用于低层建筑地基的不同长度和掺量椰壳纤维加筋吹填海砂强度参数试验研究

马炜迪，李良勇，曹宝珠

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

填海造地是人类向自然拓展生产生活空间的一种有效手段，对沿海城市的社会发展，交通改善和经济增长都有极大的促进作用.低层房屋建筑是满足人民生活需求、促进海南旅游娱乐业发展、符合海南环境保护要求的建筑形式，尤其是木结构低层建筑和装配式轻钢低层建筑，具有绿色环保、造价低廉、舒适度高的优点，是未来人工吹填岛上的主要建筑形式之一.目前，海南的人工吹填岛的地基土大多为海砂，吹填海砂级配不良，黏粒含量少，压实性能差，地基土强度不易达到标准，不宜直接作为基础持力层.

纤维加筋是一种新型的土体加固技术，是指将分散的纤维均匀地掺入土体，达到提高了土体的力学性质的目的.过去20年中，国内外学者围绕纤维加筋土进行了一系列研究工作，取得了大量成果：在土体中进行纤维加筋后，土体的抗拉强度和抗压强度增大，承载力、破坏韧性和渗透性增加，因此纤维加筋技术是一种优良的土体加固技术[1].同时，纤维在土体中彼此交织、互成网络，使土体具有各向同性的特点，能够避免传统加筋方法存在潜在滑移面的不足[2].目前，常用的纤维加筋体以人工合成材料为主，国内外已有大量学者对人工合成纤维加筋土进行了研究.Akbulut[3]通过室内试验对聚乙烯纤维加筋土的力学性能进行了研究，取得了一系列研究成果.张金利[4]通过多种试验研究了聚丙烯纤维红黏土的力学特性.唐朝生[5]进行了聚丙烯加固软土试验研究，研究了聚丙烯纤维加固软土的效果和机制.虽然人工合成纤维材料具有强度高、耐腐蚀性强的特点，但其生产过程会对环境产生污染，增加碳排放量，不利于环境保护，经济性相对较差.近年来，用植物纤维代替人工合成材料掺入到土体中的加筋方法已成为热门课题，Prabakar[6]和Sivakumar[7]对剑麻纤维加筋土进行了试验研究和数值模拟分析.魏丽[8]对麦秸秆加筋盐渍土的力学性能进行了试验研究.吴燕开[9]以剑麻纤维作为加筋材料，研究了剑麻纤维不同长度和掺量对加筋土力学性能的影响.

椰壳纤维作为一种植物纤维，具有强度高、弹性好、重量轻、绿色环保的特点，与其他植物纤维相比，椰壳纤维含有的木质素更高，抗腐蚀能力更强，同时椰壳纤维在海南还具有原料丰富、易于获取、价格低廉的优点，是一种非常具有潜力的加筋材料，具有广泛的应用前景.笔者使用椰壳纤维作为海南吹填海砂的加筋材料，通过直剪试验确认了椰壳纤维加筋吹填海砂的有效性，研究了不同长度和不同掺量条件下椰壳纤维对吹填海砂抗剪强度和刚度的影响，为吹填海砂上低层建筑地基的加固处理提供了有价值的参考，也使原本大量废弃处理的椰壳“变废为宝”，有利于保护环境和节约成本，具有一定的现实意义.

1 试验设计

1.1 试验材料

1.1.1 椰壳纤维在研究椰壳纤维加筋土前，首先要清楚椰壳纤维本身的力学性能，Banerjee[10]的研究表明，椰壳纤维平均直径为 135.7～204.2 μm，平均长度为 50～250 mm.本试验采用的椰壳纤维提取自海南岛所产椰子，为了得到海南省椰壳纤维的准确力学性能，从中随机选取50根，经测量得海南椰壳纤维平均直径为150 μm.将这50根椰壳纤维长度均修剪至100 mm，然后通过50组拉伸试验确定其力学性能，拉伸速率为20 mm·min-1，对试验得到的极限抗拉强度和极限延伸率结果进行计算并取平均值，选择一组最接近这两个指标平均值的曲线作为椰壳纤维的代表曲线，结果如图1所示.

