纤维加筋红黏土强度特性试验及微观机理分析

顾展飞, 赵学文,2, 张明飞

(1.郑州航空工业管理学院,河南 郑州 450046; 2.广州华磊建筑基础工程有限公司,广东 广州 510403)

城市化进程的加快导致城市生活垃圾日益增加,如何正确有效处理城市垃圾,已成为现阶段可持续和高质量发展的关键问题之一。当前采用较广泛的垃圾处理方法是卫生填埋法,填埋场工程中常选用黏性土作为垃圾填埋场顶、底部的防渗层材料,黏性土一般强度较低,当不均匀沉降发生时,土体易被拉断导致垃圾渗滤液渗漏,污染城市地下水土环境[1]。为改善黏性土作为垃圾填埋场防渗材料时强度较低、易被拉断的问题,需对其进行改良加固,使黏土具有一定的抗拉和抗剪强度。

红黏土是典型的黏性土,属于特殊性土,主要分布在湖南、贵州、云南及广西等西南地区[2-3]。近年来,有许多学者针对红黏土的改良展开了一系列研究,研究发现:纳米石墨粉掺入红黏土中后,对土体的黏聚力影响十分明显,但对内摩擦角的作用较小,抗剪强度随着纳米石墨粉掺入量的增加,呈现先增大后减小的趋势[4-5]。将水泥掺进红黏土中后,水泥红黏土的黏聚力、内摩擦角随水泥掺量的增大表现出正相关的变化规律[6-7]。微生物掺入红黏土中后可提高土体的抗剪强度[8]。现有的红黏土改良研究主要是以化学方法为主,该方法虽在一定程度上可以改善土体的力学特性,但会提高土体的脆性,还会对土壤环境造成一定的污染,不符合绿色环保发展理念。

纤维加筋技术是近年来兴起的一种有效改良土体力学特性的物理方法,其中比较常见的加筋材料是聚丙烯纤维。聚丙烯纤维具有抗拉和抗剪强度高、吸水性小、抗高(低)温性能好、价格低廉、绿色环保、改良效果显著等优点,在工程实践中得到广泛应用,成为学术界研究的热点。AL-MAHBASHI A M等[9]研究了表面形态不同的聚丙烯纤维对膨胀黏性土的水土特征曲线的影响规律发现,在土中掺入石灰后可以使纤维表面变得粗糙,加强了与土颗粒的黏结,从而改善了土体的力学性能。肖庆一等[10]通过劈裂强度试验发现,0.45%掺量的聚丙烯纤维可显著提高二灰稳定红黏土的力学性能,可缓解废弃红黏土不可再利用造成的环境污染问题。张金良等[11]使用自主研发的试验设备及新型固化剂,改良了黄土的抗冲刷性能。李军发等[12]研究了冻融条件下聚丙烯纤维改良土的力学性质,得出了纤维改良土的最佳掺量为0.3%、最佳长度为9 mm的结论。陈乐等[13]通过一维固结试验研究了聚丙烯纤维加筋高岭土的压缩特性及对固结系数的影响规律。安宁等[14]研究发现,黄土中掺入聚丙烯纤维后,土体的抗剪强度、抗崩解性、渗透系数均得到提升或增大。沈飞凡等[15]通过室内试验研究发现,聚丙烯纤维掺入膨润土中后,可有效抑制土体剪切破坏时裂缝的进一步发展,也可提高土体的抗剪强度,其中对土体黏聚力的影响远大于对内摩擦角的影响。

目前,关于聚丙烯纤维加筋土的研究对象仅限于膨润土、黄土、高岭土、二灰红黏土等土体,对素红黏土的研究鲜有报道,已有报道多关注对土体力学性能指标变化规律的研究[16],对纤维加筋土的微观作用机理研究不够深入。本文以聚丙烯纤维为改良材料,以纤维长度和掺量为变量,开展聚丙烯纤维加筋红黏土(以下均简称纤维红黏土)的抗剪强度特性研究;结合扫描电子显微镜测试,从微观角度揭示纤维对红黏土强度特性的微观作用机理,采用SPSS软件模拟分析,建立纤维长度、纤维掺量与纤维红黏土的c(黏聚力)和φ(内摩擦角)的函数关系模型,以期为红黏土地区的垃圾填埋场防渗层设计提供理论参考。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验土样取自湖南省衡阳市某大学新建教学楼的施工场地,土体的物理参数指标见表1。纤维选取聚丙烯纤维,物理力学参数见表2。

