纤维掺量对海洋砂土力学性能影响研究

张 俊,刘春辉,刘祥宁,卢龙玉,张梦子

(烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005)

海洋砂土是指受海水侵蚀而没有经过淡化处理的砂土,多来自海水和河流交界的地方．近年来,大规模发展临海工业和城市建设,每年建筑用砂和填料的需求正日益增加．河砂虽然一直是建筑用砂资源的主要来源,但是河砂开采对生态环境造成严重影响,再加上国内在沿海城市带中,海绵城市建设,以及围海造陆等正日新月异,致使河沙已无法完全满足建设的需求,因此更多的人把目光投到资源丰富的海洋砂土中．就山东省而言,其地理位置位于得天独厚的黄渤海之滨,近年来大力发展的海岸带建设,滨海公路、海上码头等工程,在地基处理中就地取材所用的海砂在降低经济成本时还节约了河砂的使用,这使得海砂在市场规范前提下也越来越备受关注．然而天然海洋砂土结构松散具有易冲刷、易液化的特点,很少能直接用于工程建设,因此大多数砂土需经过加固处理．现阶段,地基处理的方法主要包括换填垫层法、堆载预压法、强夯法、碎石桩法、水泥土搅拌法、高压旋喷注浆法、夯实水泥土桩法、水泥粉煤灰碎石桩法,以及纤维材料加固法等．具体工程中土体的加固方法主要依据砂土的性质、加固方法的有效性与实用性以及工程造价等因素进行选择．

与前几种加固方法相比,纤维材料加固方法在地基处理中的应用理论体系并不完善．不同于传统的土工加固,纤维材料加固是将一定比例的纤维与砂土充分拌和一起加固土体,由于纤维具有分散性好、易于拌和、资源丰富等优点,因此吸引了国内外许多学者的兴趣．大量学者针对随机分布纤维加固土体开展试验与理论研究．例如,胡小庆等[1]发现纤维显著改善了土体的抗压、抗剪和变形特性,且随着纤维含量的增加,应力应变曲线趋于应变硬化;孙舒等[2]基于试验手段探究聚丙烯纤维土的受力性能,发现纤维土的破坏模式变为鼓胀破坏,纤维对土体的内摩擦角的影响较小,但对土体的黏聚力影响较大;马强等[3]用粽麻纤维加固砂土,总结了纤维加固砂土的作用机理;唐朝生等[4]发现聚丙烯纤维可以提高土体的无侧限抗压强度和抗裂性;钟汉林等[5]做了剑麻纤维加固海洋砂土的试验,结果显示,纤维长度、掺量均能影响土的抗剪强度．国外,AHMAD等[6]发现随机分布纤维可显著提高砂土的剪切强度;CONSOLI等[7]研究了相对密度对纤维加固砂土力学特性的影响;GRAY等[8]发现随机分布纤维比定向的织物层具有更好的加固效果;NOORZAD等[9]发现随机分布纤维提高土体的剪切模量．总结现有文献可以发现,随机分布纤维可以显著提高土的峰值抗压强度、剪切强度与延性,且能够显著降低峰后强度损失．

然而,现阶段试验主要关注聚合物类纤维与玻璃纤维等人工合成纤维加固土的力学特性,少有试验研究天然有机纤维对海洋砂土的强度与模量特性的影响．为完善纤维加固土的研究理论体系,本文选取对环境污染小、储量丰富、可再生、耐腐蚀的剑麻纤维[10-11],进行不同围压下的三轴试验研究,将纤维掺量作为本试验的研究变量,详细分析随机分布剑麻纤维掺量对海洋砂土强度与模量特性的影响．

1 试验部分

1.1 试验材料

试验中砂土为烟台地区典型的海洋砂土,取自烟台大学海水浴场,颗粒级配曲线如图1．由颗粒级配曲线得,不均匀系数[12]Cu=D60/D10=4.42,曲率系数[12]Cc=D302/(D60×D10)=0.42,故砂土的级配较差(Cu≥5且Cc=1～3是良好级配)．经比重试验测得,本试验中所采用海洋砂土的比重Gs=2.16．试验所用纤维为剑麻纤维(图2),该纤维具有储量丰富、可再生、耐腐蚀以及价格低廉等优点,被广泛用于海洋、渔业、军事等各个行业,其基本的物理力学参数见表1．

