鐘漢林,劉春輝,張 俊,曲淑英

(煙臺大學土木工程學院,山東 煙臺 264005)

天然砂土結構松散具有易侵蝕、易沖刷、易液化的特點,由于其不穩(wěn)定會引起各種工程地質問題．因此,大多數(shù)天然松散砂土需要加固以滿足工程要求．當前,砂土加固的方式主要可以分為化學加固和物理加固2種．化學加固主要通過在土體中添加適當比例的水泥、石灰、粉煤灰或高分子土壤穩(wěn)定劑以增強其強度與穩(wěn)定性[1]．但是,大多數(shù)化學加固會對環(huán)境產生不可恢復的負面影響．物理加固主要是在砂土中添加土工織物、土工格柵以及各種類型的隨機分布元素等材料,通過砂土與添加物之間的物理相互作用以增強其力學性能．作為物理加固的一種,隨機分布纖維價格低廉,取材方便,且對砂土力學性能增強效果明顯,而被廣泛用于各類工程建設中,成為地基改良的一種有效手段[2]．

隨機分布纖維由于其在地基改良中展現(xiàn)的優(yōu)越性能,而引起國內外學者的廣泛關注．例如,早在1986年,GRAY等人針對連續(xù)定向織物層和隨機分布離散纖維加固砂土進行了對比三軸試驗,發(fā)現(xiàn)采用隨機分布纖維比用連續(xù)定向織物層在土壤改良上具有更好的加固效果,隨機分布纖維具有更好的抗剪切強度[3]．IBRAIM等探討了用短纖維改良松散砂土的應力應變響應,發(fā)現(xiàn)無論纖維含量如何,有效應力路徑與固結結束時的平均有效應力不隨纖維含量發(fā)生改變;由于纖維分布的各向異性,在大應變下壓縮與拉伸試驗得到的動摩擦角不同[4]．孫紅等采用三軸試驗研究了非增強和玻璃纖維增強松散砂土的性能,發(fā)現(xiàn)隨著纖維含量的增加失效偏應力和砂復合材料內聚力不斷增加,但是內聚力的增加與纖維含量不成線性關系[5]．SRIDHAR等發(fā)現(xiàn)使用椰殼纖維作為砂土的增強材料,能有效地提高砂土的承載力[6]．ALI通過無側限抗壓強度試驗研究玻璃纖維增強砂土的力學特性,發(fā)現(xiàn)玻璃纖維能夠顯著提高砂土的工程和力學性能,且當玻璃纖維平行于潛在的弱化平面時,纖維對砂土的增強效果更加明顯[1]．NOORZAD和FARDAD探討了隨機分布纖維在提高松散和中等密實砂土剪切模量方面性能,結果表明未增強和增強試樣的剪切模量隨著纖維含量的增加剪切模量增加[7]．總結現(xiàn)有研究成果發(fā)現(xiàn),當前研究主要集中在采用土工合成材料或使用人工合成纖維(聚丙烯纖維、玻璃纖維等)加固松散砂土,以提高其剪切強度,較少學者研究天然纖維(特別是耐腐蝕的天然纖維)改良天然砂土的物理力學性能;此外,現(xiàn)有研究主要關注隨機分布纖維加固松散砂土的抗壓與抗剪強度,鮮有文獻報道采用隨機分布纖維增強密實砂土力學的特性．

劍麻纖維質地堅韌,耐鹽堿、耐腐蝕,是一種優(yōu)良的天然纖維[8]．為此,本文采用三軸試驗研究隨機分布劍麻纖維增強密實海洋砂土的力學特性,將纖維含量、纖維長度、圍壓、相對密實度作為參數(shù)變量,對含水率為10%的試樣進行了39組三軸試驗．定量分析了纖維含量、纖維長度、圍壓以及相對密實度對砂土力學性能的影響,豐富了采用隨機分布纖維加固地基土體的相關理論．

1 試驗材料

本文采用的砂取自煙臺大學東門海邊．顆粒級配曲線如圖1所示,基于該顆粒級配曲線得到:D50=0.42 mm,不均勻系數(shù)Cu=D60/D10=3.61,曲率系數(shù)Cc=D302/(D60×D10)=0.58,砂的比重Gs=2.16．本試驗采用的纖維為劍麻纖維(圖2),采用的纖維長度分別為6 mm、12 mm和18 mm,纖維的基本物理力學參數(shù)[9]如表1．在本文中,纖維含量定義為wf,wf=Wf/Ws,其中Wf是纖維的重量,Ws是干砂的重量．試驗采用TCK-1型應變控制式三軸儀作為試驗裝置(如圖3)．

