？追避幍萚10]采用聚氨酯型高分子材料加固砂土,通過壓縮試驗(yàn)探究了改良砂土的壓縮特性。劉瑾等[11-15]選用自主研發(fā)的聚氨酯型固化劑改良砂土,通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)研究了改良砂土的抗?jié)B透性、力學(xué)強(qiáng)度、抗沖刷和風(fēng)蝕能力,并討論了聚氨酯型固化劑與砂土的最佳配比。

纖維作為一種加筋材料被廣泛應(yīng)用于土體改良。纖維加筋方法采用纖維材料與砂土混合,從而提高砂土顆粒之間的作用力,達(dá)到提高砂土強(qiáng)度的效果[16]。Xu等[17]對聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維加筋砂土進(jìn)行了大尺度直剪試驗(yàn),對比研究了不同纖維含量條件下加筋砂土的剪切強(qiáng)度與剪脹現(xiàn)象。安寧等[18]通過試驗(yàn)得出土體內(nèi)纖維含量的增大會(huì)提高加筋土的抗剪強(qiáng)度,但纖維含量過多反而會(huì)減弱加筋土的抗剪強(qiáng)度。

無論纖維改良土體還是水溶性聚合物改良土體都存在一定的局限性,為此研究人員將兩者結(jié)合成復(fù)合加固材料對土體進(jìn)行改良。Park等[19]通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)對聚丙烯纖維與水泥加固砂土效果進(jìn)行了測試,試驗(yàn)結(jié)果表明聚乙烯醇纖維增強(qiáng)了水泥復(fù)合砂土的抗壓強(qiáng)度。Ma等[20]通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)和抗拉試驗(yàn),測試了聚氨酯和劍麻纖維復(fù)合加固砂土的力學(xué)特性。徐崗等[21]利用聚丙烯酰胺結(jié)合納米硅材料加固砂土,試驗(yàn)結(jié)果表明,砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及抗崩解能力都得到較大的提高。

近年來,不少學(xué)者采用數(shù)值模擬方法對水溶性聚合物改良土體的微觀力學(xué)性質(zhì)和微觀機(jī)理進(jìn)行了研究。Yang等[22]通過離散元軟件PFC2D模擬了土體顆粒的黏結(jié)性能,分析了土體的微觀參數(shù),并結(jié)合砂土試樣強(qiáng)度特性進(jìn)行了相互驗(yàn)證。周林祿等[23]通過力學(xué)試驗(yàn)探究劍麻纖維加筋砂土的抗液化能力,并利用試驗(yàn)結(jié)果建立了有限元數(shù)值模型。Che等[24-25]采用環(huán)保復(fù)合材料改良砂土,通過一系列的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值模擬,研究了不同有機(jī)聚合物含量和砂土密度對改良土體力學(xué)強(qiáng)度和破壞行為的影響,發(fā)現(xiàn)聚合物材料改良砂土能有效提高砂土的抗侵蝕性和穩(wěn)定性。

本文采用水溶性聚合物(聚氨酯)和聚丙烯纖維對砂土進(jìn)行復(fù)合加固,開展直剪試驗(yàn)及數(shù)值模擬,以期得出水溶性聚合物含量、纖維含量及砂土干密度等因素對復(fù)合加固砂土力學(xué)特性的影響規(guī)律,總結(jié)不同變量組合下復(fù)合加固砂土的力學(xué)特性變化規(guī)律、變形破壞過程中微裂紋的發(fā)育規(guī)律以及能量演化方式,探討纖維-水溶性聚合物的加固及破壞機(jī)理。

1 室內(nèi)試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料

室內(nèi)試驗(yàn)所用砂土取自江蘇省常州市太湖流域新孟河附近。砂土試樣經(jīng)自然風(fēng)干后過2mm篩備用。砂土試樣呈淺灰色,砂土的顆粒粒徑在0.07～2mm之間變化。根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對砂土的各項(xiàng)基本物理參數(shù)進(jìn)行測試,砂土試樣的主要指標(biāo):比重為2.66,最大干密度和最小干密度分別為1.70g/cm3和1.32g/cm3,不均勻系數(shù)為3.00,曲率數(shù)為1.12。本文試驗(yàn)采用的加固材料為一種水溶性聚合物——聚氨酯(以下簡稱“聚合物”),其為淺黃色澄清透明液體,呈中性,比重為1.15,固含量不小于85%,常溫下黏度為800～3000MPa·s。常溫狀態(tài)下聚合物即可與水發(fā)生反應(yīng),生成乳白色的聚合物溶液。該溶液具有良好的耐久性及環(huán)境友好性,已被應(yīng)用于砂土河道岸坡的水土保持和巖質(zhì)邊坡的生態(tài)修復(fù)等領(lǐng)域。

