纤维长度与掺量对加筋水泥土直剪特性的影响研究*

黄毫春，昌 郑，吴春鹏，姚嘉敏，熊 勃，刘飞禹

(1.中国建筑第五工程局有限公司，广东 珠海 519000； 2.上海大学土木工程系，上海 200072；3.广东华固工程有限公司，广东 广州 510010)

0 引言

软土在珠海地区大面积分布，具有含水率高、压缩性高、孔隙比高、灵敏度高、渗透系数低、承载力低等特点[1-2]，其处置方法是工程建设关注的重点问题之一[3]。目前，水泥土被广泛地应用于软土地基处理中，可有效减小地基沉降，提高土体强度[4-5]。多位学者对水泥土静力特性进行了研究，如刘鑫等[6]通过三轴试验研究了水泥砂浆固化土剪切强度特性，结果表明，掺砂量和水泥掺入比的增加能够大幅度改善固化土的力学性能；Yao等[7]通过无侧限压缩试验研究了水泥含量、总含水量和养护龄期对水泥土无侧限抗压强度的影响，并提出了考虑水泥土配合比和养护龄期的强度预测模型。同时，随着水泥土在工程中的应用越来越广泛，有关动力作用下水泥土力学特性的研究日益增多，如李普等[8]采用动单剪试验，研究了水泥掺入比和循环应力比对水泥土动强度、动变形及软化特性的影响，并建立了水泥土软化指数模型；马冬冬等[9]通过一系列试验，研究了地聚合物水泥土在不同偏高岭土掺量和养护时间下内部孔隙和动态抗压强度的变化规律。

然而，水泥土复合地基抗拉强度低，易发生脆性破坏，而纤维作为高分子材料，具有较高的抗拉强度，向水泥土中加入纤维能够提高其力学性能[10]。目前已有多位国内外学者开展了有关纤维加筋水泥土强度及变形特性的研究，如Liu等[11]进行了无侧限抗压和抗拉试验，发现纤维在聚合物稳定砂破坏过程中表现为拉伸和断裂，而非在土壤中滑动；牛雷等[12]研究了水泥土无侧限抗压强度受纤维掺量和纤维长度的影响，结果表明，纤维分布密度与均匀性对强度的影响较大；王闵闵等[13]通过动三轴试验，研究了不同纤维种类和纤维掺量下水泥土动强度、动弹性模量变化规律；Lv等[14]研究发现，纤维弹性模量较低和质地较软是造成集束的主要原因，同时纤维集束的存在会导致薄弱区域的形成，使土体强度降低；马芹永等[15]认为纤维掺量对水泥土吸收能、分形维数有较大影响，合适的纤维掺量能够提高水泥土动态力学性能。

目前，国内外学者对纤维加筋水泥土的研究主要集中在抗压强度和抗拉强度方面[16]，综合考虑纤维掺量及长度对水泥土剪切特性的影响研究较少。本文以广东省珠海市横琴新区常见淤泥为研究对象，以聚丙烯纤维和水泥为加固材料，通过直剪试验，研究不同纤维掺量及纤维长度对水泥土直剪特性的影响，以期为纤维加筋水泥土在珠海地区的应用与推广提供参考。

1 试验材料

本试验采用的土样取自珠海市横琴新区某基坑，取土深度约为10m。所取土样为淤泥，呈流塑状，局部夹砂质，天然含水率为57.1%，天然密度为1.61g/cm3，相对密度为2.64，孔隙比为1.58，液限为47.41%，塑限为26.39%，压缩模量为1.20MPa，有机质含量为4.80%。本试验采用的纤维为聚丙烯纤维，束状单丝，形态如图1所示，长度分别为3，6，9，12mm，直径为0.018～0.048mm，密度为0.91g/cm3，纤维抗拉强度≥486MPa，弹性模量≥4 800MPa，无吸水性，抗酸碱性极强，分散性极好。水泥采用P·O 42.5R普通硅酸盐水泥。

