水泥改性加筋土的筋-土界面剪切特性试验研究

汪雄进

(江西建设职业技术学院，南昌 330200)

0 引 言

近年来，土工织物材料在衬砌、地基与边坡等工程中得到了广泛应用[1]。土工织物因其轻质、抗拉、施工方便、工程改良效果显著等优点得到了相关专业学者的重点关注[2-3]。随着公路、水利等边坡工程的快速建设，边坡的工程地质条件愈发复杂。对于一些工程性质不良的土体，采用水泥改性的方法可以改善土体的强度、耐久性、密实度等工程特性[4]。因此，综合采用土工织物和水泥改性的方法，在地基和边坡工程中的运用已经越来越常见[5-6]。

基于加筋水泥改性土在工程中推广使用的现状，综合考虑水泥土与土工织物界面力学性质的研究已经成为一个热点[7]。土体大型直接剪切试验机是一种研究土工织物性能的常见仪器。目前，已有很多学者对水泥加筋土的筋-土界面的力学性能开展大量试验研究，Goodarzi等[8]对地基的水泥土与土工织物间的剪切曲服特性开展研究，分析了筋-土相互作用的界面效应；Abdelkader等[9]通过大型直剪试验对加筋水泥土强度受土工织物类别的影响开展研究，提出压实度是界面强度特征最主要的影响因素之一；刘飞禹等[10]指出影响土工织物与水泥改性砂土的界面强度受多重因素的影响，包括砂土颗粒级配特征、土工织物强度与砂土强度特征等；符昂[11]对土工织物-水泥土的界面开展剪切试验，研究了界面强度受土体类别的影响规律；王俊林等[12]通过直剪试验对土工织物与路基填料试样进行了拉拔试验，结果表明界面强度的影响因素与土工织物的工程参数有关；邓林飞等[13]研究了纤维加筋水泥土界面三轴剪切试验结果，重点分析了聚丙乙烯纤维的含量及法向压力对界面强度的影响。前人的研究说明土工织物与水泥土界面强度的影响因素是多重的，如何从机理上认识界面强度的特点是一个值得重点关注的课题[14-16]。目前，对于水泥土-土工织物界面剪切强度受水泥土自身物理性质影响的研究还不透彻，考虑水泥掺量对筋-土界面的强度特性的影响研究还比较少见。

本文在通过开展土工织物-水泥土试样的室内大型直接剪切试验，对比不同水泥掺量对筋-土界面强度指标的影响规律，并结合SEM扫描的微观形态解释土工织物的作用机理，旨在通过剪切试验研究边坡滑坡段的筋-土界面力学行为，为不良土体的边坡加固工程设计提供借鉴与参考。

1 实 验

1.1 设备和方法

本研究采用TSY-1型土工合成材料大型剪切试验机，仪器如图1(a)所示。仪器部件主要包括垂直向液压加载装置、水平向油压数显加载装置、水平向位移和垂直向位移应变仪、承载板以及尺寸为55 cm×55 cm×20 cm的矩形剪力盒。仪器中的剪切盒分为上、下盒两个部分，上盒的位置在材料变形过程中保持不变，下盒在水平荷载作用下发生水平位移，下盒的最大允许位移可达10 cm。试验过程中的剪切应力和剪切位移由电子控制系统实时采集记录。试验采用的水平剪切速率为0.5 mm/min。

试验开始前，将土工织物粘贴在一块尺寸为55 cm×55 cm的玻璃板上。试验中材料的受力示意图如图1(b)所示，上部放置平板并施加不同数值大小的法向压力σv并静置24 h；然后将土工布安装于下盒顶部，并在上盒填装水泥土；最后对试样施加水平向的剪切应力τ。试验中的法向压力σv主要通过钢板向下传递，水平向剪切应力τ要通过液压装置施加，作用点在直剪试样1/2高度处。剪切过程中，宽度为Δx的土工布受剪切应力作用发生水平向的位移Δw，试样的应变ε=Δw/Δx。

图1 试验设备及原理图Fig.1 Test equipment and principle

1.2 试验用土工织物

试验采用的土工织物为南京市上城非织造材料有限责任公司生产的黄色丙纶无纺土工布。土工织物为矩形，沿剪切位移方向的长度为600 mm，宽度为200 mm，试验过程中保证水平剪切位移处于100 mm以内，采用的土工织物物理力学性能参数见表1。

