秸稈纖維加筋黃土三軸剪切特性試驗(yàn)

張 琬,丁九龍,李 波,陳澤一,薛一峰,趙 瑋

(1.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,西安 710048; 2.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 水電工程分院, 西安 710001)

0 引 言

黃土是一種特殊土,具有多孔、疏松、密度低、遇水易濕陷等特點(diǎn),在我國(guó)分布面積達(dá)到64萬(wàn)km2,在黃河中游地區(qū)分布最為廣泛[1-2]。隨著黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略,黃土地區(qū)在水土保持和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域面臨著前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。在這個(gè)大背景下,黃土在水和荷載的作用下結(jié)構(gòu)易破壞、強(qiáng)度易喪失是亟待解決的問(wèn)題[3]。

纖維加筋是改善土體性能的一個(gè)有效手段。李廣信等[4]開(kāi)展聚丙烯和聚酯玻璃纖維加筋粘土的直剪、單軸拉伸等室內(nèi)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)纖維主要通過(guò)增加黏聚力來(lái)提高土體的抗剪強(qiáng)度。介玉新等[5]進(jìn)一步將纖維用于邊坡加固中,通過(guò)素土和纖維加筋土邊坡的離心模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)纖維加筋使得邊坡破壞形式從突發(fā)性向漸進(jìn)式轉(zhuǎn)變。張丹等[6]采用玄武巖纖維改良膨脹土,通過(guò)收縮試驗(yàn)證明了玄武巖纖維可有效抑制膨脹土產(chǎn)生裂隙。魏麗等[7]通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)對(duì)比合成纖維、礦物纖維和植物纖維加筋土在凍融作用下的強(qiáng)度和變形特性,發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維加筋土抗凍融性能最優(yōu)。王瑞等[8]開(kāi)展聚丙烯纖維加筋鈣質(zhì)砂的動(dòng)三軸試驗(yàn),提出纖維加筋可有效提高砂土的抗液化性能。

在肯定纖維對(duì)土體強(qiáng)度、抗凍融、抗液化等性能提升效果的基礎(chǔ)上,眾多學(xué)者還對(duì)最優(yōu)加筋參數(shù)開(kāi)展了研究。比如,李麗華等[9]對(duì)玻璃纖維加筋砂土開(kāi)展直剪試驗(yàn),提出最優(yōu)纖維摻量為0.4%;吳燕開(kāi)等[10]基于無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果提出劍麻纖維加筋土的最優(yōu)纖維長(zhǎng)度和摻量分別為5 mm和0.2%。此外,纖維加筋土的計(jì)算理論也取得了一定發(fā)展:宋金巖等[11]、孫舒等[12]認(rèn)為纖維加筋土黏聚力的增量與纖維韌度、細(xì)度、摻量等參數(shù)有關(guān),并提出了纖維加筋土強(qiáng)度指標(biāo)的計(jì)算公式;張誠(chéng)成等[13]提出了描述纖維加筋-土漸進(jìn)性破壞特性的筋土界面本構(gòu)模型,并通過(guò)單根纖維的拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證該模型的合理性。

在纖維加筋黃土方面,郜曉等[14]、祝艷波等[15]、熊雨等[16]發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維和玻璃纖維可以顯著提升加筋黃土的靜動(dòng)力強(qiáng)度;李沛達(dá)等[17]、許健等[18]通過(guò)承載比、三軸和掃描電鏡等試驗(yàn)研究了玄武巖纖維加筋黃土的承載性能及其在干濕循環(huán)過(guò)程中的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化機(jī)制;褚峰等[19]在纖維紗加筋黃土蠕變特性的基礎(chǔ)上建立了其一維蠕變經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?張心語(yǔ)等[20]研究了油菜籽殼等植物纖維加筋黃土的抗拉性能;薛中飛等[21]開(kāi)展直剪試驗(yàn)研究了秸稈加筋黃土的剪切性特性。除了以上纖維加筋黃土的基礎(chǔ)力學(xué)特性研究以外,盧浩等[22]還將纖維加筋應(yīng)用在黃土邊坡坡面防護(hù)中,顯著提高了坡面抗侵蝕能力。