聚丙烯纖維(以下簡稱“纖維”)是一種人造纖維加筋材料,由于其相對低廉的價(jià)格和優(yōu)良的性能而被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。這是一種人工合成的白色束狀單絲纖維,其密度小、無色、無味、無毒,在室溫下不溶于水和有機(jī)液體,可溶于芳族烴,平均長度為18mm、抗拉強(qiáng)度不小于350MPa,而且具有較高的熔點(diǎn)和燃點(diǎn)。經(jīng)纖維加固后的土體具有良好的抗沖刷性、抗疲勞性、防滲性、抗裂性等。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1試樣制備

本文針對不同含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))聚合物和纖維對砂土的抗剪強(qiáng)度加固效果開展一系列的直剪試驗(yàn),其中纖維含量分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%,聚合物含量分別為1%、2%、3%、4%,試驗(yàn)均按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)?？紤]到試樣成型條件,試樣的干密度為1.50g/cm3,含水率為10%。稱取適量的水、烘干砂土、纖維和聚合物,首先將砂土與纖維充分混合,再將聚合物和水混合在一起,最后將聚合物溶液與含纖維的砂土混合均勻,制成高20mm、直徑62mm的圓柱狀試樣。考慮到工程實(shí)際和試驗(yàn)周期,將試樣放置于室溫條件下靜置養(yǎng)護(hù)48h。

1.2.2試驗(yàn)儀器和方法

采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)開始前做好制樣和儀器準(zhǔn)備工作(濾紙含水率與試樣相同),將試樣安裝置于剪切盒內(nèi)。每組試樣施加不同的法向壓應(yīng)力σ(100、200、300、400kPa),待試樣穩(wěn)定后施加切向拉力進(jìn)行剪切。試驗(yàn)過程中剪切位移每變化0.25mm記錄一次百分表讀數(shù)。當(dāng)百分表的讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定或明顯減小時(shí),表明試樣已完全破壞;若未出現(xiàn)明確峰值點(diǎn),則當(dāng)剪切變形達(dá)到12mm時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后,拍照記錄試樣的剪切破壞形態(tài),并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制剪切應(yīng)力-剪切位移曲線,取曲線峰值點(diǎn)對應(yīng)的剪切應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度。最后以法向應(yīng)力為橫坐標(biāo),抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo),繪制抗剪強(qiáng)度曲線并得到相應(yīng)的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.3.1聚合物含量對抗剪強(qiáng)度的影響

不同聚合物含量下加固砂土的抗剪強(qiáng)度如圖1所示,當(dāng)纖維含量和干密度相同時(shí),在相同法向應(yīng)力下,加固砂土的抗剪強(qiáng)度隨聚合物含量的增大而增強(qiáng),且在聚合物含量為3%時(shí)增效最明顯,當(dāng)聚合物含量從3%增至4%時(shí)對加固砂土的抗剪強(qiáng)度提升不明顯。其中,當(dāng)纖維含量為0.8%、法向應(yīng)力為400kPa時(shí),隨著聚合物含量的增大,加固砂土的抗剪強(qiáng)度分別由208.45kPa增大到244.41、259.60、264.03kPa,增大了35.96、51.15、55.58kPa。這是因?yàn)榫酆衔锖吭龃?提高了聚合物在加固砂土中的分布密度,同時(shí)提高了聚合物在土顆粒表面的有效接觸面積和在土顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度,提高了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,在加固砂土受到剪切破壞時(shí),需要消耗更多的剪切能才可以使聚合物黏結(jié)失效,表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度增大。

