楊 易，許成順，楊鈺榮，岳 沖

（1.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124）

在海洋工程領(lǐng)域，眾多學(xué)者針對(duì)海域砂土的液化分析進(jìn)行了一系列研究。程占云等[1]對(duì)海洋工程場(chǎng)地的砂土液化判別方式進(jìn)行了分析總結(jié)，提出了更為適用于實(shí)際工程的標(biāo)準(zhǔn)，綜合評(píng)價(jià)中室內(nèi)試驗(yàn)是分析海域砂土液化的重要方式。紀(jì)文棟等[2]進(jìn)行了一系列應(yīng)變控制下的三軸試驗(yàn)，通過(guò)分析孔隙水壓力和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系提出了海域砂土的液化特性。李騰等[3]總結(jié)了海洋環(huán)境下砂土在復(fù)雜應(yīng)力條件下的動(dòng)力特性，提出了波浪荷載作用下海域砂土的動(dòng)力特性研究具有重要意義。王曉麗等[4]通過(guò)一系列循環(huán)單剪試驗(yàn)，提出了不同初始應(yīng)力下鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度歸一化表達(dá)式，對(duì)海洋環(huán)境下砂土的動(dòng)強(qiáng)度研究具有重要意義。

“加筋土”概念自20世紀(jì)Henri Vidal提出后迅速引起了學(xué)者和工程界的高度關(guān)注[5]，并作為一項(xiàng)地基處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中[6-8]。纖維增強(qiáng)土是一種典型的加筋土，通過(guò)將一定比例的纖維加入土體中獲得，可用于提高土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性[9]。工程中常用天然纖維和合成纖維，其中，天然纖維種類繁多、易獲取，但增強(qiáng)效果不如合成纖維[10]，合成纖維的選材主要為玄武巖纖維、聚酯纖維和玻璃纖維等。目前在海域砂土研究領(lǐng)域，有部分學(xué)者已證明纖維加筋土相對(duì)于改良前砂土強(qiáng)度更高，不易變形。DIAMBRA A等[11]認(rèn)為分散放置的纖維可以增強(qiáng)砂土的整體性，使各向受力更加均勻。LIU J等[12]通過(guò)一系列試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同密實(shí)度砂土的抗液化性能在摻入纖維后得到了不同程度的提升。KUMAR A等[13-14]使用聚丙烯纖維對(duì)粉煤灰—膨脹土混合物進(jìn)行了壓實(shí)試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)和分體拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)纖維摻入后對(duì)砂土的抗拉強(qiáng)度提升較為明顯。MAHESHWARI B K等[15]使用土工格柵作為加筋材料在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)觀察超靜孔隙水壓力特征發(fā)現(xiàn)了纖維加筋技術(shù)能有效提高砂土的抗液化能力。NOORZAD R等[16]通過(guò)分析未增強(qiáng)和增強(qiáng)砂土試樣的剪切模量證實(shí)了纖維對(duì)砂土橫向位移的限制作用。MICHALOWSKI R L等[17]建立了三軸壓縮失效應(yīng)力預(yù)測(cè)模型，引入宏觀內(nèi)摩擦角的概念來(lái)描述纖維增強(qiáng)砂的破壞準(zhǔn)則。KARAKAN E等[18]通過(guò)一系列三軸試驗(yàn)研究了不同相對(duì)密實(shí)度下砂土的抗液化強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果表明：纖維含量對(duì)低密實(shí)度下砂土的抗液化強(qiáng)度影響并不明顯。SONMEZER Y B等[19]通過(guò)一系列剪切試驗(yàn)研究了聚丙烯纖維物理性質(zhì)對(duì)砂土液化性能的影響，通過(guò)對(duì)循環(huán)單剪試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析，提出了相對(duì)密度為30%時(shí)，砂土液化趨勢(shì)隨纖維含量、纖維長(zhǎng)度和有效應(yīng)力變化的函數(shù)表達(dá)式。張俊等[20]通過(guò)一系列室內(nèi)三軸試驗(yàn)，分析了不同纖維含量下海洋沙土的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)分布的纖維可以提高砂土的抗剪強(qiáng)度，且強(qiáng)度受纖維含量變化影響，最優(yōu)摻量在1.2%附近。王涵等[21]利用纖維加筋技術(shù)改良了微生物固化后的海洋砂土，發(fā)現(xiàn)試樣的初始彈性模量和和割線模量受纖維含量的影響。

