棕榈纤维加筋植被混凝土三轴试验研究

潘 波，丁 瑜 ，黄晓乐，高 峰，许文年，刘大翔

(1.三峡大学土木与建筑学院，宜昌 443002；2.三峡大学,防灾减灾湖北省重点实验室，宜昌 443002；3.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，宜昌 443002)

0 引 言

植被混凝土是一种常用的边坡生态防护基材，近年来已在水电、交通和市政等领域获得广泛应用，取得良好的实施效果[1]。作为人工改良土体，植被混凝土基材良好的强度、抗冲刷性能可满足工程防护要求，其多孔结构特征有利于植被生长，快速实现坡面生态防护的目的[2]。实际工程中，由于灌溉养护和降雨影响，部分基材可能因干湿循环作用而降低强度，发生错动、脱落。国内外相关研究表明，纤维加筋可显著改善土体力学性能，提高土体强度[3-8]。在植被混凝土基材中掺入纤维，探索加筋基材在不同干湿循环条件下的强度变化规律，这将对提升和改进边坡生态防护工程技术具有重要的现实意义。

对于工程中常见的各类土体，纤维加筋有助于提高和改善土体的物理力学性能。李广信等[3]发现，掺入聚酯纤维不仅能显著提高黏性土的抗剪强度，还能增加黏性土在拉应力作用下的塑性和韧性。棕榈纤维除提高黏性土的抗剪强度外，还能明显增强土的抗变形能力[4]。此外，研究还发现，黏性土掺入纤维后，土体内摩擦角变化较小，但黏聚力随纤维掺量增加而明显增大[5]。对于膨润土，聚酯纤维可显著提高土体的抗拉强度，并使膨润土的破坏模式由脆性转化为塑性[6]。Roustaei等[7]发现，在冻融土体中加入纤维，可在一定程度上降低冻融循环对土体造成的破坏。在水泥土中掺入聚丙烯纤维后，土样的抗剪强度明显提高，脆性破坏也得到改善[8]。

目前，有关生态护坡基材加筋的研究报道较少[9]。为此，选取棕榈纤维作为植被混凝土基材的加筋材料，采用三轴试验分析干湿循环作用下加筋基材的抗剪强度及应力-应变关系，探讨不同的纤维掺入量对加筋基材抗剪强度及抗变形能力的影响。本研究可为改良基材配置，改进植被混凝土生态防护技术提供必要的数据和依据。

1 实 验

1.1 试验材料

植被混凝土基材由种植土、水泥、有机质、活化添加剂等材料配制而成。试验用种植土选用宜昌本地黄棕壤，土样取回后经风干碾碎，过2 mm筛备用，其基本物理性质见表1。试验用水泥为宜昌华新水泥生产制造厂生产的 P·C 32.5复合硅酸盐水泥。有机质为当地木材加工厂的棕树锯末，风干后过2 mm筛备用。活化添加剂为湖北润智生态科技有限公司生产的润智生态剂。试验用棕榈纤维为宜昌五峰深山百宝庄的天然特级棕丝，其物理力学参数见表2。

表1 土样物理性质指标Table 1 Physical properties of soil

Note:Cuis curvature coefficient,Ccis nonuniform coefficient.

表2 纤维基本物理力学参数Table 2 Basic physical and mechanical parameters of fiber

1.2 试验方案

根据实际工程，种植土、水泥、有机质、活化添加剂分别按质量比100∶8∶6∶4来配制植被混凝土基材。基材中棕榈纤维的掺量按纤维与混合料干质量之比设置为0.2%、0.4%、0.6%和0.8%，不掺入纤维的基材作为空白对照样。根据上述设计配合比，先将各材料初步混合，加入自来水直至基材含水量为20%时将混合料拌和均匀。再按掺入量分批加入棕榈纤维，搅拌时间不少于5 min，使棕榈纤维在基材中分布均匀。

制样时，所有试样干密度均控制为1.35 g·cm-3，试样模具为高80 mm、内径39.1 mm的圆柱形模具。根据模具尺寸，称取拌合均匀的纤维加筋基材混合料，将其均匀分成3份，依次加入模具内，分层击实。每组试样制作3个平行样，置于温度25 ℃、相对湿度为90%的养护箱中养护7 d。随后，将试样取出，在室内抽真空饱和48 h(测得试样饱和含水量为29.85%)。将饱和后的试样放入电热鼓风干燥箱中，在50 ℃温度下脱湿至含水量为5%，此为1次干湿循环。分别考虑0次、5次、10次干湿循环，对比和分析不同干湿循环次数对试样三轴剪切力学性能的影响。

实际工程中，边坡坡面的植被混凝土基材固结、排水作用不明显，故采用不固结不排水(UU)三轴剪切试验测试基材强度。试验所用仪器为南京土壤仪器厂生产的TSZ30-2.0应变控制式三轴仪。试验时，围压分别设置为10 kPa、30 kPa和50 kPa，剪切速率为4.5 mm/min。破坏标准取偏应力峰值点，当无峰值点时取轴向应变达20%时的偏应力。