1.2 试验方案

为探究随机分布剑麻纤维掺量对海洋砂土的力学性能的影响,针对7种不同纤维掺量(0%(纯砂土)、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%和1.8%)的试样开展三轴试验．由于土与纤维的其他参数同样会影响纤维加固海砂土的力学性能,本研究中采用控制变量法,将其他参数保持恒定,通过仅改变纤维掺量的方法开展分析．试验中控制纤维长度FL为12 mm,试样的相对密度Dr=60%,每种纤维掺量分别施加100 kPa、200 kPa和300 kPa的围压,共21组试样,试验方案见表2．本次试验采用应变控制式三轴仪(图3)进行三轴压缩试验,加载速率为0.50 mm/min．

图1 砂土颗粒级配曲线

图2 剑麻纤维

表1 剑麻纤维的物理力学参数

图3 三轴仪

表2 试验方案

1.3 试样制备

试样的均一性以及纤维在试样中分布的均匀性严重影响试验结果．由于在试样制备过程中,纤维容易积聚成团,且饱和后纤维容易出现漂浮现象,严重影响试样的均匀性,因此选择合适的制样方法非常关键．现阶段,纤维与砂土的拌和方法有多种,例如干砂与湿纤维拌和法,干纤维与湿砂拌和法以及干纤维与干砂拌和后加水法等．基于试样的预制备与现有研究可知,海砂土含水率为10%时,纤维在拌和过程中能够较为均匀地分布在海砂土中,且能够防止试样在转移过程中出现纤维飘浮．因此,本试验采用上述拌和方法进行试样的制备．

为防止试样在转移过程中发生扰动,试样采用冻结法进行制备,试样直径为39.1 mm,高度为80 mm．具体方法如下:首先,根据确定好的相对密度(60%),将水与干砂混合搅拌均匀,待充分拌和后加入纤维进行搅拌,直至纤维均匀分布在海砂土中;然后,将拌和好的纤维土分三层击实,每个试样的制备控制相同的击实高度和击实次数,将制备好的试样放入冰箱冷冻5 h,取出冷冻好的试样,将其装入橡皮膜中并安装好仪器;最后让试样在常温下充分融解后开始试验．

2 试验结果和讨论

2.1 偏应力q和轴向应变ε的关系

由于过大的应变会导致试样在达到峰值应力前丧失使用功能,因此本文将15%应变定义为峰值应变．图4为不同围压下,纤维掺量wf为0%、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%和1.8%试样的偏应力与轴向应变的关系曲线．由图4(a)可以看出,对于wf=0%的试样而言,随着轴向应变的增加,偏应力逐渐增大,在应变达到5%时,围压为100 kPa与围压为200 kPa所对应的偏应力达到峰值;对于围压为300 kPa的试验工况,偏应力随着围压的增大逐渐增大．由图4(b)可以看出,对于wf=0.3%的试样而言,由于掺入纤维量较少,低围压下(σc′=100 kPa),在应变为10%时,其偏应力达到峰值;而在高围压下(σc′=200 kPa和σc′=300 kPa),对偏应力随着应变的增大而增加．由图4(c)—(g)可以看出,偏应力随着轴向应变的增大逐渐增大,且在应变达到15%时偏应力仍未达到峰值．但需要指出,在下述分析中,对于应变达到15%时偏应力仍在增加的试样,其峰值偏应力为15%应变对应的偏应力．由图4还可以看出,试样偏应力幅值会随着围压的增大而增大．

对于本文研究的海洋砂土而言,低围压下(σc′=100 kPa)纤维掺量wf=1.2%时为最优纤维掺量,而在高围压下(σc′=200 kPa与σc′=300 kPa),纤维掺量会显著影响偏应力幅值,即随着wf的增大偏应力逐渐增大．

2.2 围压和纤维掺量之间的关系

图5是围压分别为100 kPa、200 kPa与300 kPa时不同纤维掺量试样的应力应变曲线．从图5可以看出,掺加纤维后试样的偏应力峰值较纯砂试样显著增大;纤维的掺入不但增大试样的剪应力峰值,还可以改变其应力应变响应规律,即对于纯砂试样与纤维掺量较小的试样(小于0.6%),其应力应变关系曲线表现出很强的非线性,而对于纤维掺量较大的试样,应力应变关系表现为近似线弹性．

图4 各个纤维掺量试样在不同围压的应力应变曲线

由图5(a)可以看出,在围压为100 kPa的情况下,纤维掺量为1.2%的试样偏应力与峰值偏应力最大．说明在围压为100 kPa的情况下,纤维加固海砂土的最优掺量为1.2%．由图5(b)和图5(c)可知,在围压为100 kPa与200 kPa下,纤维加固海砂土的偏应力峰值(15%轴向应变对应的偏应力)随着纤维增加而增大,纤维掺量为1.8%时15%应变对应的偏应力最大,即最优纤维掺量为1.8%．由上述试验结果可以看出,围压同样会显著改变纤维加固海砂土的应力应变特性．