麥秸稈是黃土地區(qū)的主要農(nóng)作廢棄物,也是黃土地區(qū)的生土建筑常見(jiàn)的加筋材料,既低碳環(huán)保,又可降低工程造價(jià)。但目前秸稈纖維加筋黃土的相關(guān)研究較為有限,尤其是其三軸剪切力學(xué)特性的研究未見(jiàn)報(bào)道。本文開(kāi)展秸稈纖維加筋黃土的三軸剪切試驗(yàn),研究纖維摻量、纖維長(zhǎng)度和土體含水率對(duì)秸稈纖維加筋黃土強(qiáng)度和變形特性的影響,并求出各因素最優(yōu)值。

1 三軸剪切試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為黃土和麥秸稈纖維。黃土取自咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建項(xiàng)目工地,取樣所在土層為Q3的馬蘭黃土,馬蘭黃土為上更新統(tǒng)風(fēng)積而成,粒度組成以粉粒為主,原狀土孔隙較大,垂直節(jié)理發(fā)育,遇水濕陷、強(qiáng)度降低。對(duì)所取原狀樣開(kāi)展物理性質(zhì)試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn),得到基本參數(shù)列于表1。麥秸稈纖維如圖1所示,寬度為2 mm,長(zhǎng)度在5～15 mm,為增加其耐久性,采用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)其做防腐處理。

表1 黃土物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of loess

圖1 麥秸稈纖維Fig.1 Wheat straw fiber

三軸試驗(yàn)制樣過(guò)程為:將黃土按照表2中設(shè)定的含水率配置靜置一晝夜后,將黃土與麥秸稈纖維以一定的比例均勻拌和;采用千斤頂靜力壓實(shí)的方法制作三軸試驗(yàn)土樣,土樣規(guī)格為Φ39.1 mm×H80 mm的圓柱體,按照重塑土樣98%的壓實(shí)度設(shè)計(jì)工況,分5層壓樣控制,每層干密度為1.69 g/cm3,并對(duì)接觸面進(jìn)行刮毛處理;將制備完成的土樣用錫紙包裹好放入保濕缸內(nèi),保證整個(gè)土樣的含水率及密度不發(fā)生變化。

表2 三軸試驗(yàn)方案Table 2 Test plan of triaxial tests

對(duì)每組土樣分別在100、200、300 kPa的圍壓下開(kāi)展固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn),三軸試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速。本次試驗(yàn)控制軸向應(yīng)變剪切速率為0.06 mm/min,試驗(yàn)過(guò)程中土樣照片見(jiàn)圖2。剪切過(guò)程中,軸向應(yīng)變每變化0.2 mm時(shí)記錄數(shù)據(jù),當(dāng)土樣的軸向應(yīng)變>9%時(shí),則在軸向應(yīng)變每變化0.5 mm時(shí)記錄數(shù)據(jù)。

圖2 試驗(yàn)過(guò)程中的土樣Fig.2 Soil sample during test

采用三軸試驗(yàn)研究纖維摻量、土體含水率和纖維長(zhǎng)度這3種因素對(duì)秸稈纖維加筋土力學(xué)特性的影響,其中纖維摻量指纖維和干黃土的質(zhì)量之比。纖維摻量取4種水平,土體含水率和纖維長(zhǎng)度分別取3種水平,共開(kāi)展8組試驗(yàn),試驗(yàn)方案如表2所示。

2 三軸試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 纖維摻量影響

纖維摻量對(duì)加筋黃土剪切特性影響的試驗(yàn)在最佳含水率15.8%和纖維長(zhǎng)度10 mm的工況下進(jìn)行。圖3為各圍壓下不同纖維摻量加筋黃土的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線。由圖3可見(jiàn),3種圍壓下,加筋黃土和無(wú)筋黃土的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線形態(tài)一致,表現(xiàn)為偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變不斷增加,但增加的速率持續(xù)降低,曲線上無(wú)明顯峰值點(diǎn),呈應(yīng)變硬化型。各纖維摻量加筋黃土的最大偏應(yīng)力均大于無(wú)筋黃土,可見(jiàn)秸稈纖維可有效增加黃土的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)纖維摻量≤0.3%時(shí),加筋黃土的抗剪強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加而增大,但纖維摻量>0.3%,土體抗剪強(qiáng)度反而降低,0.3%為秸稈纖維的最佳摻量。