表1 土工织物基本参数指标Table 1 Basic parameter index of geotextile

1.3 水泥改性土

试验土体的取样地点位于某地一处边坡滑坡段，试验区地层上覆第四系砂土，在滑坡段开展取样，得到该地区砂土运送至实验室。该地的砂土属于级配不良土体，为了改善该滑坡处砂土的力学特性,采用普通硅酸盐水泥(P·O 42.5)对砂土进行改性，本文采用0%、2%、4%、6%和8%五种水泥掺量进行水泥改性土配置试验。将试验用的硅酸盐水泥、砂土和水按一定比例，在实验室的常温常湿条件下充分搅拌均匀，本试验的设计水固体比为0.15。试样配制前将砂土进行筛分，然后将砾石(粒径>0.75 mm)，砂粒(粒径>0.75 mm)和粉、黏粒(粒径≤0.75 mm)三种粒径的颗粒按照5∶8∶7的质量比进行配合。然后根据表2所示的配合比进行备料。采用砂浆泥浆搅拌机进行搅拌，在试验中充分搅拌物料使水泥土尽量在不损失强度前提下保留一定流动性。最后，将拌合好的试样在相对湿度为95%,温度为25 ℃的条件下进行养护，养护时间持续24 h。

表2 1 kg水泥土的基本配合比Table 2 Basic proportion of 1 kg cement soil

不同水泥掺量的水泥改性土基本物理特性由实验室的土工试验得到，试验结果如表3所示。从表中可以看出，随水泥掺量增加，水泥改性土试样的单轴抗压强度明显增加，密度和比重也有增加趋势，而孔隙比、渗透系数等有减小的趋势，说明水泥掺量是水泥改性土的重要参数之一。

表3 水泥土基本物理力学性质指标Table 3 Basic physical and mechanical properties of cement soil

2 结果与讨论

2.1 应力应变曲线

大型直接剪切试验是工程中确定岩土材料剪切强度参数的有效手段。在试验中施加不同数值的法向应力以得到土工织物-水泥土界面相应的应力-应变曲线，由此计算试样的抗剪强度参数。本实验考虑了不同水泥掺量s对土工织物-砂土界面抗剪强度的影响。由不同法向应力作用下的5种水泥掺量(s=0%～8%)的土工织物-水泥土试样的应力-应变曲线，如图2(a)～(e)所示。从图2可以看出法向应力σv为0 kPa的应力-应变曲线没有明显的峰值应力点，并且强度明显较小。存在法向应力σv作用的应力-应变曲线为应变弱化形曲线，剪切应力随应变增长先升高再下降，最后保持稳定，有明显的峰值应力点。应变软化形的应力-应变曲线经历了以下三个阶段。

(1)初始线弹性阶段：应力-应变曲线呈直线上升。试样在剪切作用下土工织物-水泥土界面在挤压约束作用下产生压密效应，在剪应力作用下砂土结构进行调整，而抵抗剪切作用。

(2)弹塑性剪切阶段：应力-应变曲线呈屈服状态。在剪切力进一步作用下，经过挤压的土颗粒与土工织物的接触面发生相互作用，剪应力主要以接触面附近颗粒的摩擦作用和粗糙凸起颗粒之间的啮合作用主导。此时，剪应力随着剪切过程继续增加，但增长速率逐渐减小。

(3)软化阶段：应力继续发展，达到峰值后，剪切作用下土工织物-水泥土的接触面沿剪切方向出现滑移摩擦，应力随应变发展而逐渐下降，材料进入残余变形阶段。

图2 土工织物-水泥土界面应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of geotextile-cement soil interface

2.2 抗剪强度指标

黏聚力和摩擦角是筋-土抗剪强度的重要指标，也是进行土工材料设计的基本参数[17]。用直剪试验得到不同法向压力下的峰值剪应力值，利用摩尔-库伦准则可以获得抗剪强度指标τf，本文获得的土工织物-水泥土界面的峰值应力与固结压力的关系曲线，即应力包络线如图3所示。从图3可以看出，随着固结围压的增加，筋-土界面的抗剪强度也明显上升，且不同水泥掺量试样的强度值与固结围压值保持相关性较好的线性关系。根据摩尔-库伦准则，可以由应力包络线求出筋-土界面的黏聚力c与摩擦角φ。对比不同水泥掺量下应力-应变曲线的异同，可以发现虽然土工织物-水泥土界面的应力-应变关系曲线的变化形式相似，但随水泥掺量增加，相同应变条件下的界面应力值明显有所提升。这主要是因为随着水泥掺量的增加，砂土内部的水泥水化物含量增加，颗粒相互之间的粘结强度提高，使得剪切力作用在土工织物-水泥土界面时，水泥土可以发挥更大的承载剪切力作用的能力。

