張 琬,丁九龍,李 波,陳澤一,薛一峰,趙 瑋

(1.西安理工大學 土木建筑工程學院,西安 710048; 2.陜西省水利電力勘測設計研究院 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,在我國分布面積達到64萬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)保護和高質(zhì)量發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略,黃土地區(qū)在水土保持和基礎設施建設領域面臨著前所未有的機遇與挑戰(zhàn)。在這個大背景下,黃土在水和荷載的作用下結(jié)構(gòu)易破壞、強度易喪失是亟待解決的問題[3]。

纖維加筋是改善土體性能的一個有效手段。李廣信等[4]開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,發(fā)現(xiàn)纖維主要通過增加黏聚力來提高土體的抗剪強度。介玉新等[5]進一步將纖維用于邊坡加固中,通過素土和纖維加筋土邊坡的離心模型試驗發(fā)現(xiàn)纖維加筋使得邊坡破壞形式從突發(fā)性向漸進式轉(zhuǎn)變。張丹等[6]采用玄武巖纖維改良膨脹土,通過收縮試驗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]通過無側(cè)限抗壓試驗和劈裂試驗對比合成纖維、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]開展聚丙烯纖維加筋鈣質(zhì)砂的動三軸試驗,提出纖維加筋可有效提高砂土的抗液化性能。

在肯定纖維對土體強度、抗凍融、抗液化等性能提升效果的基礎上,眾多學者還對最優(yōu)加筋參數(shù)開展了研究。比如,李麗華等[9]對玻璃纖維加筋砂土開展直剪試驗,提出最優(yōu)纖維摻量為0.4%;吳燕開等[10]基于無側(cè)限抗壓試驗結(jié)果提出劍麻纖維加筋土的最優(yōu)纖維長度和摻量分別為5 mm和0.2%。此外,纖維加筋土的計算理論也取得了一定發(fā)展:宋金巖等[11]、孫舒等[12]認為纖維加筋土黏聚力的增量與纖維韌度、細度、摻量等參數(shù)有關,并提出了纖維加筋土強度指標的計算公式;張誠成等[13]提出了描述纖維加筋-土漸進性破壞特性的筋土界面本構(gòu)模型,并通過單根纖維的拉拔試驗驗證該模型的合理性。

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力強度;李沛達等[17]、許健等[18]通過承載比、三軸和掃描電鏡等試驗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)過程中的微細觀結(jié)構(gòu)演化機制;褚峰等[19]在纖維紗加筋黃土蠕變特性的基礎上建立了其一維蠕變經(jīng)驗模型;張心語等[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]開展直剪試驗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力學特性研究以外,盧浩等[22]還將纖維加筋應用在黃土邊坡坡面防護中,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)的生土建筑常見的加筋材料,既低碳環(huán)保,又可降低工程造價。但目前秸稈纖維加筋黃土的相關研究較為有限,尤其是其三軸剪切力學特性的研究未見報道。本文開展秸稈纖維加筋黃土的三軸剪切試驗,研究纖維摻量、纖維長度和土體含水率對秸稈纖維加筋黃土強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

試驗材料為黃土和麥秸稈纖維。黃土取自咸陽機場擴建項目工地,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、強度降低。對所取原狀樣開展物理性質(zhì)試驗和擊實試驗,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,長度在5～15 mm,為增加其耐久性,采用環(huán)氧樹脂對其做防腐處理。

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

三軸試驗制樣過程為:將黃土按照表2中設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的方法制作三軸試驗土樣,土樣規(guī)格為Φ39.1 mm×H80 mm的圓柱體,按照重塑土樣98%的壓實度設計工況,分5層壓樣控制,每層干密度為1.69 g/cm3,并對接觸面進行刮毛處理;將制備完成的土樣用錫紙包裹好放入保濕缸內(nèi),保證整個土樣的含水率及密度不發(fā)生變化。

表2 三軸試驗方案Table 2 Test plan of triaxial tests

對每組土樣分別在100、200、300 kPa的圍壓下開展固結(jié)不排水三軸剪切試驗,三軸試驗機可實現(xiàn)無極變速。本次試驗控制軸向應變剪切速率為0.06 mm/min,試驗過程中土樣照片見圖2。剪切過程中,軸向應變每變化0.2 mm時記錄數(shù)據(jù),當土樣的軸向應變>9%時,則在軸向應變每變化0.5 mm時記錄數(shù)據(jù)。

圖2 試驗過程中的土樣Fig.2 Soil sample during test

采用三軸試驗研究纖維摻量、土體含水率和纖維長度這3種因素對秸稈纖維加筋土力學特性的影響,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度分別取3種水平,共開展8組試驗,試驗方案如表2所示。