2 结果与讨论

2.1 试样破坏特征

三轴试验过程中，空白对照样强度达到峰值后，随剪切变形急剧下降，剪切破裂面快速扩展贯通。试样破裂面角度为58°～63°(图1)。图1(a)从左至右分别为0次、5次和10次干湿循环后空白对照样的照片，可以看出，随干湿循环次数增加，剪切破裂面较为规整，破裂角变化不明显，试样鼓胀变形微弱，呈现出典型的脆性破坏特征。棕榈纤维加筋试样在破坏前期会产生少量细小的竖向裂缝，随着轴向应力增加，竖向裂缝的数量及宽度随之增加，破坏的剪切面开始形成。图1(b)从左至右分别为0次、5次和10次干湿循环后加筋试样的照片，可以看出加筋试样达到破坏时的剪切变形明显大于空白对照样，剪切变形过程伴随明显的鼓胀变形特征。加筋试样的剪切破坏特征，说明纤维加筋对基材有侧向约束作用，明显改善了基材抗剪切破坏的变形能力[10]。对比发现，空白对照样和纤维加筋基材的破坏特征有明显差异，空白对照样的破坏均为脆性破坏，而棕榈纤维加筋试样则趋向于延性破坏。

图1 不同干湿循环次数下的试样破坏照片Fig.1 Damage photos of samples with different dry and wet cycles

棕榈纤维加筋试样中，纤维与土体相互作用、纤维与纤维间的交织作用对基材起到加筋作用，纤维之间会互相阻挡各自的位移，增强试样的整体性[11]，改善了基材的剪切力学性能。棕榈纤维加筋基材剪切面照片如图2所示。加筋试样受到剪切作用时，离散分布的纤维可显著增大试样的侧向约束力，因而试样破坏表现为由脆性破坏向延性破坏发展。此外，加筋试样破坏后，在棕榈纤维加筋基材的剪切面，部分离散的纤维被剪断或拔出，未被拔出的部分被周围土体紧紧包裹。一方面，由于剪断或一端被拉脱的棕榈纤维增加了破裂面粗糙度，另一方面，大量未剪断和拔出的纤维仍作用于剪切破裂面，加筋试样剪切破坏后的残余强度明显高于空白对照样。

图2 棕榈纤维加筋基材剪切面照片Fig.2 Shear plane photos of palm fiber reinforced substrate

2.2 应力-应变关系

不同干湿循环次数下，三轴试验得到的应力-应变关系曲线(σ3=30 kPa)如图3所示。当轴向应变较小时，0次干湿循环下，试样的应力-应变曲线近似重合，说明各掺量下试样的初始刚度接近相同[12]。5次干湿循环后，空白对照样初始刚度明显降低，10次后空白对照样、0.6%和0.8%掺量下的试样初始刚度降幅较大。分析认为，基材在干湿循环作用下产生胀缩现象，内部空隙增大，掺入适量纤维可有效抑制干湿循环的不利影响。然而过多掺入纤维也会形成“隔层”，增大基材试样内部空隙，因此未掺纤维和纤维掺量较高试样在试验初期均呈现明显的压密特性[13]。随着轴向应变的增加，空白对照样在达到峰值强度后，偏应力迅速下降后持续减小。纤维加筋试样的偏应力随轴向应变的增加平缓上升，达到峰值强度后缓慢下降。空白对照样应力-应变曲线呈明显应变软化特征。掺入纤维后，试样的应力-应变曲线由应变软化型变为弱应变软化型，试样趋向于延性破坏，表明纤维掺入能明显改善植被混凝土基材的破坏形式，增强基材的抗变形能力[14]。

图3 不同干湿循环次数下应力-应变曲线(σ3=30 kPa)Fig.3 Stress-strain curves under different dry and wet cycles(σ3=30 kPa)

2.3 峰值强度特征

试样不同纤维掺量下的峰值强度与围压的关系如图4所示。随着围压的增加，试样的峰值强度整体增大。分析认为，随着围压的增加，试样受到的侧向约束力增大，达到破坏时所需的极限偏应力更大。由图4(a)可见，0次干湿循环下，随着纤维掺量的增大，加筋试样的峰值剪切强度随之增大，纤维掺量为0.8%时达到最大，较空白对照样增大了35.23%(σ3=30 kPa)。5次干湿循环后(图4(b))，试样的峰值剪切强度与未干湿循环时相比均有所降低，且随纤维掺量增加先增大后减小，在0.4%掺量时达到最大，与空白对照样相比，峰值强度增加了64.35%(σ3=30 kPa)，亦说明纤维掺入存在最佳掺量。由图4(c)可知，10次干湿循环后，试样峰值剪切强度均大幅降低，数值上仍随纤维掺量增加先增大后减小，在0.4%掺量时最大，对比空白对照样增大了93.91%(σ3=30 kPa)。试验表明，纤维掺入显著提高了基材的抗剪强度，且纤维的掺量存在一个最优值，超过最优掺量时，纤维导致基材内部分隔，随干湿循环次数增加，试样内部结构破坏加剧，抗剪强度反而会有所下降。

