剑麻加筋黏土的强度试验研究

李贺勇，张洪东，李海峰，卢洪宁，赵宁宁

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100；3．浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 310000 )

0 引言

浙江省丽水市位于浙江省西南部，地势以丘陵为主，黏土边坡是该地区工程建设需要面对的诸多工程问题之一。黏土的含水率、孔隙比、压缩性较高，这些特征在工程建设中表现出一系列不良的地质工程现象，影响建筑物安全稳定[1-2]。因此，在实际工程前需要对黏土进行加固处理，使加固后的土体满足工程建设的要求。

目前常用的加固方法分为化学加固和物理加固。化学加固的方法主要为高分子固化剂加固，土体加筋作为常用的物理加固方法，加固纤维已有碳纤维、聚丙烯纤维、剑麻纤维、棕榈纤维以及棉纤维等[3-9]。施斌[10]等通过聚丙烯纤维加筋土与素土之间的工程性质进行对比分析，对纤维加筋改良土体的强度特性作了机理分析，得出聚丙烯纤维加筋的方法能有效提高土体结构稳定性和强度特性，改善土体破坏形式；吴景海等[11]利用5种土工复合材料作为砂土的加筋材料，通过进行三轴试验，数据对比发现土工合成材料能够提高有土体的强度，土工织物和土工格栅对砂土的变形有良好的约束作用；Prabakar等[12]对剑麻与椰子纤维进行了强度分析，讨论了天然纤维的加筋效果；Yetimoglu等[13]发现土体的残余强度随着纤维的增加而增大，加筋土通过增加土颗粒间的摩擦和约束作用，增强土体的强度，起到加固作用。因此，在现代工程建设中，将天然纤维材料运用于黏性土或砂土当中，改善土体性质，对生态文明建设起到重要作用[14-17]。

剑麻纤维是目前使用较广泛的天然纤维，其断裂强度和弹性模量分别为450 MPa～700 MPa和7 GPa～13 GPa，属于中强高弹纤维。剑麻纤维具有耐磨、产量高、耐腐蚀、弹性大、耐盐碱等优点。但目前剑麻纤维作为加筋材料对土体强度的研究还很少，本文采用剑麻纤维作为加筋材料，通过快速剪切与无侧限抗压试验，将纤维含量和密度作为研究对象，分析其对土体强度的影响和加固作用机制，为工程建设提供指导。

1 试验方案

1.1 试验材料

本次试验所用的土样为浙江省丽水市缙云县某边坡黏土，黏土土样经过烘箱烘干，机械碾碎，过2 mm筛后进行界限含水率试验，得到试验土样的液限和塑限。试验选用的纤维材料为剑麻纤维，剑麻纤维具有质量轻、环保无污染、经济性等优点。从现场取回的原状土(图1a)，经过烘干筛分后(图1b)，其物理参数见表1，剑麻纤维(图1c)的物理性质见表2。

图1 试验材料和黏土试样

表1 某边坡黏土的物理参数

表2 剑麻纤维的物理性质

1.2 试验方案

本次试验的变量为黏土干密度和剑麻纤维含量，黏土干密度分别取1.55 g/cm3和1.60 g/cm3，剑麻纤维的含量取0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，为了便于剑麻纤维和黏土混合，试验前参考相关加筋土文献，剑麻纤维剪裁为20 mm加筋效果良好，因此取纤维长度为20 mm作为本次试验的标准长度[18-19]。试验中含水率取为20%。并按照纤维含量与含水率计算出所需土、水和剑麻纤维质量，称取相应质量的土、水搅拌均匀后，用保鲜膜包裹试样，保持温度不，静置24 h利于土体充分浸润。静置后，依照试验方案加入不同含量的剑麻纤维，混合均匀后倒入模具，之后用压实装置施加静态压力将土体压实到指定高度，静置2～3 min后取出试样。

1.3 强度试验与仪器

快速剪切试验使用的仪器为应变控制式直剪仪。根据试验规范，试验过程中对试样分别施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的轴向荷载，保持应变速率为0.8 mm/min直至试样破坏。本次研究共有6组试验，为防止试验误差过大，每组试样制作3个平行试样，并取平均值作为结果分析。试样高20 mm，直径61.8 mm。试样制备完毕后，以保鲜膜紧密包裹，放置在恒定温度下，养护24 h后进行直接剪切试验。