表1 红黏土的基本物理性质

表2 聚丙烯纤维的参数

1.2 纤维红黏土强度特性试验

1.2.1 试验方案

以黏聚力c和内摩擦角φ作为直剪试验的考核指标,纤维长度、纤维掺量(纤维质量与干土质量的百分比)为变量,各土样的编号、纤维长度及纤维掺量见表3。

表3 单因素抗剪强度试验方案

1.2.2 试样制备

1)直接剪切试验试样制备:①取适量土样放入 100～110 ℃烘箱中烘干,按最优含水率及纤维掺量计算出所需水和纤维的质量,然后称取合适的水、干土和纤维,拌和均匀。②制样过程中先喷洒一定的水分,以避免土样太干燥纤维出现抱团。③然后将纤维分散均匀撒入土中,最后将剩余水分全部洒入,充分搅拌。④土样制好后,装入塑料袋里,养护24 h,称取适量土体放入环刀中,采用千斤顶压实土样。直剪试验的每组试验中压制4个土样,每组因素水平下设置2组平行试验。

2)电镜扫描试样制备:选取各试样剪切面上具有代表性的部位制成1 cm3大小的方块放于制样台上,对其进行喷金处理后备用。

1.2.3 试验仪器

直剪试验采用应变控制式四联直剪仪,剪切速率为0.8 mm/min。电镜扫描试验采用的电镜是型号为S-4800场发射扫描电子显微镜。

2 试验结果与分析

2.1 直剪试验结果与分析

试验得到素红黏土黏聚力c值为20.18 kPa、内摩擦角φ值为17.26°。根据试验结果绘制不同纤维长度、不同纤维掺量条件下抗剪强度指标的变化规律,如图1—4所示。

图1 纤维红黏土黏聚力c随纤维长度变化的关系曲线

2.1.1 纤维长度对红黏土黏聚力c的影响

由图 1 可看出,各纤维掺量下纤维红黏土的黏聚力c值均大于素红黏土的,且随纤维长度增加先增大后减小:在纤维长度为 3～9 mm 范围内,各纤维红黏土c值均随着纤维长度的增大而增大;在纤维长度为6～9 mm范围内,c值的增大幅度较明显,最大增加值为10.22 kPa;当纤维长度持续增大至12 mm时,c值的变化曲线出现拐点,此时纤维红黏土c值随纤维长度的增加而减小,且减小幅度较接近,说明并不是纤维长度越长,纤维加筋效果就越显著。在纤维长度为9 mm时,各掺量纤维红黏土的c值出现了峰值。各纤维红黏土在纤维长度为9 mm、纤维掺量为0.5%时c值达到最大值,为60.58 kPa,较素红黏土的提高了200.20%。

2.1.2 纤维长度对红黏土内摩擦角φ的影响

由图2可知:在0.2%、0.5%纤维掺量下φ值变化规律呈现出较好的同步性;纤维掺量分别为0.1%、0.3%土体的φ值变化规律较一致。整体而言,纤维长度对纤维红黏土φ影响较小,纤维红黏土φ值与素红黏土φ值非常接近,纤维红黏土φ值随纤维长度变化无明显变化规律。

图2 纤维红黏土内摩擦角φ随纤维长度变化的关系曲线

2.1.3 纤维掺量对红黏土黏聚力c的影响

由图3可看出:聚丙烯纤维掺入到土体中后,纤维红黏土土体的c值均远高于素红黏土的。纤维红黏土c值随纤维掺量的增加,其变化曲线整体均表现出双峰型的变化规律。纤维掺量由0.1%增大至0.2%时,不同长度纤维红黏土c值均小幅度增加,而后随着纤维掺量增大至0.3%～0.4%时,c值均先小幅度减小后趋于稳定,在纤维掺量为0.2%时,各长度纤维红黏土c值达到第一个峰值;当纤维掺量持续增大至0.5%,各长度纤维红黏土c值均增大,且增大幅度明显,最大增大值为18.23 kPa;当纤维掺量持续增大至0.7%时,c值变化曲线出现拐点,此时纤维红黏土c值随纤维掺量的增加而减小,且下降幅度较一致,在纤维掺量为0.5%时,纤维红黏土的c值出现了第2个峰值。

图3 纤维红黏土黏聚力c随纤维掺量变化的关系曲线

2.1.4 纤维掺量对内摩擦角φ的影响

从图4中可以看出:纤维红黏土的内摩擦角φ值随纤维掺量的增加无明显变化规律,随纤维掺量的增加,纤维红黏土的φ值在素红黏土的φ值附近上下波动。整体来看,纤维掺量对φ的影响较小。在纤维掺量分别为0.1%、0.2%、0.5%时,各纤维红黏土的φ值均低于素红黏土的;在纤维长度为9 mm、纤维掺量为0.3%时,纤维红黏土的φ值达到峰值19.20°。