图4 不同干湿循环次数下峰值强度、围压与纤维掺量的关系Fig.4 Relationship between peak strength, confining pressure and fiber content under different dry and wet cycles

2.4 强度参数特征

不同干湿循环次数下，试样黏聚力和内摩擦角与纤维掺量关系如图5所示。试样黏聚力在无干湿循环作用时随纤维掺量增加而增大，掺量为0.8%时最大。但在5次和10次干湿循环条件下，黏聚力均随纤维掺量的增加，表现出先增大后减小的趋势，试样的黏聚力在0.4%掺量时达到最大。而试样在同等掺量下，黏聚力随着干湿循环次数增加均有所下降，由图5(a)可知，在0.4%掺量时黏聚力降幅最小。这表明掺入适量的纤维可以大幅降低干湿循环的不利影响，显著改善基材劣化和结构破损。

干湿循环对空白对照样和纤维加筋试样的摩擦角影响较小，仅有小幅的波动(图5(b))。导致这一现象的原因在于：采用的种植土中黏粒的含量极低，干湿循环对基材内部颗粒物之间的摩擦作用影响较低，故基材的内摩擦角变化不大[15]。

图5 不同干湿循环次数下黏聚力和内摩擦角与纤维掺量的关系Fig.5 Relationship between fiber content, cohesion and internal friction angle under different dry and wet cycles

3 基材软化特性及应力-应变模型

3.1 基材软化特性

由上述分析可得，基材的破坏模式为应变软化型，对于基材的软化特性，采用应力相对软化系数[16]来表征。应力相对软化系数K可按式(1)计算。

(1)

式中，qp为基材的峰值剪切强度；qr为基材的残余剪切强度，取应变为20%时对应的偏应力。由式(1)可知，K值越小，基材的残余强度越接近于峰值强度，说明基材的软化特性越不明显。

图6 不同应力下应力相对软化系数K与纤维掺量的关系Fig.6 Relationship between relative softening coefficient K and fiber content under different stress

各试样的应力相对软化系数K随纤维掺量变化的关系如图6所示。总体上，K值随围压的增加整体上减小，说明围压对软化特性影响明显。相同纤维掺量下，5次干湿循环后，K值均有所增大；而10次干湿循环后，K值继续增大，但增幅均小于5次后的增幅，且存在个别K值为负。分析认为，干湿循环作用下，基材内部结构遭到破坏，导致其峰值强度和残余强度降低，残余强度减小幅度较大。随着干湿循环次数增加，基材峰值强度和残余强度逐渐减小，但峰值强度减小幅度大于残余强度，基材软化特性随干湿循环增加有少许降低。

相同干湿循环次数下，纤维加筋基材与空白基材相比，K值均大幅减小。说明纤维加筋可大幅提升基材的残余强度，降低基材的软化特性。随纤维掺量增加，K值呈小幅的波动，纤维掺量大小对基材的软化特性影响不明显。

3.2 应力-应变模型

空白对照样与纤维加筋试样的应力-应变曲线具有明显的软化特征。对于软化型应力-应变关系，可以采用原南京水利科研院模型进行描述[17-18]，即:

(2)

式中，σ1为轴向应力;σ3为围压;ε1为应变百分比；a、b和c为试验确定的拟合参数，与峰值强度qp、残余强度qr和峰值应变εp有以下关系：

(3)

根据各试样试验结果，由峰值强度qp、残余强度qr和峰值应变εp可分别确定参数a、b和c，拟合值如表3所示，由式(2)即可得到相应的拟合曲线。由于篇幅所限，图7仅给出部分代表性试样的拟合结果。由图7可知，不同围压下所得的应力-应变曲线与模型拟合结果基本吻合。

图7 应力-应变曲线试验值与模型计算值Fig.7 Test value of stress-strain curve and the calculated value of the model

根据表3确定的参数，各试样拟合结果的相关系数平方值R2均在0.90以上，因此，植被混凝土基材空白对照样及棕榈纤维加筋试样应力-应变曲线可采用式(2)描述。

表3 各参数的拟合值(σ3=30 kPa)Table 3 Fitted values of parameters(σ3=30 kPa)

4 结 论

(1)棕榈纤维掺入植被混凝土基材中可以将基材的应力-应变曲线由应变软化型转化为弱应变软化型，基材的破坏模式由脆性破坏向延性破坏发展。

(2)干湿循环作用下，棕榈纤维的最佳掺量为0.4%；低于最佳掺量时，抗剪强度随掺量增加而增大，高于最佳掺量时，抗剪强度随掺量增加而减小。

(3)纤维掺入可显著提高基材残余强度，降低了基材的软化特性；采用原南京水利科研院模型可较好地描述棕榈纤维加筋基材的应力-应变关系。