棕榈纤维加筋粉质黏土力学性能试验研究*

吴靖江，潘世起，陈小羊，张 鹏，沈笑秋，郑元勋

(1.中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450004； 2.郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州 450001)

0 引言

自Henri Vidal于1969年发现土体内部掺加加筋材料可提高土体抗剪强度后，加筋土技术在世界范围内引起广泛讨论和关注，起初的加筋材料多为土工膜和土工布等土工合成材料，直至20世纪80年代，纤维才被用作加筋材料引入加筋土技术中[1]。

目前，已有学者对纤维加筋土进行了研究，如高磊等[2]通过三轴固结不排水试验研究了玄武岩纤维对土体抗剪强度的影响，并给出了使抗剪强度提升效果最优的纤维掺量；Botero等[3]在粉土中掺加再生涤纶树脂纤维，并进行不固结不排水试验，结果表明再生涤纶树脂纤维可有效改善加筋土抗变形能力；安宁等[4]以聚丙烯纤维作为加筋材料，研究了加筋后黄土抗剪强度和抗崩解性。此外，部分学者研究了聚乙烯纤维[5]、聚酯纤维[6-7]、玻璃纤维[7-10]及碳纤维[11]等对土体的加筋效果，结果表明掺加纤维材料可提高土体抗剪性能、抗压性能、抗拉性能、胀缩性能和承载力等。植物纤维多由植物废料经简单加工制成，材料成本较低，其中黄麻纤维、秸秆纤维等应用较多。Wang等[12]将黄麻纤维作为加筋材料，通过室内三轴试验，探讨了不同加筋条件下加筋土性能变化；武立林等[13]研究了剑麻纤维对砂土和黏土的加筋效果，结果表明剑麻纤维可提高土体性能；彭丽云等[14]研究了玉米秸秆对粉土的加筋效果。

综上所述，合成纤维和植物纤维均可对土体起较好的加筋效果。但目前对植物纤维加筋材料的研究相对较少，对于临时加固工程而言，如基坑开挖时的临时性地基处理、隧道施工期开挖面周围土体的临时加固等，由于植物纤维具有可降解性，无须考虑加固材料长期存在对环境的影响，且由于粉质黏土具有多孔隙性、水敏感性强等特点，颗粒间水分不易挥发，使土颗粒之间的结构性连接减弱，导致土体承载力下降，易造成工程安全问题。

基于此，本文采用棕榈纤维作为粉质黏土加筋材料，通过开展三轴固结不排水试验，研究棕榈纤维对粉质黏土的加筋作用，并结合扫描电子显微镜(SEM)，从微观角度解释棕榈纤维加筋机理。

1 试验概况

1.1 原材料

试验用土最大干密度为1.86g/cm3，最优含水率为14.0%，粒径≥0.075mm的土粒含量为18.54%，粒径<0.075mm的土粒含量为81.46%，液限为27.5%，塑限为17.1%，塑性指数为10.4。

棕榈纤维类型为束状单丝，截面为圆形，直径为0.3～0.5mm，抗拉强度为89～222MPa，杨氏模量为0.44～1.99GPa。

1.2 试验方案

采用TSZ-3型应变控制式三轴仪开展固结不排水试验。为研究相同围压下纤维掺量、长度对加筋效果的影响，本试验设计5种纤维掺量(0.1%，0.3%，0.5%，0.7%，0.9%)和4种纤维长度(5，10，15，20mm)。设置素土组进行对照，为获取应力包络线，每种试验工况下设置4种围压(100，200，300，400kPa)。试验剪切速率为0.08mm/min，以应力-应变曲线峰值应力作为破坏点应力，若无峰值，则选用15%应变处的应力作为破坏点应力。

1.3 试件制备

根据JTG 3430—2020《公路土工试验规程》中扰动土制样方法制备试件。将纤维材料切成所需长度后与土样干拌均匀，加水拌合至土样最优含水率，密封保存24h后进行试件制备，拌合过程中对于出现的纤维缠绕成团现象，进行人工分散，确保纤维在拌合物中的均匀性。

采用直径39.1mm、高80mm的三瓣模，分5层加料、击实，进一步确保纤维分布的均匀性，上下层间刮毛，以保证咬合紧密，击实时确保击实锤每次下落高度一致，使试件每层密实度相同，击实度控制在90%。试件制备完成后，采用真空抽气饱和方式，使试件饱和。

2 试验结果与分析

2.1 试件破坏形态

试件破坏时表现为中间大、两端小的鼓胀状态(见图1)，且由两端向中间均匀过渡，这是因为剪切过程中三轴仪与试件两端的摩擦力对土体两端变形起一定限制作用。试件未出现明显的裂缝和破坏面，外形整体较匀称，发生塑性变形。

图1 试件破坏形态

由经处理后试件中心至上部的外轮廓线可知，加筋土试件横向变形较素土小，这说明在受到外力作用时，土体内部土颗粒之间发生滑动，从而使纤维材料与土颗粒之间产生摩擦力，限制了土颗粒的横向位移，起到约束土体变形、提高土体强度的作用。