由图1可知，椰壳纤维受拉曲线分为3个阶段，最初直线部分为线弹性区、中间曲线部分为屈服平台区、最后直线部分为强化区，极限延伸率为0.251，极限抗拉强度为98.36 MPa，5%延伸率所对应的应力为59.98 MPa.通过线性回归计算得到椰壳纤维的初始模量为2.14 GPa，通过角平分线法得到拉伸曲线屈服点的应变为0.036，对应的应力为54.58 MPa；强化点的应变为0.214，对应的应力为91.35 MPa.Toledo[11]在试验中测试了椰壳纤维的抗拉性能，得出椰壳纤维的极限延伸率率为 0.15～0.4，极限抗拉强度为108～252 MPa，略大于本次试验的极限抗拉强度，可能由于不同地区、不同品种椰壳纤维抗的拉强度差异所导致的.水锋[12]对海南省椰壳纤维进行了拉伸试验，得出海南椰壳纤维的极限延伸率为0.28，极限抗拉强度为93.78 Mpa，屈服点为0.03，强化点的为0.23，与本次试验结果基本吻合.

此外，耐久性是植物纤维加筋土需要处理的重要问题，纤维素是控制植物纤维强度和耐腐蚀性的重要指标，李欣欣[13]的研究结果表明，椰壳纤维的化学成分是36%～43%的纤维素、41%～45%的木质素、0.15%～0.25%的半纤维素和3%～4%的果胶和可溶性物质，椰壳纤维的纤维素含量高，材料本身的耐久性较好.采用植物纤维作纤维加筋材料时往往需要经过一定的处理，对椰壳纤维一般采用NaOH进行浸泡处理.经过NaOH浸泡后，椰壳纤维的细胞发生塌缩，导致细胞壁变厚，表面的纤维素含量大大增加，耐久性和强度均得到提升[14]，因此，经过处理后的椰壳纤维的耐久性良好，能够满足纤维加筋土的使用要求.

1.1.2 吹填海砂吹填海砂取自位于海口湾西海岸距海岸线约1.6 km处的南海明珠人工岛施工现场，取土深度为0.7 m.按照《土工试验规程》的方法，对吹填海砂进行颗粒分析和标准贯入试验，级配曲线如图2所示，特性参数如表1所示.

表1 吹填海砂基本物理性质指标

由图2和表1可知这种吹填海砂颗粒粒径在0.25～0.5 mm之间的占总质量的70%以上，不均匀系数Cu小于5，级配不良.标准贯入锤击数为13，属于中软土～中硬土，承载能力一般较低.

1.2 试验方案椰壳纤维强度高、耐久性好；天然吹填海砂本身承载能力较低，难以满足低层建筑地基要求.因此采用椰壳纤维加筋吹填海砂具有很高的实用价值，纤维加筋土的强度参数受到纤维本身长度和掺量的影响较大，为了验证椰壳纤维加筋土的有效性，研究椰壳纤维长度和掺量对加筋土力学性能的影响并找出椰壳纤维加筋吹填海砂的最佳参数，分别对素土、4种不同长度和4种不同掺量的椰壳纤维加筋土进行了直剪试验，其中掺量是指椰壳纤维质量与素土质量的比值.除去1组重复试验，共设计8种工况下的直剪试验，每种工况都进行3组平行试验以保证试验结果的可靠性，具体试验分组如表2所示.每组直剪试验都分别在100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa的垂直压力下进行，剪切速率为0.24 mm·min-1，直到百分表读数持续停止或缓慢下降时终止试验.

表2 直剪试验分组

1.3 试样制备直剪试样直径61.8 mm，厚度20 mm，所有试样均按照吹填现场取样时测定的天然含水率3.7%配置，将椰壳纤维修剪至所需的长度，然后按照拟定的掺量掺入并充分搅拌均匀.为避免不同试样密度不同对试验结果产生影响，所有试样均采用同一个环刀，试样质量控制在136 g±0.5 g，保证每组试样密度为1.56 g·cm-3.