綜上所述，經(jīng)過(guò)諸多研究工作表明，纖維加筋技術(shù)是一種十分可靠、實(shí)用的土體加固方法。玄武巖纖維具有力學(xué)性能好，強(qiáng)度高的特點(diǎn)，且生產(chǎn)成本相對(duì)較低，是一種新型人工合成纖維[21]。目前，我國(guó)玄武巖的開采量豐富，玄武巖纖維易于加工獲得，具備廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程的潛質(zhì)，值得進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。另一方面，我國(guó)海洋資源豐富，海上空間的利用需求日益提升，但海洋構(gòu)筑物受波浪荷載和海浪侵蝕作用的影響極易出現(xiàn)地基失穩(wěn)問(wèn)題，海洋環(huán)境下砂土液化后造成的破壞難以修復(fù)，因此海上工程建設(shè)的穩(wěn)定性問(wèn)題引起了眾多學(xué)者的重視。玄武巖纖維具有耐腐蝕的特性，非常適合應(yīng)用于海洋工程中，并且相對(duì)于以往的化學(xué)加固法而言，該方法對(duì)環(huán)境的影響較小。然而目前關(guān)于使用玄武巖纖維加筋砂土在波浪等循環(huán)荷載作用下抗液化性能的研究還比較少?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)一系列室內(nèi)試驗(yàn)，研究了玄武巖纖維對(duì)砂土抗液化性能的影響，可為玄武巖纖維加筋砂土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)采用北京工業(yè)大學(xué)空心圓柱循環(huán)扭剪儀，進(jìn)行了一系列各向均等固結(jié)條件下的循環(huán)扭剪試驗(yàn)，研究純剪應(yīng)力作用下玄武巖纖維摻量對(duì)砂土抗液化特征的變化規(guī)律、剪脹剪縮變形機(jī)制等的影響。試樣尺寸為外徑D=100 mm，內(nèi)徑d=60 mm高度H=150 mm[22]，采用相對(duì)密實(shí)度Dr=50%的福建標(biāo)準(zhǔn)砂和細(xì)砂，顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)用砂的顆粒級(jí)配曲線

1.2 試樣制備

本試驗(yàn)采用分層干裝法制樣，砂土骨架相對(duì)密度Dr=50%。玄武巖纖維含量為Fc=0%、0.5%、1%和1.5%。首先根據(jù)設(shè)計(jì)的相對(duì)密度稱取砂土，再按照質(zhì)量比計(jì)算出不同纖維含量下的纖維質(zhì)量，并將玄武巖纖維與砂土進(jìn)行充分混合，其中纖維含量（Fc）為纖維質(zhì)量與純砂質(zhì)量之比，試驗(yàn)統(tǒng)一選取長(zhǎng)度6 mm的玄武巖纖維。

1.3 試驗(yàn)步驟

裝樣完成后依次通CO2、無(wú)氣水，并施加反壓進(jìn)行試樣的飽和，測(cè)得試樣飽和度均在98%以上。本文共開展了40組均等固結(jié)不排水條件下的循環(huán)扭剪試驗(yàn)，主要試驗(yàn)工況及方案詳見(jiàn)表1，考慮到波浪荷載的作用頻率，本試驗(yàn)荷載作用頻率為f=0.1 Hz和f=0.5 Hz。加筋材料采用玄武巖纖維，該纖維是一種價(jià)格低廉、極易獲取的高性能合成纖維，通過(guò)玄武巖加工制得，制作過(guò)程綠色環(huán)保、無(wú)污染，纖維的物理和力學(xué)特性見(jiàn)表2。