2 试验设备及方案

本次纤维加筋水泥土直剪试验采用HM-5760型气动直剪仪完成。参照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[17]，将试验剪切速率设定为1mm/min，剪切位移设定为6mm。剪切力、位移等相关试验数据由与HM-5760型气动直剪仪相匹配的自动采集系统读取、记录并生成报告。每组试验测试3个试样，试验结果应舍去异常数据，取正常试验结果平均值。

本试验采用控制变量法，考虑纤维掺量、纤维长度和竖向应力对纤维加筋水泥土剪切特性的影响。纤维掺量分别为0，0.4%，0.8%，纤维长度分别为3，6，9，12mm，竖向应力分别为100，200，300kPa。直剪试验共分为27组，每组3个试样。纤维加筋水泥土试样配合比参照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》[18]执行，试验控制水灰比为1.25，水泥掺入比为25%。

3 试样制备

试验模具直径为50mm，高度为20mm，试样成型前向模具内壁均匀涂抹白凡士林，分别称取相应质量的风干土、水泥、水和纤维，再向混合料中加水搅拌均匀。将拌合物分2次装入模具中，每次装料高度相等，并通过振捣棒按螺旋方向从边缘向中心均匀插捣15次，然后将试模固定在振动台上振动2min，将顶部多余的水泥土刮除、抹平后覆盖塑料薄膜，防止水分蒸发，静置48h后拆模，拆模后的试样在室温水中养护28d。

4 试验结果与分析

4.1 纤维掺量对水泥土剪切特性的影响

1)剪切应力-剪切位移关系

本文将剪切应力-剪切位移关系曲线中的峰值剪切应力定义为抗剪强度，纤维长度为9mm时水泥土剪切应力-剪切位移关系曲线如图2所示。由图2可知，在纤维长度不变的情况下，水泥土抗剪强度随着纤维掺量的增大而增大，素水泥土(未掺纤维)剪切应力在剪切初期快速增大，达峰值后剪切应力快速减小，这表明素水泥土在剪切过程中的破坏模式为脆性破坏。纤维加筋水泥土(纤维掺量为0.4%，0.8%)剪切应力在剪切初期的增长速率较素水泥土快，达峰值后有较小幅度的回落，表现为塑性破坏，可知纤维加筋水泥土地基力学特性优于素水泥土地基，在破坏前能够产生预兆，危险性较小。

在纤维掺量不同的情况下，水泥土达峰值剪切应力所需的剪切位移不同，随着纤维掺量的增大，水泥土破坏时所需的剪切位移增大，当未掺纤维时，水泥土在剪切位移约为3.06mm(约为剪切面长度的51%)的情况下发生剪切破坏；当纤维掺量为0.4%时，水泥土在剪切位移约为3.30mm(约为剪切面长度的55%)的情况下发生剪切破坏；当纤维掺量为0.8%时，水泥土达峰值剪切应力所需的剪切位移约为4.11mm(约为剪切面长度的68.5%)。这可能是因为纤维具有较好的抗拉性能，在水泥土受外界动荷载影响的情况下，能够抑制土体内部裂缝的发展，宏观表现为纤维加筋水泥土达峰值剪切应力的剪切位移较素水泥土大。

2)抗剪强度增强系数

为更加直观地反映聚丙烯纤维对水泥土抗剪强度的增强作用，引入抗剪强度增强系数α，表达式为：

(1)

式中：τPF为纤维加筋水泥土破坏剪切应力；τP为素水泥土破坏剪切应力。

纤维加筋水泥土抗剪强度增强系数随纤维掺量与竖向应力的变化如图3所示。由图3可知，各纤维掺量下，水泥土抗剪强度增强系数均>1.0，且随着纤维掺量的增加，不同竖向应力下抗剪强度增强系数呈增大趋势，纤维掺量越大，加筋效果越明显。

不同竖向应力下，纤维掺量为0.4%，0.8%时的水泥土平均抗剪强度较素水泥土分别提高了1.293，1.509倍，这是因为纤维在水泥土内部形成了网状结构，使土体内部结构更紧密，在外力作用下可抑制裂缝的发展，最终表现为纤维加筋水泥土抗剪强度的提高。

