寇海磊,黃佳明,袁景泉,張 鵬,洪 波,劉家輝

(1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東 青島 266100;2.海軍后勤部專項(xiàng)工程建設(shè)辦公室,北京 100841;3.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266100)

引 言

我國(guó)在南海地區(qū)的領(lǐng)海面積約為210萬(wàn)km2,接近我國(guó)領(lǐng)?？偯娣e的一半,南海地區(qū)是我國(guó)領(lǐng)土的重要組成部分,不僅有豐富的海洋油氣礦產(chǎn)資源、海洋能資源和熱帶亞熱帶生物資源,還是我國(guó)港口航運(yùn)和對(duì)外貿(mào)易的主要通道,具有重要的戰(zhàn)略意義。作為南海資源開發(fā)建設(shè)的先決條件,大規(guī)模的島礁基礎(chǔ)工程有待于建設(shè)和防護(hù)。鈣質(zhì)砂是南海島礁地基表面常見的一種巖土介質(zhì),具有易破碎和強(qiáng)度低的特點(diǎn),對(duì)其建設(shè)利用和工程防護(hù)帶來(lái)了很大的難題[1]。傳統(tǒng)的海岸帶防護(hù)工程大多采用混凝土構(gòu)件或拋石建設(shè),雖然滿足了海岸帶的防護(hù)需求,但是這些“硬”式防護(hù)材料成本較高,且龐大沉重的結(jié)構(gòu)造成了運(yùn)輸過(guò)程中的困難,在建設(shè)過(guò)程中往往會(huì)對(duì)海灘地貌帶來(lái)負(fù)面影響,加劇海灘的侵蝕破壞和退化,造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[2-3],因此并不適合南海島礁的防護(hù)建設(shè),尋找適用于南海島礁防護(hù)的新方法勢(shì)在必行。

纖維加筋補(bǔ)強(qiáng)土體是一種有效而又經(jīng)濟(jì)的土體改良技術(shù),是指按照一定質(zhì)量比將適長(zhǎng)的纖維細(xì)絲與土料充分拌合形成的一種土工復(fù)合材料。纖維細(xì)絲具有容易拌合及分散性好等優(yōu)點(diǎn),在土體中可以通過(guò)限制其變形來(lái)增加整體的強(qiáng)度,具有近似各向同性的力學(xué)性質(zhì)以及良好的工程性質(zhì)[4]。Rong等[5]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究了加筋砂的抗剪性能,認(rèn)為加筋可以提高砂土材料的粘聚力和內(nèi)摩擦角。Akbulut等[6]在土中摻入橡膠、聚乙烯、聚丙烯等纖維材料,發(fā)現(xiàn)特定的纖維摻量和長(zhǎng)度可以增強(qiáng)土的阻尼系數(shù)和彈性模量。唐朝生等[7]將不同摻量的聚丙烯加入到軟土中,進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),結(jié)果表明土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量增加而成倍提高。宋金巖等[8]采用三軸試驗(yàn)研究了玻璃纖維加筋松散砂土的性能,發(fā)現(xiàn)隨著纖維含量的增加,加筋砂體的內(nèi)聚力不斷增加,但是內(nèi)聚力的增加數(shù)值與纖維含量并不成線性關(guān)系。雖然人工合成纖維具有強(qiáng)度高和耐腐蝕性的優(yōu)勢(shì),但其生產(chǎn)過(guò)程會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,使用過(guò)程難以降解,不具備綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)[9]。近年來(lái),利用自然界豐富的植物纖維代替人工合成纖維加固土體引起了學(xué)者們的興趣。Alrashidi等[10]向水泥土中加入了纖維素纖維,發(fā)現(xiàn)纖維對(duì)水泥土的裂隙發(fā)育有抑制作用。Prabakar等[11]發(fā)現(xiàn)向高孔隙率、低強(qiáng)度和高壓縮性的軟土摻入劍麻纖維能夠顯著提高軟土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。吳燕開等[12]通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和直剪試驗(yàn),研究了不同纖維含量和不同長(zhǎng)度的劍麻纖維對(duì)加筋復(fù)合土體強(qiáng)度的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)劍麻纖維的最優(yōu)加筋含量為0.4%,最優(yōu)纖維長(zhǎng)度為5mm時(shí)加筋復(fù)合土體的強(qiáng)度最高。馬強(qiáng)等[13]通過(guò)三軸試驗(yàn),分析棕麻纖維含量對(duì)加筋土強(qiáng)度的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)棕麻纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度隨纖維含量的增加先增大后減小,最優(yōu)加筋含量為1.2%。魏麗等[14]對(duì)麥秸稈加筋鹽漬土的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明麥秸稈纖維加筋不僅能提高土的黏聚力,還能增強(qiáng)土的抗變形能力。

