以天然椰殼纖維加固的紅黏土的力學(xué)性質(zhì)研究

李良勇，馬煒迪，曹寶珠

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

紅黏土是一種承載能力較好，但卻具有高含水率、高孔隙比等不良物理性質(zhì)的特殊土，直接使用紅黏土作為建筑基礎(chǔ)時經(jīng)常會發(fā)生不均勻沉降，使其上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而影響建筑結(jié)構(gòu)的安全和使用，因此需對其進(jìn)行加固處理[1].目前,國內(nèi)外對于紅粘土的處理主要以棄土換填和化學(xué)改性為主，但由于紅黏土在海南全省的分布點多面廣，大量的換填會造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞，并且還會大幅增加工程費用.化學(xué)加固法是通過在紅黏土中摻入石灰、水泥等無機(jī)膠結(jié)材料來提升紅黏土的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性[2-6]，這種方法對環(huán)境的影響較大.羅斌等[7]提出用摻加碎石的方法來改良高液限紅粘土，葉瓊瑤等[8]也提出摻加30%的砂礫是改良紅黏土的一種有效措施，但是砂礫和碎石材料有時不易獲取，而且其長距離的運(yùn)輸成本較高.而采用纖維對紅黏土進(jìn)行加固，不僅成本低，而且施工方便，是一種良好的加固方法，因此部分學(xué)者[9-11]采用聚丙烯纖維材料來加固紅黏土，取得了良好的效果.但是人工合成的纖維材料在生產(chǎn)過程中會對環(huán)境造成污染，增加碳排放量，不利于環(huán)保，因而需發(fā)展綠色環(huán)保的天然纖維材料.而椰子在海南省隨處可見，廢舊的椰殼在經(jīng)過浸泡、敲打、除雜和晾曬后，所獲得的椰殼纖維具有強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、抑菌、可再生等特性，具有較廣闊的應(yīng)用前景.目前，國內(nèi)外已有部分學(xué)者[12-15]對土體中加入椰殼纖維進(jìn)行了研究，但對于椰殼纖維加固紅黏土的研究卻較少.

針對上述問題，本文采用天然椰殼纖維對紅黏土進(jìn)行了加固，并通過直剪試驗來研究椰殼纖維長度和摻量對紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響，旨在為海南地區(qū)紅黏土地基加固提供一定的參考.

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料本試驗所采用的紅黏土為海南地區(qū)具有代表性的粉質(zhì)紅黏土，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表 1所示.天然椰殼纖維由海南當(dāng)?shù)貜U棄椰子在經(jīng)過浸泡、敲打、除雜和晾曬后所獲得，其直徑為100～500 μm，長度為5～20 cm，密度為1.25 g/cm3，經(jīng)拉伸試驗，確定其延伸率為0.251，抗拉強(qiáng)度為98.36 MPa，初始模量為2.14 GPa，所得性質(zhì)與Toledo等[16]和水鋒等[17]測得的性質(zhì)接近.

表1 粉質(zhì)紅黏土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試樣制備將取回的紅黏土風(fēng)干后碾碎過篩，按最優(yōu)含水率配置紅黏土，將椰殼纖維修剪至所需的長度，按照擬定的摻量將椰殼纖維加入紅黏土中并攪拌均勻，接著將配置好的土樣用薄膜密封，靜置24 h，然后用環(huán)刀切取土樣并壓實，同時保證每個環(huán)刀內(nèi)的土樣質(zhì)量相同，接著將土樣壓入到直剪盒內(nèi)，分別施加100 kPa，200 kPa，300 kPa和400 kPa的垂直壓力進(jìn)行試驗，剪切速率為0.8 mm·min-1，直到百分表讀數(shù)持續(xù)停止或緩慢下降時終止試驗.

1.3 試驗方案為了研究椰殼纖維長度和椰殼纖維摻量對紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響，以便得到最優(yōu)的椰殼纖維參數(shù)，本研究共進(jìn)行了素土、4種椰殼纖維長度和4種椰殼纖維摻量的直剪試驗，如表2所示，為保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每種工況進(jìn)行了3組平行試驗.