2.2 应力-应变曲线

以掺加10mm长棕榈纤维加筋土试件为例，不同围压下应力-应变曲线如图2所示。由图2可知，各围压下试件应力-应变曲线变化趋势基本相同，为较弱的应力强化型曲线；随着应变的发展，偏应力达一定数值后，其增长速度明显减缓，且逐渐趋于稳定，取15%应变处对应的应力作为峰值应力，可看出峰值应力随着围压的增加而增大；不同围压下的加筋土试件应力-应变曲线基本在素土之上，表明棕榈纤维的掺加可提高土体强度。

图2 掺加10mm长棕榈纤维加筋土试件应力-应变曲线

掺加5，15，20mm长棕榈纤维加筋土试件应力-应变曲线变化规律与掺加10mm长棕榈纤维加筋土试件相似，不再赘述。

2.3 纤维掺量的影响

由试验结果可知，棕榈纤维的掺加可提升土体性能，且提升效果与纤维掺量有关。以偏应力峰值和抗剪强度指标作为对比依据，研究纤维掺量对土体性能的影响。

1)偏应力峰值

为更好地分析棕榈纤维掺加后对土体偏应力峰值的影响，引入加筋效果系数Rσ[15]：

(1)

不同纤维长度下加筋效果系数随纤维掺量的变化曲线如图3所示。由图3可知，偏应力峰值随着纤维掺量的增加基本表现为先增大后减小的趋势；以纤维长度为10mm、围压为200kPa的加筋土试件为例，当纤维掺量由0.1%增至0.7%时，加筋效果系数由1.13升至1.25，当纤维掺量进一步增至0.9%时，加筋效果系数下降至1.14。

图3 加筋效果系数随纤维掺量的变化曲线

2)抗剪强度指标

根据试验得到的偏应力峰值，可绘制棕榈纤维加筋土试件在各围压下的Mohr-Coulomb应力圆及其强度包络线，从而得到相应的抗剪强度指标，如图4所示。

图4 抗剪强度指标随纤维掺量的变化曲线

由图4可知，棕榈纤维加筋土试件黏聚力较素土试件有所提高；随着纤维掺量的增大，加筋土试件黏聚力整体表现为先增大后减小的趋势；当纤维长度为5，10，15，20mm时，纤维掺量为0.7%时的加筋效果最优，黏聚力分别提高了24%，31%，22%，10%；纤维掺量对土体内摩擦角的影响较小，内摩擦角变化幅度在2°以内。

3)纤维掺量影响机制

由试验结果可知，棕榈纤维的掺加可提高土体偏应力峰值和黏聚力，且随着纤维掺量的增加，偏应力峰值和黏聚力基本表现为先增大后减小的趋势，这表明对于棕榈纤维加筋土力学性能提升而言，纤维掺量存在最优值。

在纤维长度一定的情况下，掺入土体的纤维会随机分布在土颗粒骨架之间，由于土颗粒对纤维具有包裹作用，使纤维与土颗粒之间产生黏结和摩擦作用，这种作用的强弱主要取决于纤维与土颗粒的有效接触面积。

当纤维掺量较低时，纤维与土颗粒的有效接触面积较小，纤维对土体性能的提升作用不明显。随着纤维掺量的增加，纤维与土颗粒的接触面积增大，黏结力与摩擦力增大，纤维之间相互搭接交织成网的概率增大，纤维网受剪时产生的拉筋作用使土体性能得到进一步提升。当纤维掺量超过最优掺量时，此时由于纤维过多，导致其无法均匀分散在土体内部，且纤维之间互相缠绕成团的概率增大，无法形成有效的纤维网而限制土颗粒在外荷载作用下的位移，导致土体强度降低。纤维缠绕而成的纤维团会在土体内部形成不利界面，当受外荷载作用时，在不利界面处可能产生滑移、塌陷等，也会导致土体偏应力降低。

试验结果表明，使土体性能提升效果最优的纤维掺量为0.7%。

2.4 纤维长度的影响

纤维长度对试验结果有一定影响，为此，通过对比偏应力峰值和抗剪强度变化，研究纤维长度对土体性能提升的影响。

1)偏应力峰值

同样引入加筋效果系数Rσ对偏应力峰值进行对比分析，结果如图5所示。

图5 加筋效果系数随纤维长度的变化曲线

由图5可知，偏应力峰值随纤维长度的增加基本表现为先增大后减小的趋势，以0.7%纤维掺量、200kPa围压下的加筋土试件为例，当纤维长度由5mm增至10mm时，加筋效果系数由1.16升至1.25，偏应力峰值随着纤维长度的增加而增大；随着纤维长度的继续增加，加筋效果系数逐渐降至1.12，偏应力峰值逐渐减小。短纤维的加筋效果随着纤维掺量的增加而增强。