圖3 不同纖維摻量土體偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線Fig.3 Deviatoric stress-axial strain curves of reinforced soil with different fiber content

表3給出了不同纖維摻量土樣的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ,因黃土處于非飽和狀態(tài),孔隙水壓力較小,故本文所述抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為總應(yīng)力下的強(qiáng)度指標(biāo)。與無(wú)筋黃土相比,0.3%纖維摻量的加筋土黃土黏聚力增大了82.1%,內(nèi)摩擦角提高了13.6%,可見(jiàn)纖維加筋主要通過(guò)增大黏聚力來(lái)提高黃土的強(qiáng)度。

表3 不同纖維摻量加筋黃土的c、φ值Table 3 Values of c and φ of reinforced loess with different fiber content

分析秸稈摻量對(duì)加筋黃土強(qiáng)度影響規(guī)律的原因?yàn)?①纖維摻量<0.3%的試樣中纖維分布均勻,離散程度較高,纖維主要通過(guò)握裹和筋-土間摩擦作用約束土體變形;隨著纖維摻量的增加,纖維與土體握裹和摩擦的作用增強(qiáng),土體強(qiáng)度隨之增大。②但當(dāng)纖維摻量≥0.3%后,纖維與土之間較多的軟弱結(jié)構(gòu)面破壞了土樣的整體性,土樣受剪應(yīng)力時(shí)易沿著軟弱結(jié)構(gòu)面破壞,如圖4所示纖維摻量為0.4%的土樣破壞后表面出現(xiàn)明顯裂紋,因此土體強(qiáng)度反而降低;另外,纖維摻量>0.3%后,纖維在土體中的分布可能不均勻,土體中會(huì)出現(xiàn)纖維集中某一處的現(xiàn)象[23-24],也會(huì)降低土對(duì)纖維的握裹作用,造成土體強(qiáng)度降低。

圖4 不同纖維摻量土樣的破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of soil samples with different fiber content

2.2 纖維長(zhǎng)度影響

纖維長(zhǎng)度影響的試驗(yàn)在最佳纖維摻量0.3%和土體含水率15.8%的工況下進(jìn)行。圖5為各圍壓下不同纖維長(zhǎng)度加筋黃土的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖5可見(jiàn),不同圍壓下,纖維長(zhǎng)度由5 mm增加到15 mm的過(guò)程中,加筋黃土的峰值偏應(yīng)力均先增大后減小,最佳纖維長(zhǎng)度為10 mm,而纖維長(zhǎng)度為15 mm的土體偏應(yīng)力最小。另外,在200 kPa和300 kPa的圍壓下,纖維長(zhǎng)度分別為5 mm和10 mm土體的強(qiáng)度在最大主應(yīng)力施加初期已明顯大于纖維長(zhǎng)度為15 mm的土體的強(qiáng)度,但在圍壓100 kPa下3種纖維長(zhǎng)度土體的強(qiáng)度在最大主應(yīng)力施加初期相差不大。這是因?yàn)樵诘蛧鷫合?土體受力主要體現(xiàn)為水平受拉狀態(tài),3種長(zhǎng)度的纖維均通過(guò)自身的抗拉強(qiáng)度和筋土摩擦作用抵御拉力,因而土體強(qiáng)度相差不大。

圖5 不同纖維長(zhǎng)度土體偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線Fig.5 Deviatoric stress-axial strain curves of reinforced soil with different fiber lengths