圖1 不同聚合物含量下加固砂土的抗剪強(qiáng)度

不同聚合物含量下加固砂土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如圖2所示,聚合物對加固砂土的黏聚力有顯著影響,而對加固砂土的內(nèi)摩擦角影響程度較小,變化僅為2°左右。當(dāng)纖維含量為0.4%時(shí),聚合物含量為2%、3%、4%的加固砂土的黏聚力由聚合物含量為1%時(shí)的11.92kPa增大至28.36、45.63、49.11kPa。聚合物含量對加固砂土的內(nèi)摩擦角影響較小。在纖維含量為0.8%時(shí),聚合物含量為1%、2%、3%、4%的加固砂土的內(nèi)摩擦角分別為26.55°、26.77°、26.57°、25.90°,內(nèi)摩擦角數(shù)值之間相差約1°。綜合聚合物含量對抗剪強(qiáng)度及其參數(shù)的影響來考慮,聚合物含量在3%左右時(shí)對砂土加固效果較為明顯,而聚合物含量從3%增至4%時(shí),加固效果并沒有明顯增幅。

圖2 不同聚合物含量下加固砂土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

1.3.2纖維含量對抗剪強(qiáng)度的影響

圖3為不同纖維含量下加固砂土的抗剪強(qiáng)度。由圖3可知,當(dāng)法向應(yīng)力和干密度相同時(shí),在低含量聚合物條件下,加固砂土的抗剪強(qiáng)度隨纖維含量的增大而增強(qiáng),且在纖維含量為0.6%時(shí)增效最明顯;在高含量聚合物條件下,加固砂土的抗剪強(qiáng)度和纖維含量基本呈線性關(guān)系。例如:當(dāng)聚合物含量為2%、法向應(yīng)力為400kPa時(shí),抗剪強(qiáng)度隨纖維含量的增大由172.5kPa分別增至199.90、230.18、244.43kPa;當(dāng)聚合物含量為4%、法向應(yīng)力為400kPa時(shí),抗剪強(qiáng)度隨纖維含量的增大分別增大了25.45、28.69、26.34kPa。纖維含量的增大顯著提高了加固砂土的抗剪強(qiáng)度。

不同纖維含量下加固砂土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如圖4所示。在相同聚合物含量下,加固砂土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)均有不同程度的提高。當(dāng)聚合物含量為2%時(shí),加固砂土的黏聚力隨纖維含量的增大而增大,尤其是在纖維含量由0.6%增大至0.8%時(shí),黏聚力明顯增強(qiáng)。當(dāng)聚合物含量為4%時(shí),加固砂土的黏聚力隨著纖維含量的增大而增大,從纖維含量0.2%時(shí)的45.58kPa增大至纖維含量0.8%時(shí)的78.27kPa,黏聚力增速最大區(qū)間在纖維含量為0.2%～0.4%。隨著纖維含量的增大,加固砂土的內(nèi)摩擦角略微增大。當(dāng)聚合物含量為4%時(shí),纖維含量為0.8%的加固砂土相較于纖維含量為0.2%的砂土內(nèi)摩擦角增大約2.12°。

圖4 不同纖維含量下加固砂土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

加固砂土的黏聚力與內(nèi)摩擦角總體隨纖維含量的增大而增大,主要是因?yàn)樘烊簧巴两Y(jié)構(gòu)松散且顆粒間無黏聚力,而纖維在聚合物作用下憑借其柔韌性可以包裹纏繞在砂土顆粒表面,增強(qiáng)了纖維與土體的摩擦力和黏結(jié)力,同時(shí)聚合物黏結(jié)了纖維與砂土顆粒,纖維含量的增大增強(qiáng)了砂土顆粒間的黏聚力,且在一定程度上填充砂土顆粒的孔隙,形成聚合物、纖維、砂土顆粒多相團(tuán)聚體,增強(qiáng)顆粒間的整體性與穩(wěn)定性,最終提高了加固砂土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

2 數(shù)值模擬分析

由于室內(nèi)試驗(yàn)無法定量地分析聚合物和顆粒間的膠結(jié)作用規(guī)律,本文采用PFC2D軟件建立聚合物加固砂土的離散元模型,考慮顆粒間以及接觸的各向應(yīng)力和力矩的傳遞,引入不同膠結(jié)接觸模型,研究不同固化劑含量下,顆粒間的微裂紋發(fā)展破壞特性。

