隨機(jī)分布劍麻纖維對(duì)砂土力學(xué)特性的影響

鐘漢林,劉春輝,張 俊,曲淑英

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

天然砂土結(jié)構(gòu)松散具有易侵蝕、易沖刷、易液化的特點(diǎn),由于其不穩(wěn)定會(huì)引起各種工程地質(zhì)問(wèn)題．因此,大多數(shù)天然松散砂土需要加固以滿足工程要求．當(dāng)前,砂土加固的方式主要可以分為化學(xué)加固和物理加固2種．化學(xué)加固主要通過(guò)在土體中添加適當(dāng)比例的水泥、石灰、粉煤灰或高分子土壤穩(wěn)定劑以增強(qiáng)其強(qiáng)度與穩(wěn)定性[1]．但是,大多數(shù)化學(xué)加固會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不可恢復(fù)的負(fù)面影響．物理加固主要是在砂土中添加土工織物、土工格柵以及各種類型的隨機(jī)分布元素等材料,通過(guò)砂土與添加物之間的物理相互作用以增強(qiáng)其力學(xué)性能．作為物理加固的一種,隨機(jī)分布纖維價(jià)格低廉,取材方便,且對(duì)砂土力學(xué)性能增強(qiáng)效果明顯,而被廣泛用于各類工程建設(shè)中,成為地基改良的一種有效手段[2]．

隨機(jī)分布纖維由于其在地基改良中展現(xiàn)的優(yōu)越性能,而引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注．例如,早在1986年,GRAY等人針對(duì)連續(xù)定向織物層和隨機(jī)分布離散纖維加固砂土進(jìn)行了對(duì)比三軸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)采用隨機(jī)分布纖維比用連續(xù)定向織物層在土壤改良上具有更好的加固效果,隨機(jī)分布纖維具有更好的抗剪切強(qiáng)度[3]．IBRAIM等探討了用短纖維改良松散砂土的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng),發(fā)現(xiàn)無(wú)論纖維含量如何,有效應(yīng)力路徑與固結(jié)結(jié)束時(shí)的平均有效應(yīng)力不隨纖維含量發(fā)生改變;由于纖維分布的各向異性,在大應(yīng)變下壓縮與拉伸試驗(yàn)得到的動(dòng)摩擦角不同[4]．孫紅等采用三軸試驗(yàn)研究了非增強(qiáng)和玻璃纖維增強(qiáng)松散砂土的性能,發(fā)現(xiàn)隨著纖維含量的增加失效偏應(yīng)力和砂復(fù)合材料內(nèi)聚力不斷增加,但是內(nèi)聚力的增加與纖維含量不成線性關(guān)系[5]．SRIDHAR等發(fā)現(xiàn)使用椰殼纖維作為砂土的增強(qiáng)材料,能有效地提高砂土的承載力[6]．ALI通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究玻璃纖維增強(qiáng)砂土的力學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)玻璃纖維能夠顯著提高砂土的工程和力學(xué)性能,且當(dāng)玻璃纖維平行于潛在的弱化平面時(shí),纖維對(duì)砂土的增強(qiáng)效果更加明顯[1]．NOORZAD和FARDAD探討了隨機(jī)分布纖維在提高松散和中等密實(shí)砂土剪切模量方面性能,結(jié)果表明未增強(qiáng)和增強(qiáng)試樣的剪切模量隨著纖維含量的增加剪切模量增加[7]．總結(jié)現(xiàn)有研究成果發(fā)現(xiàn),當(dāng)前研究主要集中在采用土工合成材料或使用人工合成纖維(聚丙烯纖維、玻璃纖維等)加固松散砂土,以提高其剪切強(qiáng)度,較少學(xué)者研究天然纖維(特別是耐腐蝕的天然纖維)改良天然砂土的物理力學(xué)性能;此外,現(xiàn)有研究主要關(guān)注隨機(jī)分布纖維加固松散砂土的抗壓與抗剪強(qiáng)度,鮮有文獻(xiàn)報(bào)道采用隨機(jī)分布纖維增強(qiáng)密實(shí)砂土力學(xué)的特性．

劍麻纖維質(zhì)地堅(jiān)韌,耐鹽堿、耐腐蝕,是一種優(yōu)良的天然纖維[8]．為此,本文采用三軸試驗(yàn)研究隨機(jī)分布劍麻纖維增強(qiáng)密實(shí)海洋砂土的力學(xué)特性,將纖維含量、纖維長(zhǎng)度、圍壓、相對(duì)密實(shí)度作為參數(shù)變量,對(duì)含水率為10%的試樣進(jìn)行了39組三軸試驗(yàn)．定量分析了纖維含量、纖維長(zhǎng)度、圍壓以及相對(duì)密實(shí)度對(duì)砂土力學(xué)性能的影響,豐富了采用隨機(jī)分布纖維加固地基土體的相關(guān)理論．