表4給出了不同纖維長(zhǎng)度加筋黃土的c、φ值。同纖維摻量、含水率一樣,纖維長(zhǎng)度對(duì)秸稈纖維加筋黃土強(qiáng)度的影響也主要體現(xiàn)在黏聚力上。在纖維長(zhǎng)度小于最佳值10 mm時(shí),纖維長(zhǎng)度的增加使得筋-土界面面積增大,從而導(dǎo)致土體對(duì)纖維的握裹作用增強(qiáng),纖維與土體間摩擦力增大,因而土體黏聚力和內(nèi)摩擦角增大。而當(dāng)纖維長(zhǎng)度超過(guò)最佳值,纖維分布不易均勻,甚至出現(xiàn)折疊,這會(huì)造成過(guò)多的軟弱結(jié)構(gòu)面,使筋-土間黏結(jié)和摩擦作用減弱,導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低。圖6顯示纖維長(zhǎng)度為15 mm的土樣發(fā)生不均勻破壞,表現(xiàn)為環(huán)向出現(xiàn)數(shù)條明顯的張裂破壞面,這是纖維過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致土體中軟弱結(jié)構(gòu)面過(guò)多所造成的。纖維過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致加筋土體強(qiáng)度降低的現(xiàn)象也存在于聚丙烯纖維加筋黃土或黏土中[24-25]。

表4 不同纖維長(zhǎng)度加筋黃土的c、φ值Table 4 Values of c and φ of reinforced loess with different fiber lengths

圖6 不同纖維長(zhǎng)度土樣的破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of soil samples with different fiber lengths

2.3 土體含水率影響

土體含水率影響的試驗(yàn)在最佳纖維摻量0.3%和纖維長(zhǎng)度10 mm的工況下進(jìn)行。圖7為各圍壓下不同含水率加筋黃土的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖7可見(jiàn),相同圍壓下,含水率為15.8%的加筋黃土的峰值偏應(yīng)力明顯大于含水率為12.8%和18.8%的加筋黃土,而15.8%則是本試驗(yàn)中素黃土的最優(yōu)含水率。這說(shuō)明對(duì)秸稈纖維加筋黃土的抗剪強(qiáng)度而言,存在一個(gè)最佳含水率。

圖7 不同含水率土體偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Deviatoric stress-axial strain curves of reinforced soil with different water content

表5為不同含水率加筋黃土的c、φ值。由表5可見(jiàn),含水率對(duì)麥秸稈纖維加筋黃土強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在黏聚力上,例如,含水率由12.8%增大至15.8%,土樣的黏聚力增加了24.5%,而內(nèi)摩擦角增大了13.6%。

表5 不同含水率加筋黃土的c、φ值Table 5 Values of c and φ of reinforced loess with different water content

圖8為不同含水率的土樣剪切破壞后的形態(tài)。由圖8可見(jiàn),在低于最佳含水率時(shí)(如12.8%),加筋土樣的破壞形態(tài)表現(xiàn)為產(chǎn)生較大的貫通裂縫,并有表面土體的部分剝落,表現(xiàn)為脆性破壞;當(dāng)含水率大于最佳含水率時(shí)(如18.8%),很少產(chǎn)生豎向的裂縫,為典型的土體壓縮剪脹現(xiàn)象;在最佳含水率(如15.8%)情況下,試驗(yàn)剪切過(guò)程中麥秸稈-土體的加筋體的體變量最小,同時(shí)僅產(chǎn)生細(xì)小的表面裂紋,麥秸稈和土體結(jié)合最緊密。結(jié)合土樣變形分析含水率對(duì)秸稈纖維加筋土強(qiáng)度的影響機(jī)理:當(dāng)含水率過(guò)低時(shí),土體較為干燥,麥秸稈與土體之間相結(jié)合較弱,二者之間不能協(xié)調(diào)變形,導(dǎo)致加筋-土樣在變形過(guò)程中孔隙率增大,土體結(jié)構(gòu)性完整被破壞,因而強(qiáng)度較低;隨著土體含水率增大,筋-土之間接觸更加緊密,筋-土間的相互摩擦作用增強(qiáng),同時(shí),水的吸附作用逐漸增加,提高了加筋復(fù)合體的黏聚力,因此加筋黃土的抗剪強(qiáng)度隨含水率增加而增大;但當(dāng)含水率超過(guò)最佳含水率時(shí),隨著含水率的進(jìn)一步增大,筋-土表面的結(jié)合水膜增厚,筋-土間的潤(rùn)滑作用隨之增強(qiáng),導(dǎo)致筋-土間摩擦力降低,因此,加筋土體強(qiáng)度隨著含水率增大而降低。