2.1 模型建立及參數(shù)選取

通過對比室內(nèi)直剪試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果,當(dāng)兩者有較高的吻合度時(shí),可認(rèn)為數(shù)值模擬在一定程度上反映室內(nèi)試驗(yàn)特征。數(shù)值模型采用高20mm、直徑62mm的圓柱狀試樣,與室內(nèi)試驗(yàn)保持一致。數(shù)值模擬中試樣的顆粒按室內(nèi)試驗(yàn)的級配曲線,采用ball generate加keyword方法生成,當(dāng)試樣生成后,采用程序語言在試樣顆粒中生成隨機(jī)位置、任意方向的纖維,纖維尺寸為12mm×0.4mm。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)加固后試樣的養(yǎng)護(hù)過程,試樣制備過程中生成相應(yīng)的顆粒后,采用一定預(yù)應(yīng)力進(jìn)行預(yù)壓處理,預(yù)壓完成后,對顆粒的不同接觸類型附加相應(yīng)的膠結(jié)模型,其中砂顆粒參數(shù)如表1所示。模型通過設(shè)置加載板相應(yīng)的速率來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)剪切過程,加載板的速度設(shè)置和室內(nèi)試驗(yàn)一致。

表1 模型參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)與資料設(shè)定初始參數(shù),采用控制變量法調(diào)整顆粒微觀力學(xué)參數(shù),在多次試算下,得出數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)相符的微觀力學(xué)參數(shù)(線性模型參數(shù)和平行黏結(jié)模型參數(shù)),其具體參數(shù)如表1所示。

2.2 數(shù)值模擬驗(yàn)證

對比數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)曲線(圖5、圖6)可以發(fā)現(xiàn),二者曲線的整體趨勢一致。在曲線峰前階段,數(shù)值模擬抗剪強(qiáng)度略小于室內(nèi)試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度,峰值剪切強(qiáng)度同室內(nèi)試驗(yàn)峰值剪切強(qiáng)度基本一致,峰值剪切強(qiáng)度對應(yīng)的剪切位移最大偏差不超過10%。不同聚合物、纖維含量的數(shù)值模擬曲線與室內(nèi)試驗(yàn)曲線相似,斜率大致相同,充分驗(yàn)證了上述分析以及數(shù)值模擬分析結(jié)果的可靠性。

圖5 不同聚合物含量下數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對比

圖6 不同纖維含量下數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對比

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1裂紋擴(kuò)展模式

宏觀裂隙是由試驗(yàn)過程中發(fā)育的微裂紋貫通連接形成的,其擴(kuò)展過程一共可分為4個(gè)階段:初始階段(Ⅰ)、屈服發(fā)展階段(Ⅱ)、迅速發(fā)展階段(Ⅲ)、穩(wěn)定階段(Ⅳ)。如圖7所示,初始階段,上下剪切盒發(fā)生輕微錯(cuò)動(dòng),土體顆粒沿著剪切方向逐漸擠密,錯(cuò)動(dòng)邊界出現(xiàn)少量微裂紋,試樣整體仍保持完整。隨著剪切位移的增加,試樣發(fā)生了明顯變形和微破裂局部化現(xiàn)象,顆粒間膠結(jié)逐漸破壞,微裂紋緩慢發(fā)展,此時(shí)模擬試驗(yàn)處于屈服發(fā)展階段。隨著剪切荷載的不斷增加,試樣中部出現(xiàn)大量微破裂面,試樣微裂紋的數(shù)量快速增長,上下盒之間已形成了一條明顯的水平主剪切帶。當(dāng)貫通裂隙出現(xiàn)時(shí),試樣達(dá)到峰后殘余階段,微裂紋的數(shù)量開始相對穩(wěn)定。

圖7 復(fù)合加固砂土試樣微觀顆粒間的微裂紋擴(kuò)展

不同聚合物含量下加固砂土的微裂紋數(shù)量如圖8所示,無論聚合物含量高低,剪切微裂紋的數(shù)量始終占主要部分,說明加固砂土破壞主要是由顆粒間的剪應(yīng)力造成的膠結(jié)破壞。隨著剪切位移的增大,加固砂土的拉伸微裂紋數(shù)、剪切微裂紋數(shù)和總微裂紋數(shù)均逐漸增加。隨著聚合物含量的增大,拉伸、剪切微裂紋和總微裂紋數(shù)的增長速率變快,并且加固砂土完全剪切破壞時(shí)拉伸、剪切微裂紋也隨著聚合物含量的增大而增多。這是因?yàn)榫酆衔锖康脑龃蠹訌?qiáng)了顆粒間的膠結(jié)能力,使得顆粒能夠承受更大的外部加載和變形,整體微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定能力得到提高的同時(shí),更高的外部荷載也引起了較大的受力范圍,最終引起更大范圍的顆粒運(yùn)動(dòng),使得加固砂土受拉力影響增大,最終破壞時(shí)微裂紋數(shù)量增多。

