随机分布剑麻纤维对砂土力学特性的影响

钟汉林,刘春辉,张 俊,曲淑英

(烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005)

天然砂土结构松散具有易侵蚀、易冲刷、易液化的特点,由于其不稳定会引起各种工程地质问题．因此,大多数天然松散砂土需要加固以满足工程要求．当前,砂土加固的方式主要可以分为化学加固和物理加固2种．化学加固主要通过在土体中添加适当比例的水泥、石灰、粉煤灰或高分子土壤稳定剂以增强其强度与稳定性[1]．但是,大多数化学加固会对环境产生不可恢复的负面影响．物理加固主要是在砂土中添加土工织物、土工格栅以及各种类型的随机分布元素等材料,通过砂土与添加物之间的物理相互作用以增强其力学性能．作为物理加固的一种,随机分布纤维价格低廉,取材方便,且对砂土力学性能增强效果明显,而被广泛用于各类工程建设中,成为地基改良的一种有效手段[2]．

随机分布纤维由于其在地基改良中展现的优越性能,而引起国内外学者的广泛关注．例如,早在1986年,GRAY等人针对连续定向织物层和随机分布离散纤维加固砂土进行了对比三轴试验,发现采用随机分布纤维比用连续定向织物层在土壤改良上具有更好的加固效果,随机分布纤维具有更好的抗剪切强度[3]．IBRAIM等探讨了用短纤维改良松散砂土的应力应变响应,发现无论纤维含量如何,有效应力路径与固结结束时的平均有效应力不随纤维含量发生改变;由于纤维分布的各向异性,在大应变下压缩与拉伸试验得到的动摩擦角不同[4]．孙红等采用三轴试验研究了非增强和玻璃纤维增强松散砂土的性能,发现随着纤维含量的增加失效偏应力和砂复合材料内聚力不断增加,但是内聚力的增加与纤维含量不成线性关系[5]．SRIDHAR等发现使用椰壳纤维作为砂土的增强材料,能有效地提高砂土的承载力[6]．ALI通过无侧限抗压强度试验研究玻璃纤维增强砂土的力学特性,发现玻璃纤维能够显著提高砂土的工程和力学性能,且当玻璃纤维平行于潜在的弱化平面时,纤维对砂土的增强效果更加明显[1]．NOORZAD和FARDAD探讨了随机分布纤维在提高松散和中等密实砂土剪切模量方面性能,结果表明未增强和增强试样的剪切模量随着纤维含量的增加剪切模量增加[7]．总结现有研究成果发现,当前研究主要集中在采用土工合成材料或使用人工合成纤维(聚丙烯纤维、玻璃纤维等)加固松散砂土,以提高其剪切强度,较少学者研究天然纤维(特别是耐腐蚀的天然纤维)改良天然砂土的物理力学性能;此外,现有研究主要关注随机分布纤维加固松散砂土的抗压与抗剪强度,鲜有文献报道采用随机分布纤维增强密实砂土力学的特性．

剑麻纤维质地坚韧,耐盐碱、耐腐蚀,是一种优良的天然纤维[8]．为此,本文采用三轴试验研究随机分布剑麻纤维增强密实海洋砂土的力学特性,将纤维含量、纤维长度、围压、相对密实度作为参数变量,对含水率为10%的试样进行了39组三轴试验．定量分析了纤维含量、纤维长度、围压以及相对密实度对砂土力学性能的影响,丰富了采用随机分布纤维加固地基土体的相关理论．

1 试验材料

本文采用的砂取自烟台大学东门海边．颗粒级配曲线如图1所示,基于该颗粒级配曲线得到:D50=0.42 mm,不均匀系数Cu=D60/D10=3.61,曲率系数Cc=D302/(D60×D10)=0.58,砂的比重Gs=2.16．本试验采用的纤维为剑麻纤维(图2),采用的纤维长度分别为6 mm、12 mm和18 mm,纤维的基本物理力学参数[9]如表1．在本文中,纤维含量定义为wf,wf=Wf/Ws,其中Wf是纤维的重量,Ws是干砂的重量．试验采用TCK-1型应变控制式三轴仪作为试验装置(如图3)．

图1 颗粒级配曲线

图2 剑麻纤维

平均直径/mm拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa断裂伸长率/% 0.18537222.5