圖8 不同含水率土樣的剪切破壞形態(tài)Fig.8 Failure modes of soil samples with different water content

3 秸稈纖維加筋黃土微觀作用機(jī)理

將部分破壞后的三軸土樣削樣制作成電鏡掃描(Scanning Electron Microscopy,SEM)試驗(yàn)的試樣,并對(duì)其開(kāi)展SEM試驗(yàn)以分析秸稈纖維加筋黃土的微觀作用機(jī)理。圖9為不同參數(shù)加筋黃土的SEM圖像。由圖9(a)可見(jiàn),在最佳參數(shù)下,土體對(duì)纖維的包裹最為緊密,加筋-土整體性最佳,裸露的秸稈纖維表面可觀察到明顯的土顆粒殘留以及摩擦痕跡,這說(shuō)明筋-土間存在較強(qiáng)的黏結(jié)力和摩擦力,使得纖維的抗拉性能充分發(fā)揮,故而該狀態(tài)的加筋土體強(qiáng)度最高。由圖9(b)、圖9(c)可見(jiàn),在最佳參數(shù)基礎(chǔ)上增加纖維的摻量和長(zhǎng)度,筋-土間出現(xiàn)明顯空隙,纖維表面附著的土顆粒減少,這說(shuō)明加筋土體整體性降低,筋-土間作用力減弱,因此相較于最佳參數(shù),這2種參數(shù)的加筋土體抗剪強(qiáng)度下降。由圖9(d)可見(jiàn),在最佳參數(shù)基礎(chǔ)上增加土體含水率,筋-土間出現(xiàn)了較大空隙,纖維表面較為光滑,幾乎未見(jiàn)土顆粒附著及摩擦痕跡,這說(shuō)明土體含水率過(guò)大使得筋-土間的潤(rùn)滑作用增強(qiáng)、摩擦力下降,因此該土樣的抗剪強(qiáng)度相對(duì)最佳參數(shù)土樣減小。

圖9 不同參數(shù)加筋黃土的SEM圖像Fig.9 SEM images of reinforced loess with different parameters

4 結(jié) 論

本文通過(guò)三軸剪切試驗(yàn)研究纖維摻量、土體含水率和纖維長(zhǎng)度對(duì)麥秸稈纖維加筋黃土應(yīng)力-應(yīng)變特性、抗剪強(qiáng)度和變形的影響,并結(jié)合電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果分析加筋機(jī)理,得到的主要結(jié)論如下:

(1)在黃土中摻入秸稈纖維主要通過(guò)增加黏聚力的方式顯著提升黃土的抗剪強(qiáng)度,但不改變黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型及特征,加筋和未加筋黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈應(yīng)變硬化型。

(2)秸稈纖維加筋黃土的最佳纖維摻量和長(zhǎng)度分別為0.3%和10 mm,最佳含水率為素黃土的最優(yōu)含水率,該狀態(tài)下筋-土間存在較強(qiáng)的黏結(jié)力和摩擦力,纖維的抗拉性能得以充分發(fā)揮。

(3)當(dāng)纖維摻量和長(zhǎng)度超過(guò)最佳值后,纖維與土之間較多的軟弱結(jié)構(gòu)面破壞了加筋土體的整體性,筋-土間的黏結(jié)和摩擦作用減弱,土體抗剪強(qiáng)度降低。

(4)當(dāng)加筋黃土含水率超過(guò)素黃土的最優(yōu)含水率后,筋-土表面的結(jié)合水膜增厚,筋-土間潤(rùn)滑作用增強(qiáng)、摩擦力減弱,導(dǎo)致加筋土體強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度降低。