表1 砂土的物理性質(zhì)指標(biāo)及實(shí)驗(yàn)方案

表2 纖維的物理和力學(xué)特性

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 纖維加筋砂土的抗液化特征及變形機(jī)制分析

2.1.1 纖維加筋含量對(duì)砂土液化特征及變形機(jī)制的影響

圖2給出了荷載作用頻率f=0.1 Hz時(shí)，砂土相對(duì)密實(shí)度為Dr=50%、有效圍壓p′=100 kPa、玄武巖纖維絲含量分別為Fc=0%、0.5%、1%和1.5%的福建標(biāo)準(zhǔn)砂在荷載作用幅值σd=20 kPa下的超靜孔隙水壓力時(shí)程曲線、應(yīng)力—應(yīng)變曲線和有效應(yīng)力路徑實(shí)測(cè)情況。由圖2可知，不同玄武巖纖維含量試樣的超靜孔隙水壓力增長(zhǎng)模式、應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，以及有效應(yīng)力路徑等呈現(xiàn)相同的模式，均表現(xiàn)了顯著的剪脹剪縮特性，砂土在達(dá)到液化狀態(tài)后超靜孔隙水壓力波動(dòng)較大，有效應(yīng)力路徑呈現(xiàn)出蝴蝶翼型特征，液化后試樣變形仍在發(fā)展，說(shuō)明玄武巖纖維含量對(duì)砂土變形機(jī)制不產(chǎn)生顯著影響。

圖2 福建標(biāo)準(zhǔn)砂超靜孔隙水壓力時(shí)程曲線，應(yīng)力—應(yīng)變曲線和有效應(yīng)力路徑（σd=20 kPa）

圖3給出了荷載作用頻率f=0.1 Hz時(shí)，砂土相對(duì)密實(shí)度為Dr=50%、有效圍壓p′=200 kPa、玄武巖纖維絲含量分別為Fc=0%、0.5%、1%和1.5%的福建標(biāo)準(zhǔn)砂在荷載作用幅值σd=20 kPa下的超靜孔隙水壓力時(shí)程曲線、應(yīng)力—應(yīng)變曲線和有效應(yīng)力路徑實(shí)測(cè)情況。由圖3可知，在0.1 Hz循環(huán)荷載作用下，玄武巖纖維含量對(duì)不同有效圍壓的砂土試樣的變形機(jī)制幾乎沒(méi)有影響，纖維加筋砂土與純砂均表現(xiàn)出了相同的超靜孔隙水壓力增長(zhǎng)模式，但不同玄武巖纖維含量的加筋砂土在有效圍壓p′=200 kPa的條件下，試樣顆粒排布更為緊密，顆粒間相互作用更為突出，液化變形出現(xiàn)較晚。液化后出現(xiàn)相同的剪脹特性，有效應(yīng)力路徑呈現(xiàn)出蝴蝶翼型特征，與有效圍壓p′=100 kPa時(shí)相同。

圖3 不同有效圍壓下玄武巖纖維加筋砂土的液化特性曲線（σd=20 kPa）

2.1.2 荷載作用頻率對(duì)纖維加筋砂土液化特征及變形機(jī)制的影響

圖4給出了荷載作用頻率f=0.5 Hz時(shí)，砂土相對(duì)密實(shí)度為Dr=50%、有效圍壓p′=100 kPa、玄武巖纖維絲含量分別為Fc=0%、0.5%、1%和1.5%的福建標(biāo)準(zhǔn)砂在荷載作用幅值σd=20 kPa下的超靜孔隙水壓力時(shí)程曲線、應(yīng)力—應(yīng)變曲線和有效應(yīng)力路徑實(shí)測(cè)情況。

由圖4可知，該荷載作用頻率下，纖維加筋砂土的液化模式與f=0.1 Hz循環(huán)荷載作用下不同，在達(dá)到初始液化后，呈現(xiàn)逐漸縮小的“蝴蝶翼型”有效應(yīng)力路徑，最終穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)規(guī)律變化。添加玄武巖纖維后，纖維含量的變化對(duì)福建標(biāo)準(zhǔn)砂液化模式并無(wú)顯著影響。