椰絲作為一種植物纖維,與其它天然植物纖維相比含有更高的木質(zhì)素,因此具有強(qiáng)度高和彈性好以及更耐腐蝕性的特點(diǎn),是一種非常有潛力的環(huán)保型加筋材料[15-16]。在實(shí)際工程中椰絲纖維利用率并不高,已有研究對(duì)椰絲纖維加筋低強(qiáng)度和易破碎的南海鈣質(zhì)砂的相關(guān)研究較少。本文通過(guò)控制椰絲纖維摻量,開展室內(nèi)不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn),對(duì)不同椰絲纖維摻量的南海鈣質(zhì)砂應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、峰值強(qiáng)度及變形模量的影響進(jìn)行了研究,分析了椰絲纖維摻量對(duì)南海鈣質(zhì)砂強(qiáng)度的影響及其加固的機(jī)理,為南海島礁邊坡防護(hù)提供了有價(jià)值的參考,同時(shí)也使得南海地區(qū)大量廢棄未處理的椰子資源得以充分利用,對(duì)節(jié)約成本和保護(hù)環(huán)境具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用砂為南海鈣質(zhì)砂,砂樣經(jīng)篩分后得到得粒徑級(jí)配曲線如圖1所示。實(shí)驗(yàn)開始前選取通過(guò)孔徑為0.63 mm試驗(yàn)篩的鈣質(zhì)砂作為所需加固的砂樣,如圖2所示,砂樣相關(guān)物理參數(shù)如表1所示。

表1 砂樣力學(xué)參數(shù)

圖1 砂樣顆粒級(jí)配曲線

圖2 試驗(yàn)所用鈣質(zhì)砂Fig.2 Calcareous sand used in the test

所用纖維為自然風(fēng)干狀態(tài)的椰絲纖維,如圖3所示,其具體參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)中需要把椰絲剪成10～15 mm長(zhǎng)度的短纖維,通過(guò)控制椰絲纖維的不同摻量來(lái)研究其對(duì)鈣質(zhì)砂強(qiáng)度的加筋效果。

表2 椰絲纖維參數(shù)

圖3 試驗(yàn)所用椰絲

1.2 試驗(yàn)方法

采用濕搗法制備不同纖維摻量的土樣,為確保鈣質(zhì)砂與椰絲纖維更好的拌合,先將砂土與蒸餾水混合,水的重量為土體重量的22%,在該含水率下,纖維在土體的分布會(huì)更加均勻,根據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、0.2%、0.5%、0.8%、1.1%、1.4%、和1.7%的纖維摻量,對(duì)應(yīng)所需鈣質(zhì)砂的質(zhì)量為144.89、144.61、144.17、143.74、143.3、142.87和142.43 g,對(duì)應(yīng)蒸餾水的體積為31.88、31.81、31.72、31.62、31.53、31.43和31.33 ml,將拌合好的土樣分三層裝入貼有橡皮膜的套筒中,采用統(tǒng)一的擊實(shí)錘從相同高度進(jìn)行擊實(shí),最終制得試樣尺寸為Ф39.1 mm×80 mm,質(zhì)量統(tǒng)一為176.77g。