图4 纤维红黏土内摩擦角φ值随纤维掺量变化的关系曲线

2.1.5 纤维红黏土黏聚力与纤维长度、纤维掺量的二元非线性回归模型的建立

综上所述:纤维长度和掺量对抗剪强度指标c的影响较大,对φ的影响较小且无规律。基于上述试验结果,运用SPSS软件分别对纤维长度与c值、纤维掺量与c值进行曲线估计,最后进行非线性回归建立纤维红黏土c的二元非线性回归模型,如下:

式中:x1表示纤维长度;x2表示纤维掺量。

通过回归分析得出c的非线性模型的相关系数为0.962,接近1,表明该模型的拟合效果极佳,可为相关的工程应用提供理论参考。

2.2 扫描电镜试验结果与分析

不同纤维长度、不同纤维掺量的纤维红黏土筋-土作用界面的微观形态特征图像及纤维在红黏土中的排列分布特征见图5。从图5中可看出:

图5 纤维红黏土筋-土作用界面的微观形态特征SEM图

1) 当纤维较短(3 mm)、掺量较少(0.1%～0.2%)时,纤维在红黏土中呈随机散乱的无定向分布排列,纤维相互间未见相交现象(如图5(a)所示);在外力作用下,土颗粒会镶嵌在纤维中(如图5(b)所示),此时纤维与土体的接触面积较小。当土体在荷载作用下发生剪切位移或破坏时,因纤维的变形刚度大于黏土颗粒的,使得纤维的剪切位移小于黏土颗粒的,两者间的相对位移使得筋-土接触界面产生了作用力,可将此类界面作用描述为筋-土界面的镶嵌作用,此作用方式在纤维长度较小时容易出现。

2) 随着纤维长度增长至6 mm、掺量适中 (0.3%～0.4%)时,纤维在红黏土中主要以平行或垂直于土体的方式分布于红黏土中(如图5(c)所示),与黏土颗粒充分接触,筋-土界面纤维与土颗粒接触面积增多,在外力作用下可起到单向包围的作用(如图5(d)所示);纤维间开始出现定向排列分布现象,但仍未出现明显的相交现象。

3) 随着纤维长度和纤维掺量的进一步增加,垂直和平行于土体的纤维发生弯曲变形,相互交叉(如图5(e)所示),筋-土界面处土颗粒与纤维的接触面积进一步增大,筋-土界面形成平面包裹在土体颗粒表面(如图5(f)所示),使土颗粒间孔隙减小形成团聚体,有利于提高颗粒间的咬合摩擦力。

4) 在红黏土中掺入较长、较多的纤维后,纤维与红黏土的相对位置出现垂直、斜交、平行3种形式,且纤维由直线型变成弯曲型,纤维以无定向排列方式分布在土体中且相互交织(如图5(g)所示)。纤维与纤维间明显可见平行或相交现象,形成三维空间网状结构(如图5(h)所示),筋-土表面接触面积显著增大,且筋-土界面处产生的作用力呈多方向分布。

整体而言,纤维掺入红黏土中后,与红黏土间存在镶嵌、单向包围、平面包裹、三维空间网4种作用方式,随着纤维长度和纤维掺量的变化,4种作用方式可相互间发生转变。纤维在红黏土中的排列分布随纤维长度及纤维掺量的变化而变化。

3 纤维长度和掺量对纤维红黏土强度的影响机理分析

基于不同长度、不同掺量纤维下纤维红黏土筋-土作用界面的微观形态特征及纤维在红黏土中排列分布的微观特征SEM图像结果,对3、6、9、12 mm长度纤维在红黏土中的微观分布排列模型做出如图6的假设,从微观角度探讨并揭示纤维红黏土的力学性质。

图6 不同长度纤维在红黏土中的微观分布排列模型

3.1 纤维长度对红黏土黏聚力c的影响

从图6(a)中可以看出:当纤维长度较短(3 mm)时,纤维以近似针型的形状呈无固定方向填充于土颗粒间的活性孔隙中,在一定程度上间接增加了土体的结构性,此时在外力作用下,筋-土界面的作用方式为镶嵌,镶嵌作用产生的界面作用可以限制土颗粒的错移,也使纤维发生拉伸变形,使得纤维分担一部分的拉应力,对土体的强度提高有限。宏观表现为纤维长度3 mm的纤维红黏土黏聚力c较素红黏土的有一定提高。

观察图6(b)可发现,当纤维长度适中(6 mm)时,纤维以“平躺”的方式定向分布在土体中,纤维与土颗粒接触面积较3 mm纤维长度时有所增大,纤维筋-土界面的单向包围作用在一定程度上可有效限制土颗粒的位移,增大颗粒与颗粒间的咬合摩擦力,从而使c值得到进一步提高。