无侧限抗压试验使用的仪器为YYW-2型应变控制式无侧限压力仪。试验过程中，控制应变速率为 2.4 mm/min，至试样破坏。试样直径为39.1 mm，高度为80 mm，每组试样制作3个平行试样，并取平均值作为结果分析。制备的试样见图1c。

2 试验结果与分析

2.1 剪切性能

本文通过改变试样加筋率与干密度，研究不同的剑麻纤维含量和土体干密度(ρ)对土体抗剪强度的影响，试样的剪切性能结果见表3。由表3可见，剑麻纤维加筋后黏土土样的抗剪强度均有提高，在适量纤维加筋作用下，剪切性能提高显著，但是过高的纤维含量反而会削弱一部分剪切强度。

表3 不同干密度和纤维含量试样的剪切性能

图2为黏聚力和内摩擦角随纤维含量变化曲线。由图2可见，在保持试样相同含水率、干密度及纤维长度的情况下，с值(黏聚力)随剑麻纤维含量提高呈增加趋势，φ值(内摩擦角)略有上升，纤维加筋后φ值最大增加至36.467°，相比素土增幅较小，提升不明显。因此纤维含量对土体的黏聚力影响较大，对土体的内摩擦力影响较小。当纤维含量从0.1%增加到0.2%时，纤维的加入对土体的黏聚力和内摩擦力有较大提升；当纤维含量从0.2%提高到0.4%时，黏土的抗剪能力较之前提升较小，甚至存在内摩擦力减小的情况。这说明，剑麻纤维含量对土体抗剪强度提升具有最优势区间，在这一优势区间内，土体抗剪能力增量较高，尤其是黏聚力明显增加，超过或者低于这个优势区的纤维含量都有可能导致加固黏土的效果下降。

图2 黏聚力(a)和内摩擦角(b)随纤维含量变化图

在保持试样含水率、纤维含量不变的情况下，干密度为1.55 g/cm3及1.60 g/cm3纤维加筋土抗剪强度增长趋势基本相同，不同干密度纤维土的抗剪强度指标都明显高于素土。从黏聚力的直线增长间距来看，在加筋率为0.2%与0.4%时，干密度为1.60 g/cm3纤维土相对于素土黏聚力提高了20.5%和21.7%，干密度为1.55 g/cm3纤维土黏聚力则提高了22.9%和34.9%，在纤维含量为0.4%时，黏聚力逐渐大于干密度为1.60 g/cm3纤维土。这说明在纤维含量较高时，纤维在土体内部分布不均匀导致土体的黏聚力降低，影响土体的整体稳定性，这进一步验证剑麻纤维含量对土体抗剪强度提升有利，但过量的纤维会影响加固效果。

2.2 抗剪试验应力位移曲线

在含水率和干密度保持不变的情况下，将直剪试验测得的土样强度数据按照试验施加的轴向应力(100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa)分组绘制应力-位移关系曲线(图3)。

由图3可见，在不同的轴向应力作用下，加筋土的抗剪强度都相较素土有明显提高。在轴向应力为100 kPa时，加筋对土体抗剪强度的影响最为明显。在剪切位移较小的时候，素土和加筋土的剪应力-剪切位移曲线几乎重合，随着剪切位移逐渐增大，加筋土的剪应力-剪切位移曲线逐渐增大并高于素土的剪应力-剪切位移曲线。这是由于在剪切位移较小试样发生微小变形时，加筋土内的纤维没有发挥加固作用，土体依靠自身强度抵抗剪应力，当随着试样变形的增大，土体内部纤维逐渐受力拉伸以抵抗剪应力，并将部分剪应力传递到土体其他部分产生共同受力的效果，延缓土体受力剪破的速度，提高土体的韧性与强度。轴向应力与试样抗剪强度存在正比关系，土体的抗剪强度随着法向荷载的增大而增大。