圖4 不同循環(huán)荷載頻率下玄武巖纖維加筋砂土的液化特性曲線（σd=20 kPa）

2.2 纖維加筋砂土的動(dòng)強(qiáng)度曲線分析

本文以砂土超靜孔隙水壓力達(dá)到有效圍壓作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，探討砂土的動(dòng)強(qiáng)度規(guī)律。得到破壞時(shí)振次Nf與作用動(dòng)應(yīng)力σd間的關(guān)系，表示為σd/σ3c～lgNf曲線，圖中CSR表示砂土試樣的動(dòng)強(qiáng)度。圖5給出了砂土相對(duì)密實(shí)度為Dr=50%、玄武巖纖維絲含量分別為Fc=0%、0.5%、1%和1.5%的福建標(biāo)準(zhǔn)砂的動(dòng)強(qiáng)度曲線發(fā)展規(guī)律。由圖5可知，纖維加固砂的動(dòng)強(qiáng)度總體大于純砂，砂土試樣的動(dòng)強(qiáng)度隨著纖維含量的增加而提高，但這種相關(guān)性存在一定閾值，當(dāng)玄武巖纖維含量Fc＞1%時(shí)，隨著纖維含量的增加，砂土試樣的動(dòng)強(qiáng)度出現(xiàn)了減小的趨勢(shì)，當(dāng)有效圍壓為100 kPa、破壞振次為20次時(shí)，相較于純砂，0.5%摻量的纖維增強(qiáng)砂土動(dòng)強(qiáng)度提高了38%，1%摻量的纖維增強(qiáng)砂土較純砂提高了66.7%，當(dāng)玄武巖纖維摻量提高到1.5%時(shí)，其相對(duì)于福建標(biāo)準(zhǔn)砂的動(dòng)強(qiáng)度僅提高了11%。試驗(yàn)結(jié)果表明，玄武巖纖維加筋砂土的最優(yōu)摻量在Fc=1%附近。

圖5 不同玄武巖纖維含量下福建標(biāo)準(zhǔn)砂的動(dòng)強(qiáng)度曲線

本文認(rèn)為玄武巖纖維加筋砂土的動(dòng)強(qiáng)度提升是由于纖維具有較強(qiáng)的抗拉特性，砂土試樣受力后，纖維繃緊，在砂土顆粒間形成了約束，隨機(jī)分布的纖維在試樣中形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了土體的強(qiáng)度。在一定纖維含量?jī)?nèi)（Fc=0%～1%），纖維占據(jù)了砂土顆粒之間的孔隙，試樣在受力變形時(shí)砂土顆粒與纖維之間的作用效果充分體現(xiàn)，玄武巖纖維與砂土顆粒間的摩擦力作用形成的相互約束，使得一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)的砂土位移變小，隨著液化進(jìn)程不斷深入，砂粒與纖維重新排列，二者接觸面積增加，纖維再次繃緊，纖維的結(jié)構(gòu)作用充分體現(xiàn)。當(dāng)玄武巖纖維摻量超過(guò)1%時(shí)，玄武巖纖維與砂土顆粒間的作用效果減弱，纖維聚集成團(tuán)后對(duì)砂土的約束效果減弱，結(jié)構(gòu)整體性下降。因此，纖維含量的進(jìn)一步提升不再對(duì)砂土動(dòng)強(qiáng)度具有顯著的提升效果，但是玄武巖纖維加筋砂土的動(dòng)強(qiáng)度仍然大于未加筋砂土。

圖6給出了砂土相對(duì)密實(shí)度為Dr=50%、玄武巖纖維絲含量分別為Fc=0%、0.5%、1%和1.5%的細(xì)砂的動(dòng)強(qiáng)度曲線發(fā)展規(guī)律。由圖6可知，纖維加筋細(xì)砂的動(dòng)強(qiáng)度總體依然大于純砂，這說(shuō)明玄武巖纖維也能增強(qiáng)細(xì)砂的動(dòng)強(qiáng)度，提升砂土的抗液化性能。細(xì)砂試樣中玄武巖纖維含量與砂土的動(dòng)強(qiáng)度影響與標(biāo)準(zhǔn)砂的規(guī)律相同，針對(duì)細(xì)砂試樣進(jìn)行玄武巖纖維加固時(shí)，纖維含量同樣存在一定閾值，最優(yōu)含量為Fc=1%左右。此外，對(duì)比福建標(biāo)準(zhǔn)砂和細(xì)砂在不同玄武巖纖維含量下的動(dòng)強(qiáng)度曲線可以看出，玄武巖纖維對(duì)福建標(biāo)準(zhǔn)砂的增強(qiáng)效果更為明顯，纖維加固后的標(biāo)準(zhǔn)砂動(dòng)強(qiáng)度更高，抗液化性能更強(qiáng)。