表2 直剪試驗分組

2 試驗結(jié)果與分析

圖1 不同椰殼纖維長度的剪應(yīng)力-剪切位移的關(guān)系曲線

2.1 椰殼纖維長度圖1為100 kPa垂直壓力和0.3%椰殼纖維摻量條件下，不同椰殼纖維長度時剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線，為便于比較，素土的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系也包含在此圖中.剪應(yīng)力與剪切位移曲線的斜率能反映土體抵抗變形的能力，其斜率越大，土體抵抗變形的能力越大.從圖1中可看出，當(dāng)剪切位移很小時，各曲線的斜率接近，原因在于剪切位移很小時，椰殼纖維和紅黏土之間的相對位移也很小，椰殼纖維還不能發(fā)揮出加筋作用，和素土無異；但隨著剪切位移的增大，椰殼纖維與紅黏土間的相對位移也增大，椰殼纖維逐漸開始發(fā)揮其作用，曲線斜率和剪應(yīng)力較素土?xí)r開始逐漸增大.在椰殼纖維長度小于5 cm時，曲線斜率和剪應(yīng)力隨椰殼纖維長度的增加而增大，但在椰殼纖維長度達(dá)到5 cm后，曲線斜率和剪應(yīng)力反而減小，這與椰殼纖維過長而易纏繞成團(tuán)有關(guān).

根據(jù)摩爾庫倫理論，紅黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有兩個，即粘聚力和內(nèi)摩擦角，圖2和圖3分別為粘聚力和內(nèi)摩擦角隨椰殼纖維長度的變化曲線，由圖2和圖3可見，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨椰殼纖維長度的增加呈先增大后減小的趨勢.在椰殼纖維長度小于5 cm時，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨椰殼纖維長度的增大而增加，且增長幅度逐漸減??；而在椰殼纖維長度達(dá)到5 cm后，隨椰殼纖維長度的增加，粘聚力和內(nèi)摩擦角均有較大幅度的降低，但均大于素土?xí)r的粘聚力和內(nèi)摩擦角.這說明對于紅黏土而言，最優(yōu)的椰殼纖維長度為5 cm，其原因就在于隨著椰殼纖維長度的增加，椰殼纖維之間易發(fā)生交互，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)傳力效果，且隨著椰殼纖維長度的增加，纖維的錨固長度也增大，不易被拉斷，其粘聚力和內(nèi)摩擦角亦不斷增大；但當(dāng)椰殼纖維過長時，則易纏繞成團(tuán)，從而弱化椰殼纖維的作用，最終導(dǎo)致粘聚力和內(nèi)摩擦角減小.該現(xiàn)象與陳佳雨等[11]采用聚丙烯纖維來加固紅黏土的現(xiàn)象一致.

從圖2和圖3中也可看出，采用椰殼纖維加筋后，紅黏土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均有所增大，但粘聚力的增長幅度大于內(nèi)摩擦角的增長幅度，說明椰殼纖維的加筋效果主要體現(xiàn)在粘聚力的增加上.

302520151050粘聚力/kPa012345678椰殼纖維長度/cm1614121086420內(nèi)摩擦角/°012345678椰殼纖維長度/cm圖2 粘聚力與椰殼纖維長度的關(guān)系曲線圖3 內(nèi)摩擦角與椰殼纖維長度的關(guān)系曲線

圖4 不同椰殼纖維摻量的剪應(yīng)力-剪切位移曲線

2.2 椰殼纖維摻量圖4為100 kPa垂直壓力和3 cm椰殼纖維長度的條件下，不同椰殼纖維摻量時剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線，為便于比較，素土的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系也包含在此圖中.從圖4中可看出，隨著剪切位移的增大，椰殼纖維與紅黏土間的相對位移也增大，椰殼纖維逐漸開始發(fā)揮作用，曲線斜率和剪應(yīng)力較素土?xí)r開始逐漸增大.在椰殼纖維摻量小于0.5%時，曲線斜率和剪應(yīng)力隨椰殼纖維摻量的增加而增大，但椰殼纖維摻量達(dá)到0.5%后，曲線斜率和剪應(yīng)力反而減小，這與椰殼纖維摻量過高聚集而形成受力軟弱區(qū)有關(guān).