图3 TCK-1型应变控制式三轴仪

2 试验方案

2.1 试样制备

本试验所制备的试样直径为3.91 cm,高度为8 cm,采用LADD[10]推荐的湿式捣固法制备指定相对密实度的均匀试样．该方法常被用于制备纤维增强砂土试样,制备过程主要分为三步:称量、混合和成样．第一步,根据确定的相对密实度,称量相应砂土与纤维的重量．本文研究砂土的相对密实度为60%、70%、80%,对应所需砂的质量分别为157.2 g、160 g、164.2 g;0.3%纤维掺量对应所需纤维质量分别为0.47 g、0.48 g、0.49 g,0.6%纤维掺量对应所需纤维质量为0.94 g、0.96 g、0.98 g．第二步,纤维和砂的混合．试验中,为使砂与纤维具有较好的和易性,先将砂与水混合,水的重量为土颗粒重量的10%,在该含水量下,纤维在砂中分布更加均匀,且能够防止试样在转移过程中出现纤维飘浮,待砂与水充分搅拌后,将纤维加入砂中用电动搅拌机进行混合,直至纤维与砂分布均匀．第三步,成样．为防止试样在转移过程中发生扰动,纤维增强砂土试样在设备底座上直接制备成型．

2.2 试验程序

采用不固结不排水三轴试验研究砂土的改良特性,共进行39组试验,以定量分析纤维含量、纤维长度、相对密实度以及围压对随机分布剑麻纤维加固海洋砂土试样应力-应变与强度特性的影响．具体试验方案见表2．

试验步骤:在样品制备完之后拆除模具,然后安装压力室外罩并填充水,施加相应的围压,关闭孔隙压力阀门,微调压力机升降台,使活塞与试样接触．将轴向测力计和轴向变形百分表读数均调为零．试验过程中剪切速率为每分钟应变0.8%．试验结束后,关掉电机,打开排气阀,排掉压力室里面的水,最后拆除试样．

3 试验结果与讨论

3.1 纤维含量对砂土性能的影响

图4为纤维长度是6 mm、12 mm、18 mm下,未加筋试样与0.3%、0.6%纤维加筋试样的典型应力-应变曲线．加筋砂土表现出典型的应变硬化特性,本试验将加筋砂土轴向应变为5%处的偏应力值作为强度峰值．从图4(a)可以看出,当纤维长度(简称FL)为6 mm,而围压(简称CP)和相对密实度Dr一定的情况下,未加筋试样的偏应力值达到394.63 kPa,当加入0.3%和0.6%剑麻纤维后,砂土的偏应力值明显提高,对应的偏应力值分别为460.02 kPa与509.63 kPa,此时加筋砂土偏应力强度峰值比纯砂分别增加了16.6%、29.1%．在纤维含量为0.3%和0.6%试样中,在偏应力-应变曲线中没有观察到峰值,直到5%以后的应变才出现常规使用性失效状态,而未加筋试样在应变为4%时出现了最高偏应力峰值,这跟MALIAKAL[11]对黏土加固后得出的失效状态结论相似．

从总体上看砂土剪切强度随纤维含量的增加呈上升趋势,但相较于纤维掺量为0.3%的情况,0.6%的纤维含量对砂土强度的提升能力逐渐减弱．由此可见,在砂土中加入适当的纤维,能有效地提高砂土的抗剪强度．这是因为当纤维加筋土受力发生变形时,由于摩擦力的作用,纤维在界面上会受到土体的拉伸,同时土体会受到纤维的反作用约束应力,从而有效限制了砂样的变形,提高颗粒间的相互作用力进而提高了土的强度[12-13]．此外,纤维还能够

表2 试验方案

在砂样中形成三维网状结构,约束土样的变形或砂土颗粒的位移,从而提高砂样的力学强度．而当纤维掺量过低时,纤维难以成网,限制了纤维对砂土强度的贡献,而当纤维掺量过高时,容易形成纤维弱化平面,引起应力集中[14]．因此,选择适当比例的纤维能增加砂土的承载力,使纤维的加筋作用得到最优发挥．