本次研究采用全自動(dòng)三軸儀(北京華勘科技有限公司生產(chǎn))開展不固結(jié)不排水(UU)三軸試驗(yàn),加載速度為0.80 mm/min。考慮到南海島礁海岸帶屬于表層土體,設(shè)定不同纖維摻量下的各組試樣均在圍壓為50 kPa下進(jìn)行三軸試驗(yàn),共進(jìn)行7組試驗(yàn),通過(guò)控制纖維摻量研究椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的力學(xué)特性及椰絲纖維摻量對(duì)加筋效果的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果取試樣軸向應(yīng)變≤20%的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。圖4為不同椰絲加筋含量鈣質(zhì)砂的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線。由圖4可以看出,在不同椰絲摻量加筋的鈣質(zhì)砂在軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)軸向應(yīng)力均趨于穩(wěn)定,在最大應(yīng)力后出現(xiàn)剪切軟化的現(xiàn)象。不同椰絲纖維摻量的加筋鈣質(zhì)砂強(qiáng)度差異顯著。無(wú)椰絲纖維加筋的鈣質(zhì)砂強(qiáng)度最小,最大應(yīng)力只有12 kPa,0.2%椰絲摻量的加筋鈣質(zhì)砂應(yīng)力達(dá)到38 kPa,0.5%椰絲摻量的加筋鈣質(zhì)砂應(yīng)力達(dá)到59 kPa。當(dāng)椰絲摻量為0.8%時(shí),加筋鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度與之前較低摻量相比增加明顯,應(yīng)力達(dá)到127 kPa,是0.5%椰絲摻量的2.2倍。當(dāng)椰絲摻量為1.1%時(shí),加筋鈣質(zhì)砂的應(yīng)力達(dá)到194 kPa;當(dāng)椰絲摻量為1.4%時(shí),加筋鈣質(zhì)砂的應(yīng)力達(dá)到了本次試驗(yàn)中最大,為293 kPa;當(dāng)椰絲摻量為1.7%時(shí),加筋鈣質(zhì)砂的最大應(yīng)力為246 kPa。與無(wú)椰絲纖維加筋的鈣質(zhì)砂相比,椰絲摻量增加至0.2%、0.5%、0.8%、1.1%、1.4%和1.7%時(shí),椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的最大應(yīng)力分別增加了3.2、4.9、10.6、16.2、24.4及20.5倍。椰絲纖維可以促進(jìn)砂顆粒間的接觸,增強(qiáng)砂顆粒之間摩擦,因此鈣質(zhì)砂在加入椰絲纖維后強(qiáng)度有了明顯的提升。

圖4 不同纖維含量砂樣軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系

2.2 纖維摻量對(duì)峰值強(qiáng)度及破壞應(yīng)變的影響

圖5表示不同椰絲摻量加筋的鈣質(zhì)砂達(dá)到峰值強(qiáng)度及其所對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)變,其中峰值強(qiáng)度為土體所能達(dá)到的最大應(yīng)力,破壞應(yīng)變?yōu)橥馏w達(dá)到最大應(yīng)力時(shí)刻的初始應(yīng)變。當(dāng)達(dá)到峰值強(qiáng)度后,椰絲纖維摻量為0%、0.2%、0.5%、0.8%、1.1%、1.4%和1.7%的加筋鈣質(zhì)砂的峰值強(qiáng)度分別為12、38、59、127、194、293和246 kPa,此時(shí)不同椰絲纖維摻量的加筋鈣質(zhì)砂破壞應(yīng)變分別為6%、8%、10%、14%、17.6%、14.8%和12.4%,隨著椰絲摻量的增加,峰值強(qiáng)度及其所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變呈現(xiàn)回轉(zhuǎn)趨勢(shì),當(dāng)加筋鈣質(zhì)砂中的椰絲纖維摻量較低時(shí),增加椰絲纖維摻量可以增大加筋鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度,椰絲纖維摻量為1.4%時(shí),椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的峰值強(qiáng)度最大,為293kPa,繼續(xù)增加到1.7%時(shí),峰值強(qiáng)度有所降低,說(shuō)明椰絲纖維的含量存在一個(gè)最佳摻量。椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的破壞應(yīng)變隨著椰絲纖維摻量的增加先增大后減小,與當(dāng)椰絲纖維摻量為1.4%時(shí),加筋鈣質(zhì)砂的破壞應(yīng)變達(dá)到最大,為17.6%,是無(wú)椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的2.9倍,這是因?yàn)橐欢〝?shù)量的椰絲纖維在鈣質(zhì)砂中交織形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),共同承擔(dān)外界力的作用,從而提高砂土整體的穩(wěn)定性。

