海洋环境下玄武岩纤维加筋砂土抗液化性能的试验研究

杨 易，许成顺，杨钰荣，岳 冲

（1.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124；2.北京工业大学城市建设学部，北京 100124）

在海洋工程领域，众多学者针对海域砂土的液化分析进行了一系列研究。程占云等[1]对海洋工程场地的砂土液化判别方式进行了分析总结，提出了更为适用于实际工程的标准，综合评价中室内试验是分析海域砂土液化的重要方式。纪文栋等[2]进行了一系列应变控制下的三轴试验，通过分析孔隙水压力和应力应变关系提出了海域砂土的液化特性。李腾等[3]总结了海洋环境下砂土在复杂应力条件下的动力特性，提出了波浪荷载作用下海域砂土的动力特性研究具有重要意义。王晓丽等[4]通过一系列循环单剪试验，提出了不同初始应力下钙质砂的强度归一化表达式，对海洋环境下砂土的动强度研究具有重要意义。

“加筋土”概念自20世纪Henri Vidal提出后迅速引起了学者和工程界的高度关注[5]，并作为一项地基处理技术广泛应用于实际工程中[6-8]。纤维增强土是一种典型的加筋土，通过将一定比例的纤维加入土体中获得，可用于提高土体强度和稳定性[9]。工程中常用天然纤维和合成纤维，其中，天然纤维种类繁多、易获取，但增强效果不如合成纤维[10]，合成纤维的选材主要为玄武岩纤维、聚酯纤维和玻璃纤维等。目前在海域砂土研究领域，有部分学者已证明纤维加筋土相对于改良前砂土强度更高，不易变形。DIAMBRA A等[11]认为分散放置的纤维可以增强砂土的整体性，使各向受力更加均匀。LIU J等[12]通过一系列试验发现不同密实度砂土的抗液化性能在掺入纤维后得到了不同程度的提升。KUMAR A等[13-14]使用聚丙烯纤维对粉煤灰—膨胀土混合物进行了压实试验、无侧限压缩试验和分体拉伸强度试验，发现纤维掺入后对砂土的抗拉强度提升较为明显。MAHESHWARI B K等[15]使用土工格栅作为加筋材料在振动台上进行测试，通过观察超静孔隙水压力特征发现了纤维加筋技术能有效提高砂土的抗液化能力。NOORZAD R等[16]通过分析未增强和增强砂土试样的剪切模量证实了纤维对砂土横向位移的限制作用。MICHALOWSKI R L等[17]建立了三轴压缩失效应力预测模型，引入宏观内摩擦角的概念来描述纤维增强砂的破坏准则。KARAKAN E等[18]通过一系列三轴试验研究了不同相对密实度下砂土的抗液化强度，试验结果表明：纤维含量对低密实度下砂土的抗液化强度影响并不明显。SONMEZER Y B等[19]通过一系列剪切试验研究了聚丙烯纤维物理性质对砂土液化性能的影响，通过对循环单剪试验结果的回归分析，提出了相对密度为30%时，砂土液化趋势随纤维含量、纤维长度和有效应力变化的函数表达式。张俊等[20]通过一系列室内三轴试验，分析了不同纤维含量下海洋沙土的力学性能，发现随机分布的纤维可以提高砂土的抗剪强度，且强度受纤维含量变化影响，最优掺量在1.2%附近。王涵等[21]利用纤维加筋技术改良了微生物固化后的海洋砂土，发现试样的初始弹性模量和和割线模量受纤维含量的影响。

综上所述，经过诸多研究工作表明，纤维加筋技术是一种十分可靠、实用的土体加固方法。玄武岩纤维具有力学性能好，强度高的特点，且生产成本相对较低，是一种新型人工合成纤维[21]。目前，我国玄武岩的开采量丰富，玄武岩纤维易于加工获得，具备广泛应用于实际工程的潜质，值得进行进一步的试验研究。另一方面，我国海洋资源丰富，海上空间的利用需求日益提升，但海洋构筑物受波浪荷载和海浪侵蚀作用的影响极易出现地基失稳问题，海洋环境下砂土液化后造成的破坏难以修复，因此海上工程建设的稳定性问题引起了众多学者的重视。玄武岩纤维具有耐腐蚀的特性，非常适合应用于海洋工程中，并且相对于以往的化学加固法而言，该方法对环境的影响较小。然而目前关于使用玄武岩纤维加筋砂土在波浪等循环荷载作用下抗液化性能的研究还比较少。基于此，本文通过一系列室内试验，研究了玄武岩纤维对砂土抗液化性能的影响，可为玄武岩纤维加筋砂土在实际工程中的应用提供理论依据。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料及设备

试验采用北京工业大学空心圆柱循环扭剪仪，进行了一系列各向均等固结条件下的循环扭剪试验，研究纯剪应力作用下玄武岩纤维掺量对砂土抗液化特征的变化规律、剪胀剪缩变形机制等的影响。试样尺寸为外径D=100 mm，内径d=60 mm高度H=150 mm[22]，采用相对密实度Dr=50%的福建标准砂和细砂，颗粒级配曲线如图1所示。

