椰丝纤维加筋对钙质砂强度影响的试验研究与机理分析

寇海磊,黄佳明,袁景泉,张 鹏,洪 波,刘家辉

(1.中国海洋大学工程学院,山东 青岛 266100;2.海军后勤部专项工程建设办公室,北京 100841;3.中国海洋大学环境科学与工程学院,山东 青岛 266100)

引 言

我国在南海地区的领海面积约为210万km2,接近我国领海总面积的一半,南海地区是我国领土的重要组成部分,不仅有丰富的海洋油气矿产资源、海洋能资源和热带亚热带生物资源,还是我国港口航运和对外贸易的主要通道,具有重要的战略意义。作为南海资源开发建设的先决条件,大规模的岛礁基础工程有待于建设和防护。钙质砂是南海岛礁地基表面常见的一种岩土介质,具有易破碎和强度低的特点,对其建设利用和工程防护带来了很大的难题[1]。传统的海岸带防护工程大多采用混凝土构件或抛石建设,虽然满足了海岸带的防护需求,但是这些“硬”式防护材料成本较高,且庞大沉重的结构造成了运输过程中的困难,在建设过程中往往会对海滩地貌带来负面影响,加剧海滩的侵蚀破坏和退化,造成严重的环境问题[2-3],因此并不适合南海岛礁的防护建设,寻找适用于南海岛礁防护的新方法势在必行。

纤维加筋补强土体是一种有效而又经济的土体改良技术,是指按照一定质量比将适长的纤维细丝与土料充分拌合形成的一种土工复合材料。纤维细丝具有容易拌合及分散性好等优点,在土体中可以通过限制其变形来增加整体的强度,具有近似各向同性的力学性质以及良好的工程性质[4]。Rong等[5]通过直剪试验研究了加筋砂的抗剪性能,认为加筋可以提高砂土材料的粘聚力和内摩擦角。Akbulut等[6]在土中掺入橡胶、聚乙烯、聚丙烯等纤维材料,发现特定的纤维掺量和长度可以增强土的阻尼系数和弹性模量。唐朝生等[7]将不同掺量的聚丙烯加入到软土中,进行了无侧限抗压强度试验,结果表明土体的无侧限抗压强度随纤维掺量增加而成倍提高。宋金岩等[8]采用三轴试验研究了玻璃纤维加筋松散砂土的性能,发现随着纤维含量的增加,加筋砂体的内聚力不断增加,但是内聚力的增加数值与纤维含量并不成线性关系。虽然人工合成纤维具有强度高和耐腐蚀性的优势,但其生产过程会对环境造成污染,使用过程难以降解,不具备绿色、环保、经济等特点[9]。近年来,利用自然界丰富的植物纤维代替人工合成纤维加固土体引起了学者们的兴趣。Alrashidi等[10]向水泥土中加入了纤维素纤维,发现纤维对水泥土的裂隙发育有抑制作用。Prabakar等[11]发现向高孔隙率、低强度和高压缩性的软土掺入剑麻纤维能够显著提高软土的抗剪强度参数。吴燕开等[12]通过无侧限抗压试验和直剪试验,研究了不同纤维含量和不同长度的剑麻纤维对加筋复合土体强度的影响规律,发现剑麻纤维的最优加筋含量为0.4%,最优纤维长度为5mm时加筋复合土体的强度最高。马强等[13]通过三轴试验,分析棕麻纤维含量对加筋土强度的影响规律,发现棕麻纤维加筋土的抗剪强度随纤维含量的增加先增大后减小,最优加筋含量为1.2%。魏丽等[14]对麦秸秆加筋盐渍土的力学性能进行了试验研究,试验结果表明麦秸秆纤维加筋不仅能提高土的黏聚力,还能增强土的抗变形能力。

椰丝作为一种植物纤维,与其它天然植物纤维相比含有更高的木质素,因此具有强度高和弹性好以及更耐腐蚀性的特点,是一种非常有潜力的环保型加筋材料[15-16]。在实际工程中椰丝纤维利用率并不高,已有研究对椰丝纤维加筋低强度和易破碎的南海钙质砂的相关研究较少。本文通过控制椰丝纤维掺量,开展室内不固结不排水三轴试验,对不同椰丝纤维掺量的南海钙质砂应力-应变关系、峰值强度及变形模量的影响进行了研究,分析了椰丝纤维掺量对南海钙质砂强度的影响及其加固的机理,为南海岛礁边坡防护提供了有价值的参考,同时也使得南海地区大量废弃未处理的椰子资源得以充分利用,对节约成本和保护环境具有一定的现实意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用砂为南海钙质砂,砂样经筛分后得到得粒径级配曲线如图1所示。实验开始前选取通过孔径为0.63 mm试验筛的钙质砂作为所需加固的砂样,如图2所示,砂样相关物理参数如表1所示。