为更好地反映纤维掺量(纤维长度)增加时水泥土抗剪强度变化规律，引入相对增长率Ka，表达式为：

(2)

水泥土纤维掺量为0.4%，0.8%时的相对增长率分别为29.30%，16.71%。相对增长率越大，表明随着纤维掺量(纤维长度)的增加，纤维在水泥土中发挥的加筋效果越好。当水泥土纤维掺量为0.4%时，抗剪强度较素水泥土提高了29.30%；当水泥土纤维掺量由0.4%增至0.8%时，抗剪强度仅提高了16.71%。由此可知，水泥土抗剪强度不会随着纤维掺量的增加持续增长，增长趋势会逐渐变缓。

4.2 纤维长度对水泥土剪切特性的影响

1)剪切应力-剪切位移关系

纤维掺量为0.8%时水泥土剪切应力-剪切位移关系曲线如图4所示。由图4可知，在纤维掺量相同的情况下，水泥土抗剪强度随着纤维长度的增加基本呈先增大后减小的趋势，这表明存在最佳纤维长度。在竖向应力为300kPa的情况下，纤维长度为3，6，9，12mm时对应的峰值剪切应力分别为630.24，703.28，777.99，740.99kPa。由于纤维加筋水泥土抗剪强度受纤维与土体之间黏结作用和摩擦作用的影响，当纤维长度较小时，在外力作用下纤维与土体之间易发生滑动；当纤维长度较大时，同等拌合情况下长纤维更易出现分布不均、弯折、聚集等现象，纤维的加筋作用无法充分发挥，最终使水泥土抗剪强度降低。

在竖向应力为100kPa的情况下，纤维长度为3，6，9，12mm时对应的峰值剪切应力分别为338.08，378.68，422.57，403.55kPa，残余剪切应力分别为298.73，345.94，399.43，374.05kPa。通过对比4种纤维长度下残余剪切应力与峰值剪切应力的比值可知，纤维长度为9mm时的水泥土延性最好，这表明在实际工程中应用纤维加筋水泥土时，需提前进行相关试验，找到符合具体工程的最佳纤维长度，然后进行大规模工程施工。

2)抗剪强度增强系数

纤维加筋水泥土抗剪强度增强系数随纤维长度与竖向应力的变化如图5所示。由图5可知，随着纤维长度的增加，各竖向应力下水泥土抗剪强度增强系数呈先增大后减小的趋势，这表明并不是纤维越长加筋效果越好，而是存在最优纤维长度。各纤维长度下，抗剪强度增强系数均>1，这表明纤维加筋水泥土抗剪性能优于素水泥土。

不同竖向应力下，纤维长度为3，6，9，12mm的水泥土平均抗剪强度较素水泥土分别提高了1.216，1.359，1.509，1.441倍。当竖向应力由100kPa增至300kPa时，相同纤维长度下水泥土抗剪强度增强系数增大，这说明聚丙烯纤维加筋作用在较高的竖向应力下更易发挥。结合工程经验，可知纤维加筋水泥土可较好地应用于软土深大基坑工程中，能够有效提高软土地基承载力。

纤维长度为3，6，9mm时的相对增长率分别为21.59%，11.77%，11.06%，此时水泥土抗剪强度随着纤维长度的增加而提高，但提高幅度逐渐减小。当纤维长度为12mm时，相对增长率为-4.51%，可知纤维长度在9～12mm之间存在最优值，使纤维能够在水泥土中发挥最佳的加筋效果。

4.3 水泥土体变特性

纤维长度为9mm时，水泥土最终剪切位移如图6所示，水泥土体变以膨胀为正，压缩为负。由图6可知，在竖向应力为100，200kPa的情况下，水泥土最终剪切位移均为正值；在竖向应力为300kPa的情况下，水泥土最终剪切位移均为负值。这说明随着竖向应力的增大，水泥土体变表现出压缩趋势。同时，在竖向应力分别为100，200，300kPa的情况下，纤维掺量为0.8%的水泥土最终剪切位移较素水泥土分别增长了0.247，0.180，0.168mm，可知纤维的加入会使水泥土体变表现出膨胀趋势。