图4当围压CP=100 kPa、相对密实度Dr=60%时,不同纤维含量的应力应变关系

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

3.2 纤维长度对砂土性能的影响

图5(a)为纤维含量是0.3%时,不同纤维长度对砂土力学性能的影响,而图5(b)为纤维含量是0.6%时,不同纤维长度对砂土力学性能的影响．从图5(b)中可以看出,当CP=100 kPa、Dr=60%,wf=0.3%的情况下,纤维长度为6 mm加筋砂的偏应力峰值达到460.02 kPa,而纤维长度为12 mm与18 mm加筋砂的偏应力值分别为556.99 kPa与690.03 kPa,峰值强度分别提高了21.1%、50.0%．由此可见纤维长度对改变砂土的应力应变曲线具有明显效果,随着剑麻纤维长度的增加偏应力值进一步提高．主要是因为纤维长度增加了纤维与砂的接触表面积,提高了纤维与砂土颗粒之间的界面摩擦,使得内摩擦角增大,且纤维的较大拉伸强度和刚度又可限制相关土壤颗粒的位移,因此导致剪切强度增大．

图5当围压CP=100kPa、相对密实度Dr=60%时,不同纤维长度的应力应变关系

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

3.3 相对密实度对砂土性能的影响

图6是对6组砂样进行三轴压缩试验,测得的相对密实度对加筋试样的应力应变曲线．从图6(b)中能明显看出,当CP=100 kPa、wf=0.6%、FL=12 mm的情况下,当以5%轴向应变作为试样的偏应力峰值,Dr=70%的试样对应的偏应力峰值为638.17 kPa,Dr=60%与Dr=80%试样相应的偏应力值分别达到701.31 kPa和978.67 kPa,峰值强度分别提高了10.0%、53.4%．由此可见,相对密实度能够提高砂土的承载能力．出现这种现象的主要原因,试样的相对密实度越大砂土颗粒之间的锲合力越大,砂土颗粒与纤维之间内部摩擦力也就越大,所以砂土的抗剪强度得到有效的提高．因此,相对密实度是影响纤维加固力学特性的一个重要因素,随着砂土相对密实度的增加纤维加固的效果越来越明显,砂土具有更好的抗剪能力．

图6当围压CP=100 kPa、纤维长度FL=12 mm时,不同相对密实度的应力应变关系

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

3.4 围压对砂土性能的影响

图7(a)和7(b)分别显示了不同纤维长度以及不同纤维含量下剑麻纤维增强砂土典型的主应力包络线．从图中可以看出,未加筋砂和加筋砂的主应力包络线明显不同,未加筋砂的应力包络线接近直线,而加筋砂的应力包络线几乎呈曲线状,且加筋砂具有明显的拐点,我们把这个拐点称为临界正应力点[12],在围压超过临界正应力后,主应力包络线斜率减小,表明纤维的加固效果减弱．其原因是,在低于临界正应力时,试验过程中纤维很少或没有被拉伸,纤维相对土颗粒发生滑动摩擦,增大了砂土的内摩擦角;当超过临界正应力后,纤维发生拉伸或屈服,但很少能被拉断,从而提高了砂土的黏聚力[11,15]．

图7当相对密实度Dr=60%时,不同纤维长度下和不同纤维含量下的主应力包络线

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

4 结 语

本文通过一系列三轴压缩试验,研究了随机分布剑麻纤维对中等密度和密实海洋砂土进行加固后的力学性能．定量分析了纤维含量,纤维长度,相对密实度和围压对随机分布剑麻纤维加筋砂样抗剪强度的影响,得出结论如下:

(1)随机分布纤维的加入能显著地提高砂土的强度,剑麻纤维加固的试样要比未加筋试样的抗剪切强度明显增加,选择适当比例的纤维,能使纤维的加筋作用得到最优发挥．

(2)纤维长度对改变砂土的应力应变曲线具有明显效果,随着剑麻纤维长度的增加,纤维与砂土颗粒的界面摩擦增大,从而提高了试样的强度,因此,选择一定长度的纤维能使砂土具有更高的强度．

(3)相对密实度也是影响纤维加固力学性能的重要因素之一,随着砂土相对密实度的增加纤维加固砂土的抗剪强度逐渐增大．

(4)围压在一定范围内对改善纤维加筋砂土的力学性能具有一定程度的影响,超过临界正应力后加固效果减弱．