2 三軸試驗結(jié)果分析

2.1 纖維摻量影響

纖維摻量對加筋黃土剪切特性影響的試驗在最佳含水率15.8%和纖維長度10 mm的工況下進行。圖3為各圍壓下不同纖維摻量加筋黃土的偏應力-軸向應變曲線。由圖3可見,3種圍壓下,加筋黃土和無筋黃土的偏應力-軸向應變曲線形態(tài)一致,表現(xiàn)為偏應力隨軸向應變不斷增加,但增加的速率持續(xù)降低,曲線上無明顯峰值點,呈應變硬化型。各纖維摻量加筋黃土的最大偏應力均大于無筋黃土,可見秸稈纖維可有效增加黃土的抗剪強度。當纖維摻量≤0.3%時,加筋黃土的抗剪強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力-軸向應變曲線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,故本文所述抗剪強度指標為總應力下的強度指標。與無筋黃土相比,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%,可見纖維加筋主要通過增大黏聚力來提高黃土的強度。

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

分析秸稈摻量對加筋黃土強度影響規(guī)律的原因為: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,土體強度隨之增大。②但當纖維摻量≥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,土樣受剪應力時易沿著軟弱結(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,土體中會出現(xiàn)纖維集中某一處的現(xiàn)象[23-24],也會降低土對纖維的握裹作用,造成土體強度降低。

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 纖維長度影響

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

圖5 不同纖維長度土體偏應力-軸向應變曲線Fig.5 Deviatoric stress-axial strain curves of reinforced soil with different fiber lengths

表4給出了不同纖維長度加筋黃土的c、φ值。同纖維摻量、含水率一樣,纖維長度對秸稈纖維加筋黃土強度的影響也主要體現(xiàn)在黏聚力上。在纖維長度小于最佳值10 mm時,纖維長度的增加使得筋-土界面面積增大,從而導致土體對纖維的握裹作用增強,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。而當纖維長度超過最佳值,纖維分布不易均勻,甚至出現(xiàn)折疊,這會造成過多的軟弱結(jié)構(gòu)面,使筋-土間黏結(jié)和摩擦作用減弱,導致土體強度降低。圖6顯示纖維長度為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,這是纖維過長導致土體中軟弱結(jié)構(gòu)面過多所造成的。纖維過長導致加筋土體強度降低的現(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在最佳纖維摻量0.3%和纖維長度10 mm的工況下進行。圖7為各圍壓下不同含水率加筋黃土的偏應力-應變曲線。由圖7可見,相同圍壓下,含水率為15.8%的加筋黃土的峰值偏應力明顯大于含水率為12.8%和18.8%的加筋黃土,而15.8%則是本試驗中素黃土的最優(yōu)含水率。這說明對秸稈纖維加筋黃土的抗剪強度而言,存在一個最佳含水率。

圖7 不同含水率土體偏應力-應變曲線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,含水率對麥秸稈纖維加筋黃土強度的影響主要表現(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,在低于最佳含水率時(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;當含水率大于最佳含水率時(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,試驗剪切過程中麥秸稈-土體的加筋體的體變量最小,同時僅產(chǎn)生細小的表面裂紋,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秸稈纖維加筋土強度的影響機理:當含水率過低時,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,導致加筋-土樣在變形過程中孔隙率增大,土體結(jié)構(gòu)性完整被破壞,因而強度較低;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,同時,水的吸附作用逐漸增加,提高了加筋復合體的黏聚力,因此加筋黃土的抗剪強度隨含水率增加而增大;但當含水率超過最佳含水率時,隨著含水率的進一步增大,筋-土表面的結(jié)合水膜增厚,筋-土間的潤滑作用隨之增強,導致筋-土間摩擦力降低,因此,加筋土體強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)試驗的試樣,并對其開展SEM試驗以分析秸稈纖維加筋黃土的微觀作用機理。圖9為不同參數(shù)加筋黃土的SEM圖像。由圖9(a)可見,在最佳參數(shù)下,土體對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,這說明筋-土間存在較強的黏結(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)的加筋土體強度最高。由圖9(b)、圖9(c)可見,在最佳參數(shù)基礎上增加纖維的摻量和長度,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)的加筋土體抗剪強度下降。由圖9(d)可見,在最佳參數(shù)基礎上增加土體含水率,筋-土間出現(xiàn)了較大空隙,纖維表面較為光滑,幾乎未見土顆粒附著及摩擦痕跡,這說明土體含水率過大使得筋-土間的潤滑作用增強、摩擦力下降,因此該土樣的抗剪強度相對最佳參數(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

本文通過三軸剪切試驗研究纖維摻量、土體含水率和纖維長度對麥秸稈纖維加筋黃土應力-應變特性、抗剪強度和變形的影響,并結(jié)合電鏡掃描試驗結(jié)果分析加筋機理,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增加黏聚力的方式顯著提升黃土的抗剪強度,但不改變黃土的應力-應變曲線類型及特征,加筋和未加筋黃土的應力-應變曲線均呈應變硬化型。

(2)秸稈纖維加筋黃土的最佳纖維摻量和長度分別為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)當纖維摻量和長度超過最佳值后,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,土體抗剪強度降低。

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