圖8 不同聚合物含量下加固砂土的微裂紋數(shù)量-剪切位移關(guān)系

不同纖維含量下加固砂土的微裂紋數(shù)量如圖9所示。隨著剪切位移的增加,加固砂土的拉伸微裂紋數(shù)、剪切微裂紋數(shù)和總微裂紋數(shù)均增加,而隨著纖維含量的增加,發(fā)生剪切破壞各裂紋數(shù)量均有所降低。這說明纖維的加筋效果有效增強(qiáng)了加固砂土抵抗變形能力,減少了試樣微裂紋發(fā)育。分析其原因?yàn)槔w維纏繞在砂土顆粒表面,增強(qiáng)了纖維與土體的摩擦力和黏結(jié)力,纖維還會(huì)一定程度上填充砂土顆粒的間隙,在聚合物的作用下與砂土顆粒之間有更好的耦合與膠結(jié)作用,受壓后纖維與砂土顆粒的摩擦作用也明顯增強(qiáng),限制砂土顆粒在有限空間內(nèi)移動(dòng),減緩試樣變形與微裂紋發(fā)育。

圖9 不同纖維含量下加固砂土的微裂紋數(shù)量-剪切位移關(guān)系

2.3.2裂紋分布

對比不同聚合物及纖維含量下的微裂紋特征分布圖及微裂紋玫瑰花圖并進(jìn)行分析,得到微裂紋的分布規(guī)律及剪切壓縮微裂紋、剪切拉伸微裂紋和拉伸微裂紋的空間分布特征。

不同聚合物含量下試樣微裂紋特征分布圖及玫瑰花圖如圖10、圖11所示,加固砂土微裂紋主要集中在剪切破壞面上,裂紋數(shù)量自中部朝兩側(cè)逐漸減少,剪切壓縮微裂紋、剪切拉伸微裂紋和拉伸裂紋呈現(xiàn)集中分布的特征。由圖10可知,聚合物含量增大會(huì)影響裂紋熱分布的局部裂紋位置。在低含量聚合物條件下,試樣微裂紋主要集中在剪切帶的右部,隨著聚合物含量的增大,試樣的局部集中微裂紋向左偏移,聚合物含量增大同時(shí)會(huì)影響壓剪裂紋、拉剪裂紋和拉伸裂紋的空間分布。由圖11可知,剪切拉伸微裂紋與拉伸微裂紋分布集中在20°方向,與聚合物含量低的試樣分布集中在40°方向不同,說明聚合物含量增強(qiáng)改變了加固砂土內(nèi)部顆粒作用分布,使得20°方向處顆粒間的膠結(jié)與摩擦作用比其他方向的弱。

圖11 不同聚合物含量下試樣微裂紋玫瑰花圖

不同纖維含量下試樣微裂紋特征分布圖及玫瑰花圖如圖12、圖13所示,在低含量纖維條件下,試樣微裂紋主要集中在剪切帶的左側(cè),隨著纖維含量的增大,試樣的局部集中微裂紋向右偏移。結(jié)合裂紋玫瑰花圖分析,隨著纖維含量的增大,剪切壓縮微裂紋、剪切拉伸微裂紋和拉伸微裂紋空間分布范圍有所增加,這表明隨著纖維含量的增大,顆粒間的孔隙減少,使得固化劑對砂土顆粒的膠結(jié)作用增強(qiáng),纖維與試樣顆粒的作用范圍逐漸擴(kuò)大,相互作用力也隨之增強(qiáng),在加載時(shí)抵抗剪切力,其發(fā)生破壞的范圍勢必更大。