1 試驗(yàn)材料

本文采用的砂取自煙臺(tái)大學(xué)東門海邊．顆粒級(jí)配曲線如圖1所示,基于該顆粒級(jí)配曲線得到:D50=0.42 mm,不均勻系數(shù)Cu=D60/D10=3.61,曲率系數(shù)Cc=D302/(D60×D10)=0.58,砂的比重Gs=2.16．本試驗(yàn)采用的纖維為劍麻纖維(圖2),采用的纖維長(zhǎng)度分別為6 mm、12 mm和18 mm,纖維的基本物理力學(xué)參數(shù)[9]如表1．在本文中,纖維含量定義為wf,wf=Wf/Ws,其中Wf是纖維的重量,Ws是干砂的重量．試驗(yàn)采用TCK-1型應(yīng)變控制式三軸儀作為試驗(yàn)裝置(如圖3)．

圖1 顆粒級(jí)配曲線

圖2 劍麻纖維

平均直徑/mm拉伸強(qiáng)度/MPa拉伸模量/GPa斷裂伸長(zhǎng)率/% 0.18537222.5

圖3 TCK-1型應(yīng)變控制式三軸儀

2 試驗(yàn)方案

2.1 試樣制備

本試驗(yàn)所制備的試樣直徑為3.91 cm,高度為8 cm,采用LADD[10]推薦的濕式搗固法制備指定相對(duì)密實(shí)度的均勻試樣．該方法常被用于制備纖維增強(qiáng)砂土試樣,制備過(guò)程主要分為三步:稱量、混合和成樣．第一步,根據(jù)確定的相對(duì)密實(shí)度,稱量相應(yīng)砂土與纖維的重量．本文研究砂土的相對(duì)密實(shí)度為60%、70%、80%,對(duì)應(yīng)所需砂的質(zhì)量分別為157.2 g、160 g、164.2 g;0.3%纖維摻量對(duì)應(yīng)所需纖維質(zhì)量分別為0.47 g、0.48 g、0.49 g,0.6%纖維摻量對(duì)應(yīng)所需纖維質(zhì)量為0.94 g、0.96 g、0.98 g．第二步,纖維和砂的混合．試驗(yàn)中,為使砂與纖維具有較好的和易性,先將砂與水混合,水的重量為土顆粒重量的10%,在該含水量下,纖維在砂中分布更加均勻,且能夠防止試樣在轉(zhuǎn)移過(guò)程中出現(xiàn)纖維飄浮,待砂與水充分?jǐn)嚢韬?將纖維加入砂中用電動(dòng)攪拌機(jī)進(jìn)行混合,直至纖維與砂分布均勻．第三步,成樣．為防止試樣在轉(zhuǎn)移過(guò)程中發(fā)生擾動(dòng),纖維增強(qiáng)砂土試樣在設(shè)備底座上直接制備成型．

2.2 試驗(yàn)程序

采用不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)研究砂土的改良特性,共進(jìn)行39組試驗(yàn),以定量分析纖維含量、纖維長(zhǎng)度、相對(duì)密實(shí)度以及圍壓對(duì)隨機(jī)分布劍麻纖維加固海洋砂土試樣應(yīng)力-應(yīng)變與強(qiáng)度特性的影響．具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2．

試驗(yàn)步驟:在樣品制備完之后拆除模具,然后安裝壓力室外罩并填充水,施加相應(yīng)的圍壓,關(guān)閉孔隙壓力閥門,微調(diào)壓力機(jī)升降臺(tái),使活塞與試樣接觸．將軸向測(cè)力計(jì)和軸向變形百分表讀數(shù)均調(diào)為零．試驗(yàn)過(guò)程中剪切速率為每分鐘應(yīng)變0.8%．試驗(yàn)結(jié)束后,關(guān)掉電機(jī),打開(kāi)排氣閥,排掉壓力室里面的水,最后拆除試樣．