圖5和圖6分別為粘聚力和內(nèi)摩擦角隨椰殼纖維摻量的變化曲線，由圖5和圖6可見，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨椰殼纖維摻量的增加呈先增大后減小的趨勢.在椰殼纖維摻量小于0.5%時，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨椰殼纖維摻量的增大而增加；而在椰殼纖維摻量達(dá)到0.5%后，隨椰殼纖維摻量的增加，粘聚力和內(nèi)摩擦角均有所降低，但均大于素土?xí)r的粘聚力和內(nèi)摩擦角.這說明對于紅黏土而言最優(yōu)的椰殼纖維摻量為0.5%，其原因就在于隨著椰殼纖維摻量的增加，椰殼纖維之間交織成網(wǎng)，傳力效果增強(qiáng)，從而致使粘聚力和內(nèi)摩擦角不斷增大；但當(dāng)椰殼纖維摻量過高時，椰殼纖維相互之間定向平行排列的機(jī)會就會增大，這會弱化椰殼纖維的傳力作用，且過高的椰殼纖維摻量亦會導(dǎo)致椰殼纖維聚集而形成軟弱區(qū)，從而導(dǎo)致粘聚力和內(nèi)摩擦角減小.該現(xiàn)象與陳佳雨等[11]采用聚丙烯纖維來加固紅黏土?xí)r所產(chǎn)生的現(xiàn)象一致.

從圖5和圖6中也可看出，采用椰殼纖維加筋后，紅黏土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均有所增大，但粘聚力的增長幅度大于內(nèi)摩擦角的增長幅度，這說明椰殼纖維的加筋效果主要體現(xiàn)在粘聚力的增加上.

表3列出了采用椰殼纖維加筋后8組試驗中紅黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，從表3中可看出，加筋后的紅黏土其抗剪強(qiáng)度均較素土的抗剪強(qiáng)度大，但椰殼纖維摻量對紅黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響要大于椰殼纖維長度對紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響.

35302520151050粘聚力/kPa椰殼纖維摻量/%00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0內(nèi)摩擦角/°181614121086420椰殼纖維摻量/%00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0圖5 粘聚力與椰殼纖維摻量的關(guān)系曲線圖6 內(nèi)摩擦角與椰殼纖維摻量的關(guān)系曲線

表3 椰殼纖維加固紅黏土后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

3 結(jié) 論

本研究采用直剪試驗研究了椰殼纖維長度和椰殼纖維摻量對紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響，得出如下結(jié)論：

(1)在紅黏土中摻入椰殼纖維能夠提高其抵抗變形的能力和抗剪強(qiáng)度，但抗剪強(qiáng)度的提高主要體現(xiàn)在粘聚力的增加方面，內(nèi)摩擦角的增加則較小.

(2)在椰殼纖維摻量一定的條件下，紅黏土的抗剪強(qiáng)度隨椰殼纖維長度的增加而呈先增大后減小的趨勢，最優(yōu)的椰殼纖維長度為5 cm.

(3)在椰殼纖維長度一定的條件下，紅黏土的抗剪強(qiáng)度隨椰殼纖維摻量的增加而呈先增大后減小的趨勢，最優(yōu)的椰殼纖維摻量為0.5%.

上述試驗結(jié)果表明，椰殼纖維是一種性能優(yōu)良的加筋材料，它能有效地提高紅黏土的抗剪強(qiáng)度，而在海南由于具有豐富的椰殼纖維資源、且該種纖維綠色環(huán)保、可再生，因此它具有廣闊的應(yīng)用前景，鑒此，本研究可為紅黏土地基的加固提供有價值的參考.