图1 试验用砂的颗粒级配曲线

1.2 试样制备

本试验采用分层干装法制样，砂土骨架相对密度Dr=50%。玄武岩纤维含量为Fc=0%、0.5%、1%和1.5%。首先根据设计的相对密度称取砂土，再按照质量比计算出不同纤维含量下的纤维质量，并将玄武岩纤维与砂土进行充分混合，其中纤维含量（Fc）为纤维质量与纯砂质量之比，试验统一选取长度6 mm的玄武岩纤维。

1.3 试验步骤

装样完成后依次通CO2、无气水，并施加反压进行试样的饱和，测得试样饱和度均在98%以上。本文共开展了40组均等固结不排水条件下的循环扭剪试验，主要试验工况及方案详见表1，考虑到波浪荷载的作用频率，本试验荷载作用频率为f=0.1 Hz和f=0.5 Hz。加筋材料采用玄武岩纤维，该纤维是一种价格低廉、极易获取的高性能合成纤维，通过玄武岩加工制得，制作过程绿色环保、无污染，纤维的物理和力学特性见表2。

表1 砂土的物理性质指标及实验方案

表2 纤维的物理和力学特性

2 试验结果及分析

2.1 纤维加筋砂土的抗液化特征及变形机制分析

2.1.1 纤维加筋含量对砂土液化特征及变形机制的影响

图2给出了荷载作用频率f=0.1 Hz时，砂土相对密实度为Dr=50%、有效围压p′=100 kPa、玄武岩纤维丝含量分别为Fc=0%、0.5%、1%和1.5%的福建标准砂在荷载作用幅值σd=20 kPa下的超静孔隙水压力时程曲线、应力—应变曲线和有效应力路径实测情况。由图2可知，不同玄武岩纤维含量试样的超静孔隙水压力增长模式、应力—应变关系，以及有效应力路径等呈现相同的模式，均表现了显著的剪胀剪缩特性，砂土在达到液化状态后超静孔隙水压力波动较大，有效应力路径呈现出蝴蝶翼型特征，液化后试样变形仍在发展，说明玄武岩纤维含量对砂土变形机制不产生显著影响。

图2 福建标准砂超静孔隙水压力时程曲线，应力—应变曲线和有效应力路径（σd=20 kPa）

图3给出了荷载作用频率f=0.1 Hz时，砂土相对密实度为Dr=50%、有效围压p′=200 kPa、玄武岩纤维丝含量分别为Fc=0%、0.5%、1%和1.5%的福建标准砂在荷载作用幅值σd=20 kPa下的超静孔隙水压力时程曲线、应力—应变曲线和有效应力路径实测情况。由图3可知，在0.1 Hz循环荷载作用下，玄武岩纤维含量对不同有效围压的砂土试样的变形机制几乎没有影响，纤维加筋砂土与纯砂均表现出了相同的超静孔隙水压力增长模式，但不同玄武岩纤维含量的加筋砂土在有效围压p′=200 kPa的条件下，试样颗粒排布更为紧密，颗粒间相互作用更为突出，液化变形出现较晚。液化后出现相同的剪胀特性，有效应力路径呈现出蝴蝶翼型特征，与有效围压p′=100 kPa时相同。

图3 不同有效围压下玄武岩纤维加筋砂土的液化特性曲线（σd=20 kPa）

2.1.2 荷载作用频率对纤维加筋砂土液化特征及变形机制的影响

图4给出了荷载作用频率f=0.5 Hz时，砂土相对密实度为Dr=50%、有效围压p′=100 kPa、玄武岩纤维丝含量分别为Fc=0%、0.5%、1%和1.5%的福建标准砂在荷载作用幅值σd=20 kPa下的超静孔隙水压力时程曲线、应力—应变曲线和有效应力路径实测情况。

由图4可知，该荷载作用频率下，纤维加筋砂土的液化模式与f=0.1 Hz循环荷载作用下不同，在达到初始液化后，呈现逐渐缩小的“蝴蝶翼型”有效应力路径，最终稳定在一定范围内规律变化。添加玄武岩纤维后，纤维含量的变化对福建标准砂液化模式并无显著影响。

图4 不同循环荷载频率下玄武岩纤维加筋砂土的液化特性曲线（σd=20 kPa）

2.2 纤维加筋砂土的动强度曲线分析

本文以砂土超静孔隙水压力达到有效围压作为破坏标准，探讨砂土的动强度规律。得到破坏时振次Nf与作用动应力σd间的关系，表示为σd/σ3c～lgNf曲线，图中CSR表示砂土试样的动强度。图5给出了砂土相对密实度为Dr=50%、玄武岩纤维丝含量分别为Fc=0%、0.5%、1%和1.5%的福建标准砂的动强度曲线发展规律。由图5可知，纤维加固砂的动强度总体大于纯砂，砂土试样的动强度随着纤维含量的增加而提高，但这种相关性存在一定阈值，当玄武岩纤维含量Fc＞1%时，随着纤维含量的增加，砂土试样的动强度出现了减小的趋势，当有效围压为100 kPa、破坏振次为20次时，相较于纯砂，0.5%掺量的纤维增强砂土动强度提高了38%，1%掺量的纤维增强砂土较纯砂提高了66.7%，当玄武岩纤维掺量提高到1.5%时，其相对于福建标准砂的动强度仅提高了11%。试验结果表明，玄武岩纤维加筋砂土的最优掺量在Fc=1%附近。