2 结果分析

按照上述试验方法，对表2中各组试样进行了直剪试验，相关结果如表3所示.

表3 直剪试验分组

图3 不同垂直应力条件下剪切应力-位移曲线

图3给出了第4组直剪试验不同垂直应力条件下的剪切应力-位移曲线，由图3可知，吹填海砂在垂直应力较小时，砂颗粒间的相互作用较小，剪应力的增长非常缓慢，而随着垂直压力的增大，剪应力提升速度明显增大，这是由于垂直压力增大导致砂颗粒间摩擦力增大，同时也会提高纤维-土界面的摩擦作用，椰壳纤维更不容易从海砂中拔出，增强了椰壳纤维的加筋效果.因此，椰壳纤维加筋土在所受的垂直应力较小时，加筋效果不明显，随着试样所受垂直应力的增大，加筋效果也越来越好.

图4 第4组直剪试验剪切面俯视图图5 第4组直剪试验剪切面侧视图

图4和图5为第4组直剪试验在400 kPa垂直压力下的剪切破坏面.从图5中可以看出，部分椰壳纤维从剪切面中伸出，没有被剪断，说明部分椰壳纤维从土体中被拔出.将所有破坏后试样中的椰壳纤维清理出后发现，各组试样剪切面情况相似，都存在大部分椰壳纤维长度不变，只有少数被拉断的现象.说明本次试验中试样在剪切破坏过程中既存在拉断破坏，也存在椰壳纤维被拔出的失效破坏，但总体上以纤维拔出的失效破坏为主.因此，椰壳纤维加筋吹填海砂的抗剪强度主要由纤维-土界面摩擦作用控制.需要指出的是：纤维-土界面摩擦作用受到椰壳纤维长度、直径、表面粗糙度和土体颗粒组成、含水率、密度、正应力等多个因素的影响[15]，具体的椰壳纤维吹填海砂加筋作用机理有待进一步研究.

2.1 椰壳纤维长度为了研究椰壳纤维长度对椰壳纤维加筋土剪切过程和剪切强度参数的影响，选取1、2、4、7和8组的试验结果为代表进行分析.

图6给出了椰壳纤维加筋土试样在400 kPa垂直应力、不同纤维长度条件下的剪切应力-位移曲线，剪切应力-位移曲线的斜率可以反映出椰壳纤维加筋土受力时抵抗变形的能力，体现了椰壳纤维加筋土的抗剪刚度的大小.由图6可知，在剪切位移小于0.6 mm时，椰壳纤维加筋土与素土试样的抗剪刚度无明显差异，这是由于椰壳纤维的抗剪刚度较小，在剪切位移较小时，纤维与土之间的相对位移较小，纤维还不能发挥加筋作用，而随着剪切位移的逐渐增加，椰壳纤维逐渐开始发挥作用，所有椰壳纤维加筋土的抗剪刚度和最大剪应力均明显大于素土.当剪切位移小于4 mm时，不同长度椰壳纤维加筋土的抗剪刚度差别较小，当剪切位移达到4 mm且椰壳纤维长度在5 cm内时，椰壳纤维加筋土的抗剪刚度和最大剪应力随着椰壳纤维长度的增大而增大.当椰壳纤维长度达到8 cm时，其抗剪刚度和最大剪应力反而略小于椰壳纤维长度为1 cm的椰壳纤维加筋土，但仍大于素土.