剑麻纤维能够提高海洋砂土的抗剪强度,主要原因如下:(1)纤维促进了海砂土颗粒之间的联结,使得海砂土的整体性提高,当海砂土体受到轴向荷载时,纤维与海砂土体之间咬合摩擦力和海砂土与海砂土颗粒之间咬合摩擦力共同分担,纤维使荷载得到有效的分散,从而提高了海砂土体强度;(2)随着纤维掺量的增加海砂土体与纤维的接触面积增加,增加了二者之间的摩擦阻力,导致海砂土的强度会随着纤维的掺加而增加;(3)剑麻纤维本身就是良好的绿色纤维材料,具有质地坚硬、弹性、拉伸性和耐摩擦等优点,纤维土在受荷载时,纤维会充分发挥其性能．但需要注意,过大的纤维掺量会导致纤维在海砂土中拌和困难,纤维易缠绕在一起,形成薄弱点或者薄弱面．

基于上述分析可知,在100 kPa围压下,砂粒之间结构相对较为松散,纤维对砂粒起着固定作用,有效地阻止砂粒间的滑动与分离,随着纤维掺量的增多,纤维固定的砂粒也就越多,其抗剪强度随之越高,但纤维掺量超过1.2%时,纤维与砂在制样时拌和难以达到完全均匀,纤维易缠绕一起,纤维与纤维之间的滑动从而使其抗剪强度有所降低．因此,在100 kPa围压下,纤维为1.2%时偏应力峰值最大．但在200 kPa与300 kPa围压下,纤维与砂连成网络,互为一体,在纤维掺量超过1.2%时,纤维与砂之间成为纤维-砂弹性聚合体,随着轴向应变增大,纤维砂的抗剪强度会进一步增大,一定范围内其应力应变曲线将保持不变．

2.3 围压和峰值强度qpeak的关系

图6为不同纤维掺量试样的峰值强度与围压的关系曲线．由图6可知,试样的峰值强度都随围压的增大而线性增大,但拟合直线的斜率存在显著差异,掺加纤维试样的拟合直线斜率明显大于纯砂试样,说明掺加纤维后试样的峰值强度随围压的增长速率较纯砂的增长速率大,即对本文研究的海洋砂土而言,掺加纤维后海砂土的峰值强度对围压变化更加的敏感．比较图6(a)—(g)可以发现,在相同围压下,与纯砂(纤维掺量0%)试样相比,纤维的掺入显著提高了试样的峰值强度,试样纤维掺量由0.3%增加到1.8%时纤维峰值强度有所提高,且增大程度显著．

图5 不同纤维掺量试样的应力应变曲线

2.4 围压和弹性模量割线模量的关系

图7为7种纤维掺量试样的初始弹性模量E0和割线模量E50(50%峰值强度对应的割线模量,反应土的平均刚度)与围压的关系曲线．从图中发现,7种纤维掺量的试样的E0和E50都随围压的增加而增大,且基本呈现线性关系．比较图7(b)—(g)可发现,相同围压下,不同纤维掺量试样的E50基本相同,说明纤维掺量对海洋砂土的割线模量E50影响不大;相同围压下,不同纤维掺量试样的E0存在显著差异,即随着纤维掺量的增加先增大后减小．

图6 不同纤维掺量试样的峰值强度和围压的关系曲线

图7 不同纤维掺量试样的弹性模量和割线模量与围压的关系曲线

3 结 论

本文基于室内三轴压缩试验,探究剑麻纤维掺量对海砂土的力学性能的影响,主要分析了不同纤维掺量下试样的强度与模量特性,得到以下结论:

(1)剑麻纤维的掺加显著提高了烟台海洋砂土的峰值强度,约束了土体的变形,且在本文研究的纤维掺量范围内,围压增大试样峰值强度不断提高．

(2)三轴试验中纤维加固海砂土试样出现明显的应变硬化现象,随着纤维掺量的增加,应变硬化现象愈加明显．

(3)围压对剑麻纤维加固海砂土的应力应变特性存在显著影响,在100 kPa围压下,最优纤维掺量为1.2%;在200 kPa与300 kPa围压下,最优纤维掺量为1.8%．

(4)纤维掺量对割线模量E50的影响不大,但显著影响初始弹性模量E0,E0表现出随着纤维的增加先增加后减小的现象．