圖12 不同纖維含量下試樣微裂紋特征分布

圖13 不同纖維含量下試樣微裂紋玫瑰花圖

2.3.3能量演化

通過分析能量曲線圖中不同條件下復(fù)合加固砂土受力過程中的能量變化來解釋剪切過程中的破壞。如圖14所示,數(shù)值模擬中試樣能量轉(zhuǎn)化可以分為彈性階段(Ⅰ)、耗散階段(Ⅱ)、釋放階段(Ⅲ)和殘余階段(Ⅳ)4個(gè)階段。在彈性階段,外界輸入的總能量較少,該階段總能量主要轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒的應(yīng)變能,應(yīng)變能大部分轉(zhuǎn)換為顆粒的彈性能和膠結(jié)能,少部分轉(zhuǎn)化為顆粒動(dòng)能。隨著剪切位移持續(xù)增加,顆粒出現(xiàn)少量的膠結(jié)破壞,微裂紋開始出現(xiàn),到耗散階段結(jié)束,應(yīng)變能達(dá)到峰值,即彈性能和膠結(jié)能達(dá)到峰值。在釋放階段,顆粒應(yīng)變能迅速下降,顆粒間的膠結(jié)發(fā)生大范圍破壞,微裂紋數(shù)迅速增加,顆粒的彈性能快速下降,試樣發(fā)生塑性破壞。最后,外界輸入能量趨于穩(wěn)定,試樣的應(yīng)變能和膠結(jié)能也維持在一個(gè)較低的水平,彈性能與動(dòng)能不斷趨于零。

圖14 不同聚合物含量下復(fù)合加固砂土的能量演化

不同聚合物含量下復(fù)合加固砂土的能量演化如圖14所示,隨著加載的進(jìn)行,總能量不斷增加,應(yīng)變能和膠結(jié)能大致呈先增大后下降趨勢。隨著聚合物含量的增大,各階段的能量均呈非線性增長,其中峰值應(yīng)變能占總能量的比例也逐步增大。加固砂土峰值彈性能由2.8kJ增長至5.3kJ,說明顆粒間接觸面隨聚合物含量的增大而增大,增強(qiáng)了顆粒間的彈性作用。加固砂土的峰值膠結(jié)能由9.4kJ增長至32.7kJ,峰值應(yīng)變能由11.3kJ增長至36.8kJ,表明聚合物含量增大后顆粒的大部分能量被儲(chǔ)存在聚合物形成的膠結(jié)膜中并轉(zhuǎn)化為膠結(jié)能,應(yīng)變能也得到有效提升,有效增強(qiáng)了加固砂土的抗變形能力。加固砂土殘余階段的膠結(jié)能隨聚合物含量的增大而增長,由5.7kJ提高至20.6kJ,解釋了隨著聚合物含量的增大,微裂紋的數(shù)量和分布也隨著增長,在宏觀層面上表現(xiàn)為加固砂土被多種破壞路徑裂紋切割。

不同纖維含量下復(fù)合加固砂土的能量演化如圖15所示,隨著纖維含量的增大,加固砂土各階段能量曲線形態(tài)發(fā)生明顯變化,各能量峰值的出現(xiàn)時(shí)間發(fā)生延后,應(yīng)變能和膠結(jié)能的能量曲線鋸齒狀變化愈發(fā)劇烈。這說明剪切過程中加固砂土顆粒的相互作用由于剪切破壞會(huì)劇烈變化,加上纖維與顆粒的接觸共同作用,能量曲線形態(tài)發(fā)生明顯改變。在耗散階段,加固砂土峰值彈性能由5.1kJ增加至7.0kJ,說明顆粒間彈性能由于纖維的聯(lián)結(jié)加筋作而略有增加。加固砂土的峰值膠結(jié)能由35.2kJ增加至37.6kJ,峰值應(yīng)變能由37.8kJ增加至43.6kJ,說明纖維含量增大后顆粒中聚合物形成的膠結(jié)膜厚度有所變化,膠結(jié)能略有提升,應(yīng)變能也小有增長。加固砂土殘余階段的膠結(jié)能與應(yīng)變能出現(xiàn)起伏下降現(xiàn)象,說明隨著纖維含量的增大,纖維與加固砂土顆粒的作用范圍逐漸擴(kuò)大,相互作用力也隨之增強(qiáng)。試樣抗剪強(qiáng)度主要由纖維提供,纖維含量增大后加固砂土破壞逐漸受纖維控制,解釋了隨著纖維含量的增大微裂紋范圍擴(kuò)大,整體加固砂土的剪切破壞面受微裂紋分布的影響。

圖15 不同纖維含量下復(fù)合加固砂土的能量演化

3 機(jī)理分析

圖16為纖維-聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。聚合物及纖維加固砂土本質(zhì)上是改變了砂土顆粒間的微觀結(jié)構(gòu),天然砂土結(jié)構(gòu)松散,顆粒間無黏聚力,纖維摻入砂土后,在砂土顆粒之間隨機(jī)排列形成三維網(wǎng),起到了加筋的作用,聚合物摻入砂土后,填充在砂土顆粒間的孔隙,黏合纖維與砂土顆粒,有效提升砂土的整體性。聚合物包裹纖維與砂土的混合體,加固砂土內(nèi)部的纖維與聚合物貫穿連通則構(gòu)成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),限制其內(nèi)部砂土顆粒移動(dòng),通過各組分之間的相互作用,使得加固砂土的整體性和穩(wěn)定性得到有效提升。