表1 砂样力学参数

图1 砂样颗粒级配曲线

图2 试验所用钙质砂Fig.2 Calcareous sand used in the test

所用纤维为自然风干状态的椰丝纤维,如图3所示,其具体参数如表2所示。试验中需要把椰丝剪成10～15 mm长度的短纤维,通过控制椰丝纤维的不同掺量来研究其对钙质砂强度的加筋效果。

表2 椰丝纤维参数

图3 试验所用椰丝

1.2 试验方法

采用湿捣法制备不同纤维掺量的土样,为确保钙质砂与椰丝纤维更好的拌合,先将砂土与蒸馏水混合,水的重量为土体重量的22%,在该含水率下,纤维在土体的分布会更加均匀,根据质量分数为0%、0.2%、0.5%、0.8%、1.1%、1.4%、和1.7%的纤维掺量,对应所需钙质砂的质量为144.89、144.61、144.17、143.74、143.3、142.87和142.43 g,对应蒸馏水的体积为31.88、31.81、31.72、31.62、31.53、31.43和31.33 ml,将拌合好的土样分三层装入贴有橡皮膜的套筒中,采用统一的击实锤从相同高度进行击实,最终制得试样尺寸为Ф39.1 mm×80 mm,质量统一为176.77g。

本次研究采用全自动三轴仪(北京华勘科技有限公司生产)开展不固结不排水(UU)三轴试验,加载速度为0.80 mm/min。考虑到南海岛礁海岸带属于表层土体,设定不同纤维掺量下的各组试样均在围压为50 kPa下进行三轴试验,共进行7组试验,通过控制纤维掺量研究椰丝纤维加筋钙质砂的力学特性及椰丝纤维掺量对加筋效果的影响。

2 试验结果及分析

2.1 椰丝纤维加筋钙质砂应力应变关系

试验结果取试样轴向应变≤20%的数据进行分析研究。图4为不同椰丝加筋含量钙质砂的轴向应力与轴向应变的关系曲线。由图4可以看出,在不同椰丝掺量加筋的钙质砂在轴向应变达到15%时轴向应力均趋于稳定,在最大应力后出现剪切软化的现象。不同椰丝纤维掺量的加筋钙质砂强度差异显著。无椰丝纤维加筋的钙质砂强度最小,最大应力只有12 kPa,0.2%椰丝掺量的加筋钙质砂应力达到38 kPa,0.5%椰丝掺量的加筋钙质砂应力达到59 kPa。当椰丝掺量为0.8%时,加筋钙质砂的强度与之前较低掺量相比增加明显,应力达到127 kPa,是0.5%椰丝掺量的2.2倍。当椰丝掺量为1.1%时,加筋钙质砂的应力达到194 kPa;当椰丝掺量为1.4%时,加筋钙质砂的应力达到了本次试验中最大,为293 kPa;当椰丝掺量为1.7%时,加筋钙质砂的最大应力为246 kPa。与无椰丝纤维加筋的钙质砂相比,椰丝掺量增加至0.2%、0.5%、0.8%、1.1%、1.4%和1.7%时,椰丝纤维加筋钙质砂的最大应力分别增加了3.2、4.9、10.6、16.2、24.4及20.5倍。椰丝纤维可以促进砂颗粒间的接触,增强砂颗粒之间摩擦,因此钙质砂在加入椰丝纤维后强度有了明显的提升。

图4 不同纤维含量砂样轴向应力与轴向应变关系

2.2 纤维掺量对峰值强度及破坏应变的影响

图5表示不同椰丝掺量加筋的钙质砂达到峰值强度及其所对应的破坏应变,其中峰值强度为土体所能达到的最大应力,破坏应变为土体达到最大应力时刻的初始应变。当达到峰值强度后,椰丝纤维掺量为0%、0.2%、0.5%、0.8%、1.1%、1.4%和1.7%的加筋钙质砂的峰值强度分别为12、38、59、127、194、293和246 kPa,此时不同椰丝纤维掺量的加筋钙质砂破坏应变分别为6%、8%、10%、14%、17.6%、14.8%和12.4%,随着椰丝掺量的增加,峰值强度及其所对应的应变呈现回转趋势,当加筋钙质砂中的椰丝纤维掺量较低时,增加椰丝纤维掺量可以增大加筋钙质砂的强度,椰丝纤维掺量为1.4%时,椰丝纤维加筋钙质砂的峰值强度最大,为293kPa,继续增加到1.7%时,峰值强度有所降低,说明椰丝纤维的含量存在一个最佳掺量。椰丝纤维加筋钙质砂的破坏应变随着椰丝纤维掺量的增加先增大后减小,与当椰丝纤维掺量为1.4%时,加筋钙质砂的破坏应变达到最大,为17.6%,是无椰丝纤维加筋钙质砂的2.9倍,这是因为一定数量的椰丝纤维在钙质砂中交织形成网状结构,共同承担外界力的作用,从而提高砂土整体的稳定性。