纤维掺量为0.8%时，水泥土最终剪切位移如图7所示。由图7可知，水泥土最终剪切位移随着纤维长度的增大先增大后减小，在竖向应力分别为100，200，300kPa的情况下，纤维长度为9mm的水泥土最终剪切位移较长度为3mm时分别增大了0.189，0.130，0.111mm，纤维长度为12mm的水泥土最终剪切位移较长度为9mm时分别减小了0.107，0.068，0.018mm。同时，纤维长度增长初期对水泥土体变影响较大，在竖向应力分别为100，200，300kPa的情况下，纤维长度由3mm增至6mm时的最终剪切位移增长量分别占总增长量的56.08%，57.59%，81.98%。

4.4 水泥土抗剪强度

1)抗剪强度包络线

水泥土抗剪强度包络线如图8所示。通过莫尔-库仑准则τ=c+σtanφ对水泥土抗剪强度进行描述，其中c为黏聚力，φ为内摩擦角，τ为剪切应力，σ为竖向应力。在单调直剪的情况下，每组试验的相关系数R2均>0.99，说明竖向应力与水泥土峰值剪切应力表现出良好的线性相关性。

2)抗剪强度指标

水泥土抗剪强度指标与纤维掺量、纤维长度的关系如图9所示。由图9可知，随着纤维掺量的增加，水泥土内摩擦角和黏聚力均有不同程度的提高。当纤维长度为6mm时，纤维掺量为0，0.4%，0.8%的水泥土内摩擦角分别为47.84°，54.51°，58.36°，黏聚力分别为175.89，190.78，216.85kPa。纤维的存在使试样在剪切过程中受到的部分剪切力被分担，随着纤维掺量的增加，试样被分担的剪切力越大，纤维提供的拉力主要来自于纤维与土体之间的摩擦力和黏结力。随着纤维长度的增加，水泥土内摩擦角和黏聚力均先增大后减小。当纤维掺量为0.4%时，纤维长度为3，6，9，12mm的水泥土内摩擦角分别为52.98°，54.51°，57.07°，55.85°，黏聚力分别为182.59，190.78，206.36，196.61kPa。由于纤维过长集束难以充分打开，在相同的拌合情况下，长纤维的拌合性更差，纤维无法均匀地分散于水泥土中，同时纤维集聚处易成为水泥土薄弱处，从而导致水泥土内部孔隙率增大、密实度降低。

在实际工程中，需结合地质条件与经济性选择合适的纤维加筋方案。通过观察抗剪强度指标相关数据，选择内摩擦角及黏聚力更大的方案，有利于增强复合地基整体稳定性，使地基加固效果更好。

5 结语

本文以珠海地区某基坑工程为背景，采用直剪试验，研究了素水泥土和纤维加筋水泥土抗剪强度及体变特性随纤维掺量、纤维长度的变化规律。

1)将聚丙烯纤维加入水泥土中可有效提高其抗剪强度，且可将水泥土破坏形式由脆性破坏转变为塑性破坏。

2)增加纤维掺量能够提高水泥土抗剪强度，但提高幅度随着纤维掺量的增加逐渐变缓。纤维掺量越大，水泥土达峰值剪切强度所需的剪切位移越大。

3)水泥土抗剪强度随着纤维长度的增加呈先增大后减小的趋势，存在最优纤维长度，使纤维能够在水泥土中发挥最佳的加筋效果。

4)随着纤维掺量的增加，水泥土体变呈现出膨胀趋势，黏聚力和内摩擦角均有不同程度的增长。

随着纤维长度的增加，水泥土体变呈现出先膨胀后压缩的趋势，黏聚力和内摩擦角均先增大后减小。