圖1 顆粒級配曲線

圖2 劍麻纖維

平均直徑/mm拉伸強度/MPa拉伸模量/GPa斷裂伸長率/% 0.18537222.5

圖3 TCK-1型應變控制式三軸儀

2 試驗方案

2.1 試樣制備

本試驗所制備的試樣直徑為3.91 cm,高度為8 cm,采用LADD[10]推薦的濕式搗固法制備指定相對密實度的均勻試樣．該方法常被用于制備纖維增強砂土試樣,制備過程主要分為三步:稱量、混合和成樣．第一步,根據(jù)確定的相對密實度,稱量相應砂土與纖維的重量．本文研究砂土的相對密實度為60%、70%、80%,對應所需砂的質量分別為157.2 g、160 g、164.2 g;0.3%纖維摻量對應所需纖維質量分別為0.47 g、0.48 g、0.49 g,0.6%纖維摻量對應所需纖維質量為0.94 g、0.96 g、0.98 g．第二步,纖維和砂的混合．試驗中,為使砂與纖維具有較好的和易性,先將砂與水混合,水的重量為土顆粒重量的10%,在該含水量下,纖維在砂中分布更加均勻,且能夠防止試樣在轉移過程中出現(xiàn)纖維飄浮,待砂與水充分攪拌后,將纖維加入砂中用電動攪拌機進行混合,直至纖維與砂分布均勻．第三步,成樣．為防止試樣在轉移過程中發(fā)生擾動,纖維增強砂土試樣在設備底座上直接制備成型．

2.2 試驗程序

采用不固結不排水三軸試驗研究砂土的改良特性,共進行39組試驗,以定量分析纖維含量、纖維長度、相對密實度以及圍壓對隨機分布劍麻纖維加固海洋砂土試樣應力-應變與強度特性的影響．具體試驗方案見表2．

試驗步驟:在樣品制備完之后拆除模具,然后安裝壓力室外罩并填充水,施加相應的圍壓,關閉孔隙壓力閥門,微調壓力機升降臺,使活塞與試樣接觸．將軸向測力計和軸向變形百分表讀數(shù)均調為零．試驗過程中剪切速率為每分鐘應變0.8%．試驗結束后,關掉電機,打開排氣閥,排掉壓力室里面的水,最后拆除試樣．

3 試驗結果與討論

3.1 纖維含量對砂土性能的影響

圖4為纖維長度是6 mm、12 mm、18 mm下,未加筋試樣與0.3%、0.6%纖維加筋試樣的典型應力-應變曲線．加筋砂土表現(xiàn)出典型的應變硬化特性,本試驗將加筋砂土軸向應變?yōu)?%處的偏應力值作為強度峰值．從圖4(a)可以看出,當纖維長度(簡稱FL)為6 mm,而圍壓(簡稱CP)和相對密實度Dr一定的情況下,未加筋試樣的偏應力值達到394.63 kPa,當加入0.3%和0.6%劍麻纖維后,砂土的偏應力值明顯提高,對應的偏應力值分別為460.02 kPa與509.63 kPa,此時加筋砂土偏應力強度峰值比純砂分別增加了16.6%、29.1%．在纖維含量為0.3%和0.6%試樣中,在偏應力-應變曲線中沒有觀察到峰值,直到5%以后的應變才出現(xiàn)常規(guī)使用性失效狀態(tài),而未加筋試樣在應變?yōu)?%時出現(xiàn)了最高偏應力峰值,這跟MALIAKAL[11]對黏土加固后得出的失效狀態(tài)結論相似．

從總體上看砂土剪切強度隨纖維含量的增加呈上升趨勢,但相較于纖維摻量為0.3%的情況,0.6%的纖維含量對砂土強度的提升能力逐漸減弱．由此可見,在砂土中加入適當?shù)睦w維,能有效地提高砂土的抗剪強度．這是因為當纖維加筋土受力發(fā)生變形時,由于摩擦力的作用,纖維在界面上會受到土體的拉伸,同時土體會受到纖維的反作用約束應力,從而有效限制了砂樣的變形,提高顆粒間的相互作用力進而提高了土的強度[12-13]．此外,纖維還能夠

表2 試驗方案

在砂樣中形成三維網(wǎng)狀結構,約束土樣的變形或砂土顆粒的位移,從而提高砂樣的力學強度．而當纖維摻量過低時,纖維難以成網(wǎng),限制了纖維對砂土強度的貢獻,而當纖維摻量過高時,容易形成纖維弱化平面,引起應力集中[14]．因此,選擇適當比例的纖維能增加砂土的承載力,使纖維的加筋作用得到最優(yōu)發(fā)揮．

圖4當圍壓CP=100 kPa、相對密實度Dr=60%時,不同纖維含量的應力應變關系

Fig.4 Stress-strain relationship of different fiber contents when confining pressure CP=100 kPa and relative densityDr=60%