图5 加筋钙质砂处于峰值强度时的应力应变

2.3 纤维掺量对割线模量的影响

割线模量是在单向受力条件下,土体应力-轴向应变曲线上相应于50%最大应力的点与原点连线的斜率,反映了土体的平均刚度。椰丝纤维加筋钙质砂的割线模量可按照公式(1)进行计算。不同椰丝纤维掺量加筋钙质砂的割线模量数值如图6所示。椰丝纤维掺量为0%、0.2%、0.5%、0.8%、1.1%、1.4%和1.7%的加筋钙质砂对应的变形模量分别为0.78、0.79、1.04、1.50、1.53、2.85和1.97 MPa,椰丝纤维加筋钙质砂的割线模量随纤维掺量的增加先增大后减小,当椰丝纤维掺量在0.5%以下时,椰丝纤维加筋钙质砂的割线模量与无椰丝加筋钙质砂相比变化不大;当椰丝纤维掺量为1.4%时,测得割线模量为本次试验中最大,为2.85 MPa,是无椰丝加筋钙质砂的3.7倍;继续增加椰丝掺量至1.7%时,椰丝纤维加筋钙质砂的割线模量有所降低,为1.97 MPa,是无椰丝加筋钙质砂的2.5倍。割线模量越大,砂土试样刚度越大,说明钙质砂在加入椰丝后,抵抗变形的能力会得到提高。

图6 不同纤维含量加筋钙质砂的割线模量

E50=σ′/ε′

(1)

式中,E50为土体的割线模量;σ′为土体50%的峰值强度值;ε′为该峰值强度值所对应的应变值。

2.4 纤维加筋机理分析

纤维加筋土体的机理示意图如图7所示。细长的椰丝纤维可以填充钙质砂之间的空隙,使得砂颗粒与砂颗粒以及砂颗粒与椰丝纤维能够充分接触,从而使得接触面之间的界面力增加。接触面之间的界面力可以分为椰丝纤维对钙质砂法向的压力N和切向的摩擦力f,当土体承受外力时,接触面之间的作用力增大以及椰丝纤维受拉使其对砂颗粒间的包裹更为紧密,压力N增大,接触面之间的摩擦力也随之增大,从而发挥其加筋的作用。另外土体中均匀分布的椰丝纤维错综交织形成许多交织点,其中一根椰丝纤维受到的拉力P可以传到交织点使错综的椰丝共同承担P的作用,即任何一段椰丝纤维的受力变形都会受到与其交织的各个方向纤维的阻止,形成一个空间约束的作用。当超过最佳掺量时,纤维在土体中无法均匀分布,多余的纤维会在土体中集中形成隔断层,导致纤维无法跟砂土充分接触,因此会降低抗剪强度。

图7 纤维加筋机理示意图

3 结论

本文通过改变椰丝纤维掺量,在围压为50 kPa的条件下进行钙质砂的室内不固结不排水三轴试验,分析了不同椰丝掺量加筋钙质砂的各种强度指标的变化规律,所得结论如下:

(1)椰丝纤维填充钙质砂颗粒间的空隙因此增大了砂颗粒与砂颗粒、砂颗粒与椰丝之间的压力和摩擦力,均匀分布的椰丝纤维还可以错综交织形成椰丝纤维网从而将颗粒连接成一个整体共同受力,形成一个空间约束,从而发挥其加筋效果。

(2)钙质砂的加筋效果并不是随椰丝掺量越多越好,而是存在一个最佳掺量。本次试验测得当椰丝掺量为1.4%时,加筋钙质砂的峰值强度和抵抗变形的能力最高,对应的峰值强度和变形模量分别为293 kPa和2.85 MPa;当椰丝掺量为1.1%时,加筋钙质砂的延性最好,对应的破坏应变为17.6%。

(3)椰丝纤维作为一种加筋材料,可以有效提高钙质砂的强度和抵抗变形的能力,不同椰丝掺量加筋钙质砂的加筋效果在轴向应变大于10%时差异显著。