当纤维长度为 9 mm时,纤维自身易弯曲变形,形成平面包裹作用和三维空间纤维网结构(如图6(c)所示),在荷载作用下,当某方向的一根纤维发生受拉变形,将会牵动其他多个方向与之相交的纤维同时发生位移来共同承担外界破坏作用力,使荷载承受区域加大,形成三维空间受力网,充分发挥三维拉筋作用,使得土体强度大幅度提高。

随着纤维长度进一步增大至12 mm(如图6(d)所示),纤维红黏土c值不增反减。原因是:纤维长度过长容易使纤维相互间发生缠绕,形成架空的纤维网,外力作用时,三维空间网内部的纤维还来不及发生受力变形,土体就已经发生变形破坏,即三维空间网内部的纤维被动成为无效纤维,无法起到承担一部分破坏力的作用,因此,相对9 mm长度纤维而言,尽管纤维长度有所增加,但是真正起到作用的纤维相对减少,从而造成黏聚力c值相对减小。

3.2 纤维掺量对红黏土黏聚力c的影响

已有研究表明,纤维提高土体的抗剪强度的程度受纤维方向(纤维与剪切作用面的夹角)的影响,具体提高程度取决于纤维与剪切面夹角大小的随机程度,纤维随机均匀分布于土体中是最好的布置方式;当纤维掺量较少时(掺量为0.1%),分布在剪切面上的纤维相对较少,纤维方向的随机程度有限,土体的抗剪强度受纤维方向的影响程度较小;当纤维掺量增大至0.2%时,纤维数量增多,纤维方向的随机程度较纤维掺量0.1%时有所提高,故c值进一步增大。但随着纤维掺量进一步增大至0.3%～0.4%后,理论上应为纤维数量增多,筋-土界面接触面积增大,界面摩擦力增大,c值会持续增大,但试验结果显示为c值减小。分析其原因为:纤维掺量增大为0.3%～0.4%时,在剪切面上平行于剪切面方向排列的纤维数量增多,即各纤维与剪切面夹角较接近,间接减小了纤维方向的随机程度,故出现随纤维掺量增大c值反而减小的现象;当纤维掺量增大到0.5%时,在剪切面上纤维随机分布的增加程度远大于纤维定向分布的增加程度,从而纤维红黏土c值大幅度增加;当纤维掺量增大至0.7%时,纤维数量增多后导致纤维定向平行排列的机会增大,此时纤维对土体的作用以平面包裹作用为主,三维空间网状结构较0.5%纤维掺量的相对弱化,宏观表现为c值相对减小。

3.3 纤维长度和掺量对红黏土内摩擦角φ的影响

一方面纤维与土颗粒接触面积随着纤维长度和掺量的变化而变化,即当纤维长度和掺量越大时,此时土颗粒间的接触被纤维与颗粒、纤维与纤维间的接触代替的越多,间接减小了土颗粒间的接触面积,且纤维表面比土颗粒光滑,使得土体的整体咬合摩擦系数减小,易引起φ值减小;另一方面纤维掺入红黏土后形成的平面包裹作用和三维空间网状作用可对土体产生包围作用,此作用可增强土体颗粒相互之间的咬合摩擦,引起φ值增加。但由于土颗粒间的接触面被替代引起φ值减小的程度与纤维包围作用引起的φ值增加的程度无法定量描述,故不能定量解释φ与纤维长度和掺量间的影响关系,宏观表现为随纤维长度和掺量的变化φ值无明显变化规律。

4 结论

1)纤维红黏土的黏聚力c随纤维长度的增加先增大后减小,变化规律较一致且均高于素红黏土的;纤维红黏土黏聚力c值随纤维掺量的增加,整体均表现出双峰型的变化规律;纤维红黏土内摩擦角φ受纤维长度和掺量的影响较小,纤维红黏土内摩擦角φ值与素红黏土内摩擦角φ值十分接近。纤维掺入红黏土中可有效提高土体的抗剪强度,纤维的最优长度为9 mm、最优掺量为0.5%。

2)纤维长度和掺量与黏聚力c的多元非线性回归模型的相关系数为0.962,接近1,表明该模型的拟合效果佳,可为相关工程实践及应用提供参考。

3)通过扫描电镜SEM图像分析可知:纤维掺入红黏土中后,与红黏土筋-土界面存在镶嵌、单向包围、平面包裹、三维空间网4种作用方式。各作用方式对土样强度的提高能力满足:镶嵌作用<单向包围作用<平面包裹作用<三维空间网作用。

4)从微观角度对纤维加筋红黏土强度特性的作用机理进行了分析,随着纤维长度和掺量的变化,筋-土界面作用方式及纤维在土中的排列分布均发生改变,从而引起纤维红黏土强度指标黏聚力c值、内摩擦角φ值的改变。该研究成果可为红黏土地区的垃圾填埋场防渗设计提供理论参考。