2)抗剪强度指标

纤维长度对抗剪强度指标的影响如图6所示。由图6可知，当纤维掺量一定时，棕榈纤维加筋土试件黏聚力随着纤维长度的增加总体表现为先增大后减小的趋势，但整体均大于素土试件；当纤维掺量为0.1%，0.3%，0.5%，0.7%，0.9%时，纤维长度为10mm时的加筋效果最优，试件黏聚力分别提高了10%，14%，26%，31%，7%；纤维长度对内摩擦角的影响较小。

图6 抗剪强度指标随纤维长度的变化曲线

3)纤维长度影响机制

对于纤维长度而言，同样存在最优值。在一定纤维掺量下，当纤维过短时，由于纤维之间难以形成网状结构，纤维对土体性能的提升基本依靠纤维表面与土颗粒之间的摩擦力，而由于纤维过短，其与土颗粒的接触面积有限，因此对土体性能的提升作用有限。由于纤维自身较柔软，纤维过长时易凝聚成团，且不会因纤维长度的增加而增大其与土颗粒的接触面积。另外，当纤维以团状聚合体出现时，同样无法形成有效的纤维网，因此纤维过短、过长均不利于加筋土性能提升。

当纤维掺量较低时，短纤维(长5mm)加筋效果较差，但随着纤维掺量的增加，其加筋效果逐渐提升，甚至超过长纤维(长20mm)的加筋效果。这是因为随着纤维掺量的增加，短纤维形成的有效纤维网虽有限，但短纤维与土颗粒之间的有效接触面积不断增大，弥补了纤维过短的缺陷，使纤维与土颗粒之间的摩擦力不断增大，从而使土体抗剪强度不断增大。

由研究结果可知，使土体性能提升效果最优的纤维长度为10mm。

2.5 微观分析

SEM下棕榈纤维表面特征如图7所示。由图7可知，与合成纤维[16]表面不同，棕榈纤维表面存在大量孔室及凹槽，可使土颗粒更易嵌入纤维表面，增强土体与纤维之间的黏结和摩擦作用，从而使植物纤维作为土体加筋材料在理论上具有更好的可靠性。

图7 棕榈纤维表面特征

当纤维掺量较低时，纤维对土体的加筋作用主要依靠自身与土颗粒之间的一维黏结和摩擦作用。当纤维掺量为0.1%时，视野范围内的纤维材料较少，且被周围的土体紧紧包围，如图8a所示。当受外荷载作用时，由于纤维和土体的弹性模量不同，土体变形会使纤维和土颗粒之间形成相对运动，需通过摩擦力抵抗相对运动趋势，从而对土体抗剪强度等起一定提升作用，这种作用的强弱主要取决于纤维与土颗粒的有效接触面积。

图8 综榈纤维增强粉质黏土作用机理

随着纤维掺量的增加，视野范围内的纤维材料虽逐渐增多，但纤维之间的离散程度较高，因此少有纤维相互搭接现象，如图8b所示。由于纤维掺量的增加，纤维与土颗粒的有效接触面积增大，从而使纤维的黏结和摩擦作用增大，可进一步提升土体性能。

当纤维掺量进一步提高时，纤维在土体内随机分布，使纤维之间相互搭接，形成三维网状结构，如图9所示。当有外荷载作用时，纤维产生的相对运动趋势会被相互搭接的纤维阻拦，进而将纤维与土颗粒之间的摩擦力分散至周围纤维上，提高其受力上限。此外，由于纤维掺量的增加，纤维与土颗粒的有效接触面积进一步增大，使纤维一维作用能力增强。同时网状结构的形成会增强其对土颗粒位移的限制作用，提升加筋土抗变形能力。

图9 棕榈纤维局部抱团

当纤维掺量继续增大时，此时由于纤维掺量过高，在土体内部难以分散均匀，会出现局部抱团现象，反而不利于土体性能的提升。

3 结语

通过开展室内三轴固结不排水试验，研究了不同纤维掺量和长度下的棕榈纤维加筋土三轴剪切特性，主要得出以下结论。

1)棕榈纤维加筋粉质黏土后，其应力-应变曲线为较弱的应力强化型曲线，偏应力峰值及黏聚力均较素土有所提升，且在低围压作用下提升现象更明显。

2)加筋土偏应力峰值及黏聚力随着棕榈纤维掺量的增加基本表现为先增大后减小的趋势，当纤维掺量为0.7%时，纤维加筋效果最优。相比之下，纤维掺量对内摩擦角的影响较小。

3)棕榈纤维长度对土体性能提升具有一定影响。加筋土偏应力峰值及黏聚力随着纤维长度的增加基本表现为先增大后减小的趋势，当纤维长度为10mm时，纤维加筋效果最优。相比之下，纤维长度对内摩擦角的影响较小。

4)通过对棕榈纤维及加筋土的SEM微观分析，进一步阐述了棕榈纤维作为土体加筋材料的可行性，同时从微观角度解释了棕榈纤维对土体一维、三维加筋作用机理。

5)在本试验范围内，使粉质黏土加筋效果最优的棕榈纤维掺量为0.7%，长度为10mm。