圖6 不同玄武巖纖維含量下細(xì)砂的動(dòng)強(qiáng)度曲線

2.3 玄武巖纖維加筋砂土的相轉(zhuǎn)換線和臨界狀態(tài)線分析

圖7（a）和圖7（b）分別是相對(duì)密實(shí)度為Dr=50%、玄武巖纖維摻量Fc=0%、0.5%、1%和1.5%下福建標(biāo)準(zhǔn)砂試樣的相變應(yīng)力比與臨界狀態(tài)應(yīng)力比隨纖維含量的變化關(guān)系曲線，從圖中可以看出，同一相對(duì)密實(shí)度下，不同纖維含量的加筋砂土相變應(yīng)力比相對(duì)恒定，幾乎不受玄武巖纖維摻入的影響，但隨著玄武巖纖維含量的提升，臨界狀態(tài)應(yīng)力比先增加后減小，在一定范圍內(nèi)（Fc=0%～1%），玄武巖纖維含量越大，臨界狀態(tài)應(yīng)力比越大，超過(guò)一定閾值時(shí)（Fc＞1%）臨界狀態(tài)應(yīng)力比減小。說(shuō)明玄武巖纖維的摻入會(huì)影響砂土的臨界狀態(tài)，纖維含量在Fc=1%附近時(shí)，臨界狀態(tài)應(yīng)力比達(dá)到最大值，此時(shí)土體的強(qiáng)度最高。

圖7 不同纖維含量下福建標(biāo)準(zhǔn)砂的相變應(yīng)力比與臨界狀態(tài)應(yīng)力比（σd=20 kPa）

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)研究了福建標(biāo)準(zhǔn)砂、細(xì)砂在不同玄武巖纖維含量下的抗液化特征，通過(guò)分析玄武巖纖維對(duì)砂土的超靜孔隙水壓力、應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系及有效應(yīng)力路徑的影響規(guī)律及其作用機(jī)理，得到如下研究結(jié)論。

（1）纖維加筋技術(shù)不會(huì)影響砂土的抗液化特征，在荷載作用頻率為f=0.1 Hz時(shí)，不同玄武巖纖維含量砂土的超靜孔隙水壓力、應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系和有效應(yīng)力路徑等呈現(xiàn)相同的模式，均呈現(xiàn)出了硬化型的液化模式。在荷載作用頻率為f=0.5 Hz時(shí)，纖維加筋砂土達(dá)到初始液化后，超靜孔隙水壓力波動(dòng)變小，表現(xiàn)出與0.1 Hz循環(huán)荷載作用下顯著不同，呈現(xiàn)形態(tài)不同的硬化型的液化模式。

（2）纖維的摻入可以顯著提升飽和砂土的動(dòng)強(qiáng)度，但存在纖維的最優(yōu)摻量在Fc=1%左右。當(dāng)纖維摻量Fc＜1%時(shí)，纖維含量越高，纖維加筋砂土的動(dòng)強(qiáng)度越高，抗液化性能越強(qiáng)；當(dāng)纖維摻量Fc＞1%時(shí)，纖維的增強(qiáng)效果會(huì)降低，且加固后砂土的抗液化強(qiáng)度普遍優(yōu)于未加筋砂土。細(xì)砂的抗液化強(qiáng)度也受纖維加筋作用影響，符合上述規(guī)律。

（3）玄武巖纖維加筋砂土的相變應(yīng)力比幾乎不受玄武巖纖維加筋效果的影響，該特征值只與砂土的骨架密實(shí)度有關(guān)；臨界狀態(tài)應(yīng)力比變化隨著纖維含量的增加而增加，且同樣具有一定閾值，當(dāng)纖維含量大于1%時(shí)，臨界狀態(tài)應(yīng)力比隨纖維含量的增加而減小。試樣砂土的臨界狀態(tài)應(yīng)力比變化規(guī)律與動(dòng)強(qiáng)度變化規(guī)律相似，最優(yōu)摻量為Fc=1%左右。