圖16 纖維-聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖17為纖維-聚合物的SEM電鏡圖和剪切破壞機(jī)理示意圖。由圖17可見,試樣剪切面內(nèi)部未破壞,這是因?yàn)榫酆衔锬ゑ詈侠w維與砂土顆粒的團(tuán)聚體限制了外側(cè)破壞后砂土顆粒的進(jìn)一步移動(dòng),剪切面外側(cè)破壞后荷載傳遞至試樣內(nèi)部,在外荷載作用下試樣內(nèi)部未破壞聚合物膜、纖維、砂土顆粒三者耦合和咬合程度得到提高,增強(qiáng)了聚合物-纖維加固砂土的抗剪強(qiáng)度與抗變形破壞能力,減緩試樣破壞速度,僅在試樣剪切面兩側(cè)出現(xiàn)少量裂紋。隨著試驗(yàn)持續(xù)加載,剪切應(yīng)力不斷增大,聚合物-纖維加固砂土多相團(tuán)聚體之間的聚合物膜斷裂,多相團(tuán)聚體在試樣有限空間內(nèi)產(chǎn)生相對位移,移動(dòng)一定距離后到達(dá)平衡位置,與其他團(tuán)聚體咬合后,團(tuán)聚體內(nèi)提供包裹、黏結(jié)作用的聚合物膜承受主要剪切力,聚合物膜形變達(dá)到極限并發(fā)生斷裂,將剪切力傳遞至纖維網(wǎng)絡(luò),纖維承受主要應(yīng)力發(fā)生拉伸形變與彎曲形變,當(dāng)拉應(yīng)力過大時(shí),纖維加筋砂土作用逐漸失效。加固砂土進(jìn)入破壞的迅速發(fā)展階段,加固砂土裂紋沿剪切錯(cuò)動(dòng)帶兩側(cè)向內(nèi)部快速擴(kuò)展發(fā)育,形成了剪切破壞面,破壞面上的砂土、聚合物膜與纖維多相結(jié)構(gòu)均被剪切力破壞,聚合物膜與各組分的黏結(jié)作用失效,筋-土界面處的靜摩擦力轉(zhuǎn)變成動(dòng)摩擦力,此時(shí)加固砂土被完全剪壞。

圖17 纖維-聚合物的SEM電鏡圖和剪切破壞機(jī)理示意圖

4 結(jié) 論

a.聚合物和纖維均對加固砂土剪切強(qiáng)度特性有顯著的影響。隨著聚合物和纖維含量的增大,加固砂土的抗剪強(qiáng)度不斷增大。聚合物含量的增大和纖維的摻入顯著提高了加固砂土的黏聚力,但對內(nèi)摩擦角的影響較小。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果、工程實(shí)際應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)效益,推薦纖維含量為0.8%,聚合物含量為3%。

b.聚合物和纖維顯著影響復(fù)合加固砂土的微觀力學(xué)特性。聚合物和纖維改變了加固砂土的微裂紋分布、能量演化特征。隨著聚合物含量的增大,剪切帶的微裂紋分布范圍和數(shù)量增大,加固砂土完全剪切破壞時(shí)拉伸、剪切微裂紋也隨之增多。粒間破壞的能量特征值增加。纖維含量的增大引起了微裂紋的集中分布和數(shù)量增長,提高了各階段的能量特征值。

c.聚合物和纖維含量均影響加固砂土的破壞形式。聚合物和纖維含量的增大促進(jìn)了復(fù)合砂土各組分之間的聯(lián)合,增強(qiáng)了加固砂土的整體性,提升了土體的穩(wěn)定性,加固砂土的剪切面逐漸由平整光滑轉(zhuǎn)變?yōu)榇植诓黄健＞酆衔锶芤涸谏巴林行纬傻母叻肿幽ぞo密地纏繞并包裹砂土顆粒,填充砂土孔隙,形成一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),從而增強(qiáng)了砂土顆粒間的相互作用,減小砂土孔隙比,進(jìn)而加固了砂土的工程特性。