在图3a中，应力先随着试样变形的增加而增加，达到峰值强度后，应力随变形的增加而减小，呈应变软化型曲线；在图3b、图3c和图3d中，应力随试样变形的增加而增加，应力到达最大值后基本保持不变，曲线无下降趋势且没有峰值强度，呈应变硬化性曲线。当剪切位移较小时，应力增加比较明显，曲线较陡，当剪切位移继续增加时，应力增加较少，曲线平缓且无峰值出现。加筋土受到的剪应力随着应变的增大而增大，在应变达到一定程度后，剪应力会趋于稳定，出现这种现象的原因：在垂直荷载较小时，纤维发挥的作用相对较低，抗剪能力会随着形变的增加进一步降低；在垂直荷载较大时，土颗粒中的空隙被进一步压缩，土体和纤维接触变得更加紧密，土颗粒间的摩擦力和纤维对土体的咬合力导致纤维不易被拔出，土体的抗剪强度会随形变的增加而缓慢增加或保持稳定。

图3 不同轴向应力下应力-位移曲线

在图3d中，除了素土的剪切强度较低外，加筋率0.1%～0.4%的剪切强度曲线重合度较高，这说明在高轴向应力状态下的加筋土普遍有较高的剪应力，此时的纤维含量对剪应力的影响较小。加筋土的剪应力随着轴向应力的增大而逐渐增加，但是增幅速度并不是线性增加，剪应力在轴向应力由300 kPa到400 kPa的增长率比在轴向应力由200 kPa到300 kPa的要小，可见在正应力增加的同时，加筋土体的剪应力的增幅降低，在法向荷载增大到一定程度时，土体的抗剪强度不会有较大的增幅[20]。在轴向应力作用下，加筋土的抗剪能力均明显优于素土，加筋率为0.4%的黏土在轴向应力作用下，对抗剪强度提高分别为17.4%、42.8%、15.5%、9.7%；加筋率为0.2%的黏土在轴向应力作用下，对抗剪强度提高分别为17.6%、45.9%、32.5%、10%。

2.3 干密度和纤维含量的影响

图4为不同干密度试样土体在含水率(20%)和纤维含量(0%、0.2%、0.4%)下的抗剪强度应力应变曲线。由图4可见，在应变较小时，干密度为1.60 g/cm3土体的应力应变曲线与干密度为1.55 g/cm3土体曲线较为重合，在应变逐渐增大时，不同干密度的素土应力应变曲线相对平缓且强度相近，不同干密度的加筋土应力应变曲线呈缓慢上升趋势，1.60 g/cm3加筋土的应力应变曲线逐渐高于1.55 g/cm3土体的曲线，这说明干密度越大，土体的剪切性能越强，试样所能承受的剪应力就越大，土体越不容易受力破坏。在纤维含量为0.2%时，两条曲线的差距比较明显。与干密度为1.55 g/cm3的素土相比，干密度为1.60 g/cm3的素土抗剪强度提高了9.3%，加筋土在纤维含量为0.2%与0.4%时，抗剪强度提高了29.1%与10.6%。可见在纤维含量为0.2%时，干密度对土体抗剪强的影响较大，土体抗剪强度提升显著，但是随着纤维含量的增加，干密度对土体抗剪强度的影响会略微降低。在纤维含量为0.2%时，干密度1.60 g/cm3加筋土的残余强度明显高于干密度1.55 g/cm3加筋土；在纤维含量为0%和0.4%时，残余强度虽有提高但不明显。这说明在特定加筋率条件下，干密度的增加可以提高土的抗变形能力和延展能力，过高的纤维含量反而会影响纤维加固土体的效果。

图4 不同干密度的抗剪强度曲线

图5为不同干密度试样土体的无侧限抗压强度应力应变曲线。由图5可见，在轴向应变较小时，不同密度的试样应变曲线依然较为重合，变化规律与剪切强度变化曲线相似，但是当抗压强度达到峰值强度后，素土的抗压强度会随着轴向应变增加而快速下降，残余强度几乎为0，呈应变软化型曲线。在加筋率为0.2%和0.4%时，试样强度达到峰值后，应变曲线存在下降的趋势，但仍有较高的残余强度，曲线呈应变硬化型。这说明，剑麻纤维对土体结构存在维系加固作用，使得土体在受到压力破坏后仍然存在着一定强度，不会完全破坏，而素土在没有纤维加固的条件下，受力破坏后土体的抗压强度和抗变形能力相较之前下降明显。