由于砂土几乎没有粘聚力，本次研究只对椰壳纤维加筋土的内摩擦角进行分析，结果如图7所示.由图7可知，椰壳纤维加筋土的内摩擦角均大于素土，在纤维掺量相同的条件下，当掺入的椰壳纤维长度小于5 cm时，加筋土的内摩擦角随纤维长度的增大而增大，但增幅逐渐减小，椰壳纤维长度从1 cm增加到3 cm后，内摩擦角增加了2.51 °，椰壳纤维长度从3 cm增加到5 cm后，内摩擦角仅增加了1.25 °.当椰壳纤维达到8 cm时，椰壳纤维加筋土的内摩擦角与纤维长度为5 cm时相比反而减小，但仍大于素土.这是由于过长的纤维容易形成局部纤维团，难以在椰壳纤维加筋土中均匀分布，试样受到直剪试验尺寸效应的影响，此局部纤维团更容易产生.当纤维团位于剪切面时，剪切面上大量土颗粒被纤维团取代，导致界面摩擦系数减小；当纤维团不在剪切面时，剪切面纤维含量过少，不能提供足够的约束作用.因此，椰壳纤维长度不宜过长，加筋吹填海砂的最佳纤维长度为5 cm.

2.2 椰壳纤维掺量为了研究纤维掺量对椰壳纤维加筋土剪切过程和剪切强度参数的影响，选取1、3～6组的试验结果为代表进行分析.

图8给出了椰壳纤维加筋土试样在400 kPa垂直应力、不同纤维掺量条件下的剪切应力-位移曲线.由图8可知，在剪切位移小于0.6 mm时，椰壳纤维加筋土与素土试样的抗剪刚度无明显差异；当剪切位移达到1.2 mm时，椰壳纤维加筋土的抗剪刚度明显大于素土.椰壳纤维加筋土的抗剪刚度和最大剪应力均随椰壳纤维掺量的增大而增大.

将图8与图6进行对比分析，不同纤维长度条件加筋土的抗剪刚度在剪切位移达到4 mm时出现差异，而不同纤维掺量条件加筋土的抗剪刚度在剪切位移达到2 mm时就出现明显差异.由此可知，不同掺量条件比不同长度条件在剪切位移更小的阶段就开始影响椰壳纤维加筋土的抗剪刚度，说明椰壳纤维加筋土的初期刚度受掺量条件变化的影响更明显.

图9为椰壳长度不变时，吹填海砂内摩擦角随椰壳纤维掺量的变化曲线.由图9可知，当椰壳纤维掺量小于0.3%时，内摩擦角随椰壳纤维掺量的增大而增大；当椰壳纤维掺量大于0.3%时，加筋土的内摩擦角与椰壳掺量0.3%时相比无明显变化.这是由于椰壳纤维加筋土的加筋效果主要来源于纤维-土界面摩擦作用[16]，当椰壳纤维含量达到一定值时，椰壳纤维表面被大量土颗粒充分包裹，纤维与土之间的摩擦作用达到最大，此时再加入更多纤维已不能提升这种摩擦作用.

3 小 结

通过直剪试验对不同长度和掺量椰壳纤维加筋吹填海砂的抗剪强度和刚度进行了研究，得到了以下结论：

1) 椰壳纤维加筋土的抗剪刚度、最大剪应力和内摩擦角均大于素土.当试样密度为1.56 g·cm-3时，加筋土试样以剪切面纤维拔出失效破坏为主，加筋效果随椰试样所受的垂直应力增大而增大.

2) 椰壳纤维长度为5 cm时，加筋土的刚度、最大剪应力和内摩擦角达到峰值，椰壳纤维长度为8 cm时，椰壳纤维加筋土的刚度、最大剪应力和内摩擦角降低，降低的幅度因直剪试样的尺寸效应而表现得更加明显.椰壳纤维加筋吹填海砂的最佳纤维长度为5 cm.

3) 椰壳纤维掺量为0.3%时，内摩擦角达到峰值，而抗剪刚度和最大剪应力随掺量持续增大.为了在取得较好加筋效果的同时节约椰壳纤维用量，椰壳纤维掺量以0.3%为宜.

试验结果表明：在吹填海砂中加入椰壳纤维是一种优良的加筋方法，有效提升了土体的强度参数，椰壳纤维作为加筋材料来源丰富、绿色环保，具有广阔的应用前景，为吹填海砂上低层建筑地基的加固处理提供了有价值的参考.