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 纖維含量對(duì)砂土性能的影響

圖4為纖維長(zhǎng)度是6 mm、12 mm、18 mm下,未加筋試樣與0.3%、0.6%纖維加筋試樣的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線．加筋砂土表現(xiàn)出典型的應(yīng)變硬化特性,本試驗(yàn)將加筋砂土軸向應(yīng)變?yōu)?%處的偏應(yīng)力值作為強(qiáng)度峰值．從圖4(a)可以看出,當(dāng)纖維長(zhǎng)度(簡(jiǎn)稱FL)為6 mm,而圍壓(簡(jiǎn)稱CP)和相對(duì)密實(shí)度Dr一定的情況下,未加筋試樣的偏應(yīng)力值達(dá)到394.63 kPa,當(dāng)加入0.3%和0.6%劍麻纖維后,砂土的偏應(yīng)力值明顯提高,對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力值分別為460.02 kPa與509.63 kPa,此時(shí)加筋砂土偏應(yīng)力強(qiáng)度峰值比純砂分別增加了16.6%、29.1%．在纖維含量為0.3%和0.6%試樣中,在偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線中沒(méi)有觀察到峰值,直到5%以后的應(yīng)變才出現(xiàn)常規(guī)使用性失效狀態(tài),而未加筋試樣在應(yīng)變?yōu)?%時(shí)出現(xiàn)了最高偏應(yīng)力峰值,這跟MALIAKAL[11]對(duì)黏土加固后得出的失效狀態(tài)結(jié)論相似．

從總體上看砂土剪切強(qiáng)度隨纖維含量的增加呈上升趨勢(shì),但相較于纖維摻量為0.3%的情況,0.6%的纖維含量對(duì)砂土強(qiáng)度的提升能力逐漸減弱．由此可見(jiàn),在砂土中加入適當(dāng)?shù)睦w維,能有效地提高砂土的抗剪強(qiáng)度．這是因?yàn)楫?dāng)纖維加筋土受力發(fā)生變形時(shí),由于摩擦力的作用,纖維在界面上會(huì)受到土體的拉伸,同時(shí)土體會(huì)受到纖維的反作用約束應(yīng)力,從而有效限制了砂樣的變形,提高顆粒間的相互作用力進(jìn)而提高了土的強(qiáng)度[12-13]．此外,纖維還能夠

表2 試驗(yàn)方案

在砂樣中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),約束土樣的變形或砂土顆粒的位移,從而提高砂樣的力學(xué)強(qiáng)度．而當(dāng)纖維摻量過(guò)低時(shí),纖維難以成網(wǎng),限制了纖維對(duì)砂土強(qiáng)度的貢獻(xiàn),而當(dāng)纖維摻量過(guò)高時(shí),容易形成纖維弱化平面,引起應(yīng)力集中[14]．因此,選擇適當(dāng)比例的纖維能增加砂土的承載力,使纖維的加筋作用得到最優(yōu)發(fā)揮．

圖4當(dāng)圍壓CP=100 kPa、相對(duì)密實(shí)度Dr=60%時(shí),不同纖維含量的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

Fig.4 Stress-strain relationship of different fiber contents when confining pressure CP=100 kPa and relative densityDr=60%

3.2 纖維長(zhǎng)度對(duì)砂土性能的影響

圖5(a)為纖維含量是0.3%時(shí),不同纖維長(zhǎng)度對(duì)砂土力學(xué)性能的影響,而圖5(b)為纖維含量是0.6%時(shí),不同纖維長(zhǎng)度對(duì)砂土力學(xué)性能的影響．從圖5(b)中可以看出,當(dāng)CP=100 kPa、Dr=60%,wf=0.3%的情況下,纖維長(zhǎng)度為6 mm加筋砂的偏應(yīng)力峰值達(dá)到460.02 kPa,而纖維長(zhǎng)度為12 mm與18 mm加筋砂的偏應(yīng)力值分別為556.99 kPa與690.03 kPa,峰值強(qiáng)度分別提高了21.1%、50.0%．由此可見(jiàn)纖維長(zhǎng)度對(duì)改變砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有明顯效果,隨著劍麻纖維長(zhǎng)度的增加偏應(yīng)力值進(jìn)一步提高．主要是因?yàn)槔w維長(zhǎng)度增加了纖維與砂的接觸表面積,提高了纖維與砂土顆粒之間的界面摩擦,使得內(nèi)摩擦角增大,且纖維的較大拉伸強(qiáng)度和剛度又可限制相關(guān)土壤顆粒的位移,因此導(dǎo)致剪切強(qiáng)度增大．

圖5當(dāng)圍壓CP=100kPa、相對(duì)密實(shí)度Dr=60%時(shí),不同纖維長(zhǎng)度的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

Fig.5 Stress-strain relationship of different fiber lengths when confining pressureCP=100 kPa and relative densityDr=60%