圖5 加筋鈣質(zhì)砂處于峰值強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變

2.3 纖維摻量對(duì)割線模量的影響

割線模量是在單向受力條件下,土體應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線上相應(yīng)于50%最大應(yīng)力的點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率,反映了土體的平均剛度。椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的割線模量可按照公式(1)進(jìn)行計(jì)算。不同椰絲纖維摻量加筋鈣質(zhì)砂的割線模量數(shù)值如圖6所示。椰絲纖維摻量為0%、0.2%、0.5%、0.8%、1.1%、1.4%和1.7%的加筋鈣質(zhì)砂對(duì)應(yīng)的變形模量分別為0.78、0.79、1.04、1.50、1.53、2.85和1.97 MPa,椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的割線模量隨纖維摻量的增加先增大后減小,當(dāng)椰絲纖維摻量在0.5%以下時(shí),椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的割線模量與無(wú)椰絲加筋鈣質(zhì)砂相比變化不大;當(dāng)椰絲纖維摻量為1.4%時(shí),測(cè)得割線模量為本次試驗(yàn)中最大,為2.85 MPa,是無(wú)椰絲加筋鈣質(zhì)砂的3.7倍;繼續(xù)增加椰絲摻量至1.7%時(shí),椰絲纖維加筋鈣質(zhì)砂的割線模量有所降低,為1.97 MPa,是無(wú)椰絲加筋鈣質(zhì)砂的2.5倍。割線模量越大,砂土試樣剛度越大,說(shuō)明鈣質(zhì)砂在加入椰絲后,抵抗變形的能力會(huì)得到提高。

圖6 不同纖維含量加筋鈣質(zhì)砂的割線模量

E50=σ′/ε′

(1)

式中,E50為土體的割線模量;σ′為土體50%的峰值強(qiáng)度值;ε′為該峰值強(qiáng)度值所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。

2.4 纖維加筋機(jī)理分析

纖維加筋土體的機(jī)理示意圖如圖7所示。細(xì)長(zhǎng)的椰絲纖維可以填充鈣質(zhì)砂之間的空隙,使得砂顆粒與砂顆粒以及砂顆粒與椰絲纖維能夠充分接觸,從而使得接觸面之間的界面力增加。接觸面之間的界面力可以分為椰絲纖維對(duì)鈣質(zhì)砂法向的壓力N和切向的摩擦力f,當(dāng)土體承受外力時(shí),接觸面之間的作用力增大以及椰絲纖維受拉使其對(duì)砂顆粒間的包裹更為緊密,壓力N增大,接觸面之間的摩擦力也隨之增大,從而發(fā)揮其加筋的作用。另外土體中均勻分布的椰絲纖維錯(cuò)綜交織形成許多交織點(diǎn),其中一根椰絲纖維受到的拉力P可以傳到交織點(diǎn)使錯(cuò)綜的椰絲共同承擔(dān)P的作用,即任何一段椰絲纖維的受力變形都會(huì)受到與其交織的各個(gè)方向纖維的阻止,形成一個(gè)空間約束的作用。當(dāng)超過(guò)最佳摻量時(shí),纖維在土體中無(wú)法均勻分布,多余的纖維會(huì)在土體中集中形成隔斷層,導(dǎo)致纖維無(wú)法跟砂土充分接觸,因此會(huì)降低抗剪強(qiáng)度。

圖7 纖維加筋機(jī)理示意圖

3 結(jié)論

本文通過(guò)改變椰絲纖維摻量,在圍壓為50 kPa的條件下進(jìn)行鈣質(zhì)砂的室內(nèi)不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn),分析了不同椰絲摻量加筋鈣質(zhì)砂的各種強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律,所得結(jié)論如下:

(1)椰絲纖維填充鈣質(zhì)砂顆粒間的空隙因此增大了砂顆粒與砂顆粒、砂顆粒與椰絲之間的壓力和摩擦力,均勻分布的椰絲纖維還可以錯(cuò)綜交織形成椰絲纖維網(wǎng)從而將顆粒連接成一個(gè)整體共同受力,形成一個(gè)空間約束,從而發(fā)揮其加筋效果。

(2)鈣質(zhì)砂的加筋效果并不是隨椰絲摻量越多越好,而是存在一個(gè)最佳摻量。本次試驗(yàn)測(cè)得當(dāng)椰絲摻量為1.4%時(shí),加筋鈣質(zhì)砂的峰值強(qiáng)度和抵抗變形的能力最高,對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度和變形模量分別為293 kPa和2.85 MPa;當(dāng)椰絲摻量為1.1%時(shí),加筋鈣質(zhì)砂的延性最好,對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)變?yōu)?7.6%。

(3)椰絲纖維作為一種加筋材料,可以有效提高鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度和抵抗變形的能力,不同椰絲摻量加筋鈣質(zhì)砂的加筋效果在軸向應(yīng)變大于10%時(shí)差異顯著。