3.2 纖維長度對砂土性能的影響

圖5(a)為纖維含量是0.3%時,不同纖維長度對砂土力學性能的影響,而圖5(b)為纖維含量是0.6%時,不同纖維長度對砂土力學性能的影響．從圖5(b)中可以看出,當CP=100 kPa、Dr=60%,wf=0.3%的情況下,纖維長度為6 mm加筋砂的偏應力峰值達到460.02 kPa,而纖維長度為12 mm與18 mm加筋砂的偏應力值分別為556.99 kPa與690.03 kPa,峰值強度分別提高了21.1%、50.0%．由此可見纖維長度對改變砂土的應力應變曲線具有明顯效果,隨著劍麻纖維長度的增加偏應力值進一步提高．主要是因為纖維長度增加了纖維與砂的接觸表面積,提高了纖維與砂土顆粒之間的界面摩擦,使得內摩擦角增大,且纖維的較大拉伸強度和剛度又可限制相關土壤顆粒的位移,因此導致剪切強度增大．

圖5當圍壓CP=100kPa、相對密實度Dr=60%時,不同纖維長度的應力應變關系

Fig.5 Stress-strain relationship of different fiber lengths when confining pressureCP=100 kPa and relative densityDr=60%

3.3 相對密實度對砂土性能的影響

圖6是對6組砂樣進行三軸壓縮試驗,測得的相對密實度對加筋試樣的應力應變曲線．從圖6(b)中能明顯看出,當CP=100 kPa、wf=0.6%、FL=12 mm的情況下,當以5%軸向應變作為試樣的偏應力峰值,Dr=70%的試樣對應的偏應力峰值為638.17 kPa,Dr=60%與Dr=80%試樣相應的偏應力值分別達到701.31 kPa和978.67 kPa,峰值強度分別提高了10.0%、53.4%．由此可見,相對密實度能夠提高砂土的承載能力．出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因,試樣的相對密實度越大砂土顆粒之間的鍥合力越大,砂土顆粒與纖維之間內部摩擦力也就越大,所以砂土的抗剪強度得到有效的提高．因此,相對密實度是影響纖維加固力學特性的一個重要因素,隨著砂土相對密實度的增加纖維加固的效果越來越明顯,砂土具有更好的抗剪能力．

圖6當圍壓CP=100 kPa、纖維長度FL=12 mm時,不同相對密實度的應力應變關系

Fig.6 Stress-strain relationship of different relative density when the confining pressureCP=100 kPa and the fiber lengthFL=12 mm

3.4 圍壓對砂土性能的影響

圖7(a)和7(b)分別顯示了不同纖維長度以及不同纖維含量下劍麻纖維增強砂土典型的主應力包絡線．從圖中可以看出,未加筋砂和加筋砂的主應力包絡線明顯不同,未加筋砂的應力包絡線接近直線,而加筋砂的應力包絡線幾乎呈曲線狀,且加筋砂具有明顯的拐點,我們把這個拐點稱為臨界正應力點[12],在圍壓超過臨界正應力后,主應力包絡線斜率減小,表明纖維的加固效果減弱．其原因是,在低于臨界正應力時,試驗過程中纖維很少或沒有被拉伸,纖維相對土顆粒發(fā)生滑動摩擦,增大了砂土的內摩擦角;當超過臨界正應力后,纖維發(fā)生拉伸或屈服,但很少能被拉斷,從而提高了砂土的黏聚力[11,15]．

圖7當相對密實度Dr=60%時,不同纖維長度下和不同纖維含量下的主應力包絡線

Fig.7 Principal stress envelope at different fiber lengths and different fiber contents when relative densityDr=60%

4 結 語

本文通過一系列三軸壓縮試驗,研究了隨機分布劍麻纖維對中等密度和密實海洋砂土進行加固后的力學性能．定量分析了纖維含量,纖維長度,相對密實度和圍壓對隨機分布劍麻纖維加筋砂樣抗剪強度的影響,得出結論如下:

(1)隨機分布纖維的加入能顯著地提高砂土的強度,劍麻纖維加固的試樣要比未加筋試樣的抗剪切強度明顯增加,選擇適當比例的纖維,能使纖維的加筋作用得到最優(yōu)發(fā)揮．

(2)纖維長度對改變砂土的應力應變曲線具有明顯效果,隨著劍麻纖維長度的增加,纖維與砂土顆粒的界面摩擦增大,從而提高了試樣的強度,因此,選擇一定長度的纖維能使砂土具有更高的強度．

(3)相對密實度也是影響纖維加固力學性能的重要因素之一,隨著砂土相對密實度的增加纖維加固砂土的抗剪強度逐漸增大．

(4)圍壓在一定范圍內對改善纖維加筋砂土的力學性能具有一定程度的影響,超過臨界正應力后加固效果減弱．