图5 不同玄武岩纤维含量下福建标准砂的动强度曲线

本文认为玄武岩纤维加筋砂土的动强度提升是由于纤维具有较强的抗拉特性，砂土试样受力后，纤维绷紧，在砂土颗粒间形成了约束，随机分布的纤维在试样中形成立体网状结构，提高了土体的强度。在一定纤维含量内（Fc=0%～1%），纤维占据了砂土颗粒之间的孔隙，试样在受力变形时砂土颗粒与纤维之间的作用效果充分体现，玄武岩纤维与砂土颗粒间的摩擦力作用形成的相互约束，使得一个循环周期内的砂土位移变小，随着液化进程不断深入，砂粒与纤维重新排列，二者接触面积增加，纤维再次绷紧，纤维的结构作用充分体现。当玄武岩纤维掺量超过1%时，玄武岩纤维与砂土颗粒间的作用效果减弱，纤维聚集成团后对砂土的约束效果减弱，结构整体性下降。因此，纤维含量的进一步提升不再对砂土动强度具有显著的提升效果，但是玄武岩纤维加筋砂土的动强度仍然大于未加筋砂土。

图6给出了砂土相对密实度为Dr=50%、玄武岩纤维丝含量分别为Fc=0%、0.5%、1%和1.5%的细砂的动强度曲线发展规律。由图6可知，纤维加筋细砂的动强度总体依然大于纯砂，这说明玄武岩纤维也能增强细砂的动强度，提升砂土的抗液化性能。细砂试样中玄武岩纤维含量与砂土的动强度影响与标准砂的规律相同，针对细砂试样进行玄武岩纤维加固时，纤维含量同样存在一定阈值，最优含量为Fc=1%左右。此外，对比福建标准砂和细砂在不同玄武岩纤维含量下的动强度曲线可以看出，玄武岩纤维对福建标准砂的增强效果更为明显，纤维加固后的标准砂动强度更高，抗液化性能更强。

图6 不同玄武岩纤维含量下细砂的动强度曲线

2.3 玄武岩纤维加筋砂土的相转换线和临界状态线分析

图7（a）和图7（b）分别是相对密实度为Dr=50%、玄武岩纤维掺量Fc=0%、0.5%、1%和1.5%下福建标准砂试样的相变应力比与临界状态应力比随纤维含量的变化关系曲线，从图中可以看出，同一相对密实度下，不同纤维含量的加筋砂土相变应力比相对恒定，几乎不受玄武岩纤维掺入的影响，但随着玄武岩纤维含量的提升，临界状态应力比先增加后减小，在一定范围内（Fc=0%～1%），玄武岩纤维含量越大，临界状态应力比越大，超过一定阈值时（Fc＞1%）临界状态应力比减小。说明玄武岩纤维的掺入会影响砂土的临界状态，纤维含量在Fc=1%附近时，临界状态应力比达到最大值，此时土体的强度最高。

图7 不同纤维含量下福建标准砂的相变应力比与临界状态应力比（σd=20 kPa）

3 结论

本文重点研究了福建标准砂、细砂在不同玄武岩纤维含量下的抗液化特征，通过分析玄武岩纤维对砂土的超静孔隙水压力、应力—应变关系及有效应力路径的影响规律及其作用机理，得到如下研究结论。

（1）纤维加筋技术不会影响砂土的抗液化特征，在荷载作用频率为f=0.1 Hz时，不同玄武岩纤维含量砂土的超静孔隙水压力、应力—应变关系和有效应力路径等呈现相同的模式，均呈现出了硬化型的液化模式。在荷载作用频率为f=0.5 Hz时，纤维加筋砂土达到初始液化后，超静孔隙水压力波动变小，表现出与0.1 Hz循环荷载作用下显著不同，呈现形态不同的硬化型的液化模式。

（2）纤维的掺入可以显著提升饱和砂土的动强度，但存在纤维的最优掺量在Fc=1%左右。当纤维掺量Fc＜1%时，纤维含量越高，纤维加筋砂土的动强度越高，抗液化性能越强；当纤维掺量Fc＞1%时，纤维的增强效果会降低，且加固后砂土的抗液化强度普遍优于未加筋砂土。细砂的抗液化强度也受纤维加筋作用影响，符合上述规律。

（3）玄武岩纤维加筋砂土的相变应力比几乎不受玄武岩纤维加筋效果的影响，该特征值只与砂土的骨架密实度有关；临界状态应力比变化随着纤维含量的增加而增加，且同样具有一定阈值，当纤维含量大于1%时，临界状态应力比随纤维含量的增加而减小。试样砂土的临界状态应力比变化规律与动强度变化规律相似，最优掺量为Fc=1%左右。