图5 不同干密度的抗压强度曲线

3 加固机理分析

图6为黏土试样在试验中不同阶段呈现的破坏模式。由图6a～6c可见，素土在破坏过程中，首先在试样顶部和中部产生裂缝，裂缝总体呈“Y”形，由于没有加固措施，在试样破坏时剪切带明显增多，试验终止阶段裂缝延伸至试样底部，黏土结构破坏较大，土体残余强度较小，试样的破坏形式为脆性破坏。图6d～6f为土体加筋后的破坏过程，黏土在有剑麻纤维加筋后，不仅试样的抗压强度有了较大提高，在破坏状态上也有明显不同。这说明，试样在有剑麻纤维的加固作用下，破坏形式由脆性破坏转变为塑性破坏，剑麻纤维在土体内形成的整体结构有利于土体分散压力并承受更多荷载，具体变现为试样在受压开裂过程中形成各个开裂小块，并通过纤维网的联系，使试样在被破坏后仍然能保持较高的残余强度和抗变形能力。

图6 单轴试验试样破坏过程

由试验结果得知，纤维含量及土体干密度的改变对黏土试样的强度特性有着较大的影响。在含水率不变的情况下，随着剑麻纤维含量和干密度的增加，试样的黏聚力也随之增大。当纤维含量为0.2%，土体干密度为1.60 g/cm3时，黏土的强度特性得到增强，土体抵抗剪应力的能力有明显改善。

剪裁后的单根剑麻纤维呈“针状”，纤维以不同角度杂乱均匀分布在土体内部，填充土颗粒间的空隙，纤维相互交织缠绕，约束土颗粒移动位移，从而增加土体剪切阻力，提高土体的整体强度。并且剑麻纤维侧表面粗糙，具有较好的抗阻力，土颗粒在剪切面发生位移时，增加与土颗粒间的摩擦力，有效提高纤维对土颗粒的咬合作用，从而抵抗剪切位移，起到增加剪切强度的效果。

剑麻纤维加固后的土体，抗剪强度相对于素土有明显提高，但是加筋效果会随着加筋率有所改变。在取适量纤维加固土体后，剑麻纤维与黏土紧密结合，弯曲分布在土颗粒中，在加筋土内部纤维相互交织形成纤维网，当土体受到剪应力产生位移时，土颗粒与纤维间的黏聚力和摩擦力会发挥作用，缠绕在土颗粒间的纤维发生拉伸变形产生拉力抵抗一部分外部荷载，同时纤维通过纤维网的交织点传递剪力，对土粒形成反约束作用，从而抵抗剪应力防止土体产生更大的形变，起到增强土体剪切强度的作用。当纤维含量过高时，试样的剪切面纤维分布不均匀，容易产生交错重叠现象(图7)，从而在土颗粒间产生阻隔面，土颗粒和纤维不能充分接触，接触面积减小削弱了土粒间的黏结力和摩擦力，影响了土体的整体稳定性，导致土体抗剪强度降低[21]。

图7 剑麻纤维加固机理图

5 结论

本文通过直剪剪切和无侧限抗压强度试验，研究了纤维含量与土体干密度对剑麻纤维改良黏土强度特性的影响，得出以下结论：

1)在相同土体干密度与含水率条件下，剑麻纤维的添加明显提高了黏土在不同轴向应力作用下的抗剪能力，加筋率≤0.2%时，土体的抗剪强度会随着剑麻纤维含量的增加而快速增加；当纤维含量≥0.2%时，黏土试样已有较强的抗剪能力，因此土体的抗剪强度虽然在增加，但整体提升幅度较小。

2)在轴向应力较小时，应力先随着试样变形的增加而增加，达到峰值强度后，应力随变形的增加而减小，呈应变软化型曲线；当轴向应力逐渐增加，应力随试样变形的增加而增加，应力到达最大值后基本保持不变，曲线无下降趋势且没有峰值强度，呈应变硬化性曲线。

3)在相同含水率条件下，干密度越大，土体强度越高，干密度通过改变土颗粒间的状态与纤维充分接触从而增加对黏土的加固效果。随着纤维含量的增加，干密度对土体强度的影响会略微降低，但是加筋土的剪切强度仍大于素土。

4)剑麻纤维可以增强黏土整体稳定性和韧性，试样的破坏形式由脆性破坏转变为塑性破坏，纤维在加筋土内部纤维相互交织形成纤维网，增加摩擦力和黏聚力，同时，过高的纤维含量会引起反作用，削弱土体抗剪强度。