图3 土工织物-水泥土界面强度包络线Fig.3 Strength envelope curves of geotextile-cement soil interface

图4 黏聚力和摩擦角与水泥掺量的关系Fig.4 Relationship between cohesion, friction angle andcement content

如表4和图4所示，可以看出不同水泥掺量试样的界面摩擦角φ和界面黏聚力c总体上均与水泥掺量保持线性上升的关系，且摩擦角和黏聚力的变化幅度均较大。说明了水泥掺量的大小直接影响土工织物-水泥土直间的粘结和接触关系[18]。水泥掺量的升高对水泥土颗粒与土工织物间的摩擦力影响比较有限，进而使土工织物-水泥土界面摩擦角增长幅度较小。筋-土界面黏聚力主要取决于水泥土颗粒之间的粘结关系与土工织物的抗拉强度，水泥水化物可以作为砂土颗粒的胶凝材料，界面黏聚力受水泥掺量的影响相对较大。

表4 土工织物-水泥土界面的强度试验结果Table 4 Strength test results of geotextile-cement soli interface

2.3 剪切破坏形式

对剪切试验的土工织物破坏前后的形态进行拍照记录，如图5所示。从图中可以看出试验前的土工布形态完好，纤维排列紧密，而经过水平剪切应力作用后，土工布发生拉张破坏，土工布中间部位的纤维出现断裂，形成明显的破口，且破口的形状近似于圆形。与此同时，采用扫描电子显微镜技术(SEM)对土工织物在破坏前后的微观形态进行了探究。结果如图6所示，从放大2 000倍的SEM照片可以看出经过剪切破坏后，原本排列整齐、致密的织物纤维变得杂乱无序，并且纤维之间的间距明显扩大，材料内部结构比较疏松。土工织物破坏形式与微观形态表明了在直剪试验过程中，土工织物在水平剪切应力作用下，其内部存在拉应力，在土工织物-水泥土界面起到阻止或减少材料发生水平位移的作用[19-20]。

由试验结果表明：水泥掺量和土工织物的性质共同决定了水泥土与土工织物界面的工程力学特性，对土体的抗剪切强度均有重要影响。在砂土中掺入一定含量的水泥可以有效改善工程性能不良土体的粘结性能，从而显著提高筋-土界面的黏聚力[21]，而在土质边坡内部铺设土工织物起到减弱岩土体滑动趋势的作用，对筋-土界面的抗拉抗裂性能有明显改善效果[22]。因此，综合采用水泥改性与铺设土工织物的方法既可以增加坡面土体的粘结强度，又可以减缓土体位移的发生，对于降低边坡滑塌隐患，加固防护工程具有很好的适用性，在实际工程中有较好的推广效果。

图5 土工织物的破坏形式Fig.5 Failure forms of geotextiles

图6 土工布的破坏前后的SEM照片Fig.6 SEM images of geotextiles before and after damage

3 结 论

(1)通过开展土工织物-水泥土界面的大型直接剪切试验，发现不同水泥掺量的试样应力-应变曲线经过线弹性、弹塑性和应力软化3个不同变形阶段，且应力峰值随水泥掺量增加有明显上升趋势。

(2)筋-土界面的黏聚力与摩擦角随水泥掺量增加均呈线性上升趋势，且黏聚力受影响的程度明显更大，说明了水泥掺量的大小对砂土体内部颗粒的粘结关系具有显著影响，而对界面的摩擦关系影响较小。

(3)根据土工织物的破坏形式与SEM微观形态发现在大型直剪试验过程中，土工织物内部纤维受拉应力作用，在土工织物-水泥土的界面起到阻止或减少水平位移的效果。

(4)在实际边坡工程中综合采用水泥改性与铺设土工织物的方法，能够有效地降低滑坡隐患和加固边坡防护工程。