3.3 相對(duì)密實(shí)度對(duì)砂土性能的影響

圖6是對(duì)6組砂樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn),測(cè)得的相對(duì)密實(shí)度對(duì)加筋試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線．從圖6(b)中能明顯看出,當(dāng)CP=100 kPa、wf=0.6%、FL=12 mm的情況下,當(dāng)以5%軸向應(yīng)變作為試樣的偏應(yīng)力峰值,Dr=70%的試樣對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力峰值為638.17 kPa,Dr=60%與Dr=80%試樣相應(yīng)的偏應(yīng)力值分別達(dá)到701.31 kPa和978.67 kPa,峰值強(qiáng)度分別提高了10.0%、53.4%．由此可見(jiàn),相對(duì)密實(shí)度能夠提高砂土的承載能力．出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因,試樣的相對(duì)密實(shí)度越大砂土顆粒之間的鍥合力越大,砂土顆粒與纖維之間內(nèi)部摩擦力也就越大,所以砂土的抗剪強(qiáng)度得到有效的提高．因此,相對(duì)密實(shí)度是影響纖維加固力學(xué)特性的一個(gè)重要因素,隨著砂土相對(duì)密實(shí)度的增加纖維加固的效果越來(lái)越明顯,砂土具有更好的抗剪能力．

圖6當(dāng)圍壓CP=100 kPa、纖維長(zhǎng)度FL=12 mm時(shí),不同相對(duì)密實(shí)度的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

Fig.6 Stress-strain relationship of different relative density when the confining pressureCP=100 kPa and the fiber lengthFL=12 mm

3.4 圍壓對(duì)砂土性能的影響

圖7(a)和7(b)分別顯示了不同纖維長(zhǎng)度以及不同纖維含量下劍麻纖維增強(qiáng)砂土典型的主應(yīng)力包絡(luò)線．從圖中可以看出,未加筋砂和加筋砂的主應(yīng)力包絡(luò)線明顯不同,未加筋砂的應(yīng)力包絡(luò)線接近直線,而加筋砂的應(yīng)力包絡(luò)線幾乎呈曲線狀,且加筋砂具有明顯的拐點(diǎn),我們把這個(gè)拐點(diǎn)稱為臨界正應(yīng)力點(diǎn)[12],在圍壓超過(guò)臨界正應(yīng)力后,主應(yīng)力包絡(luò)線斜率減小,表明纖維的加固效果減弱．其原因是,在低于臨界正應(yīng)力時(shí),試驗(yàn)過(guò)程中纖維很少或沒(méi)有被拉伸,纖維相對(duì)土顆粒發(fā)生滑動(dòng)摩擦,增大了砂土的內(nèi)摩擦角;當(dāng)超過(guò)臨界正應(yīng)力后,纖維發(fā)生拉伸或屈服,但很少能被拉斷,從而提高了砂土的黏聚力[11,15]．

圖7當(dāng)相對(duì)密實(shí)度Dr=60%時(shí),不同纖維長(zhǎng)度下和不同纖維含量下的主應(yīng)力包絡(luò)線

Fig.7 Principal stress envelope at different fiber lengths and different fiber contents when relative densityDr=60%

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)一系列三軸壓縮試驗(yàn),研究了隨機(jī)分布劍麻纖維對(duì)中等密度和密實(shí)海洋砂土進(jìn)行加固后的力學(xué)性能．定量分析了纖維含量,纖維長(zhǎng)度,相對(duì)密實(shí)度和圍壓對(duì)隨機(jī)分布劍麻纖維加筋砂樣抗剪強(qiáng)度的影響,得出結(jié)論如下:

(1)隨機(jī)分布纖維的加入能顯著地提高砂土的強(qiáng)度,劍麻纖維加固的試樣要比未加筋試樣的抗剪切強(qiáng)度明顯增加,選擇適當(dāng)比例的纖維,能使纖維的加筋作用得到最優(yōu)發(fā)揮．

(2)纖維長(zhǎng)度對(duì)改變砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有明顯效果,隨著劍麻纖維長(zhǎng)度的增加,纖維與砂土顆粒的界面摩擦增大,從而提高了試樣的強(qiáng)度,因此,選擇一定長(zhǎng)度的纖維能使砂土具有更高的強(qiáng)度．

(3)相對(duì)密實(shí)度也是影響纖維加固力學(xué)性能的重要因素之一,隨著砂土相對(duì)密實(shí)度的增加纖維加固砂土的抗剪強(qiáng)度逐漸增大．

(4)圍壓在一定范圍內(nèi)對(duì)改善纖維加筋砂土的力學(xué)性能具有一定程度的影響,超過(guò)臨界正應(yīng)力后加固效果減弱．