朱旭芬,鄭加強,魏繼紅,張成祥,馬 柯,馮玉晗,張晨陽,祁長青

(河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京 211100)

天然砂土結構松散、砂顆粒間無黏結,導致其力學和水理性質都較黏性土有很大的差異,砂土層在外力作用下易受到?jīng)_刷侵蝕破壞從而產(chǎn)生液化、涌水、涌砂、地基失效和邊坡失穩(wěn)等問題[1-3]。傳統(tǒng)固化劑,如石灰、水泥和粉煤灰等材料,盡管具有較好的改良效果,但其較高的pH值往往也會帶來相應的環(huán)境問題[4]。因此,人們開始探索更加環(huán)保安全、更具經(jīng)濟效益的新型改良材料。

水溶性聚合物憑借其低成本、高性能、高強度、環(huán)境友好等優(yōu)點被廣泛應用于工程建設中。聚合物材料主要通過與土顆粒表面的化學作用,以及包裹土顆粒并填充孔隙形成網(wǎng)狀膜結構,從而提高土體的強度性能[5]。Bae等[6-7]研究了水溶性聚合物聚丙烯酰胺在黏性土工程特性改良中的應用。Cabalar等[8-9]發(fā)現(xiàn)黃原膠改良土體在提升抗剪切性和降低滲透性方面都有顯著改善?？追避幍萚10]采用聚氨酯型高分子材料加固砂土,通過壓縮試驗探究了改良砂土的壓縮特性。劉瑾等[11-15]選用自主研發(fā)的聚氨酯型固化劑改良砂土,通過一系列室內試驗研究了改良砂土的抗?jié)B透性、力學強度、抗沖刷和風蝕能力,并討論了聚氨酯型固化劑與砂土的最佳配比。

纖維作為一種加筋材料被廣泛應用于土體改良。纖維加筋方法采用纖維材料與砂土混合,從而提高砂土顆粒之間的作用力,達到提高砂土強度的效果[16]。Xu等[17]對聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維加筋砂土進行了大尺度直剪試驗,對比研究了不同纖維含量條件下加筋砂土的剪切強度與剪脹現(xiàn)象。安寧等[18]通過試驗得出土體內纖維含量的增大會提高加筋土的抗剪強度,但纖維含量過多反而會減弱加筋土的抗剪強度。

無論纖維改良土體還是水溶性聚合物改良土體都存在一定的局限性,為此研究人員將兩者結合成復合加固材料對土體進行改良。Park等[19]通過無側限抗壓試驗對聚丙烯纖維與水泥加固砂土效果進行了測試,試驗結果表明聚乙烯醇纖維增強了水泥復合砂土的抗壓強度。Ma等[20]通過無側限抗壓試驗和抗拉試驗,測試了聚氨酯和劍麻纖維復合加固砂土的力學特性。徐崗等[21]利用聚丙烯酰胺結合納米硅材料加固砂土,試驗結果表明,砂土的無側限抗壓強度、抗剪強度以及抗崩解能力都得到較大的提高。

近年來,不少學者采用數(shù)值模擬方法對水溶性聚合物改良土體的微觀力學性質和微觀機理進行了研究。Yang等[22]通過離散元軟件PFC2D模擬了土體顆粒的黏結性能,分析了土體的微觀參數(shù),并結合砂土試樣強度特性進行了相互驗證。周林祿等[23]通過力學試驗探究劍麻纖維加筋砂土的抗液化能力,并利用試驗結果建立了有限元數(shù)值模型。Che等[24-25]采用環(huán)保復合材料改良砂土,通過一系列的實驗室試驗和數(shù)值模擬,研究了不同有機聚合物含量和砂土密度對改良土體力學強度和破壞行為的影響,發(fā)現(xiàn)聚合物材料改良砂土能有效提高砂土的抗侵蝕性和穩(wěn)定性。

本文采用水溶性聚合物(聚氨酯)和聚丙烯纖維對砂土進行復合加固,開展直剪試驗及數(shù)值模擬,以期得出水溶性聚合物含量、纖維含量及砂土干密度等因素對復合加固砂土力學特性的影響規(guī)律,總結不同變量組合下復合加固砂土的力學特性變化規(guī)律、變形破壞過程中微裂紋的發(fā)育規(guī)律以及能量演化方式,探討纖維-水溶性聚合物的加固及破壞機理。

1 室內試驗研究

1.1 試驗材料

室內試驗所用砂土取自江蘇省常州市太湖流域新孟河附近。砂土試樣經(jīng)自然風干后過2mm篩備用。砂土試樣呈淺灰色,砂土的顆粒粒徑在0.07～2mm之間變化。根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》對砂土的各項基本物理參數(shù)進行測試,砂土試樣的主要指標:比重為2.66,最大干密度和最小干密度分別為1.70g/cm3和1.32g/cm3,不均勻系數(shù)為3.00,曲率數(shù)為1.12。本文試驗采用的加固材料為一種水溶性聚合物——聚氨酯(以下簡稱“聚合物”),其為淺黃色澄清透明液體,呈中性,比重為1.15,固含量不小于85%,常溫下黏度為800～3000MPa·s。常溫狀態(tài)下聚合物即可與水發(fā)生反應,生成乳白色的聚合物溶液。該溶液具有良好的耐久性及環(huán)境友好性,已被應用于砂土河道岸坡的水土保持和巖質邊坡的生態(tài)修復等領域。

聚丙烯纖維(以下簡稱“纖維”)是一種人造纖維加筋材料,由于其相對低廉的價格和優(yōu)良的性能而被廣泛應用于工程實踐中。這是一種人工合成的白色束狀單絲纖維,其密度小、無色、無味、無毒,在室溫下不溶于水和有機液體,可溶于芳族烴,平均長度為18mm、抗拉強度不小于350MPa,而且具有較高的熔點和燃點。經(jīng)纖維加固后的土體具有良好的抗沖刷性、抗疲勞性、防滲性、抗裂性等。

1.2 試驗方案

1.2.1試樣制備

本文針對不同含量(質量分數(shù))聚合物和纖維對砂土的抗剪強度加固效果開展一系列的直剪試驗,其中纖維含量分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%,聚合物含量分別為1%、2%、3%、4%,試驗均按照正交試驗設計?？紤]到試樣成型條件,試樣的干密度為1.50g/cm3,含水率為10%。稱取適量的水、烘干砂土、纖維和聚合物,首先將砂土與纖維充分混合,再將聚合物和水混合在一起,最后將聚合物溶液與含纖維的砂土混合均勻,制成高20mm、直徑62mm的圓柱狀試樣。考慮到工程實際和試驗周期,將試樣放置于室溫條件下靜置養(yǎng)護48h。

1.2.2試驗儀器和方法

采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應變控制式直剪儀進行試驗。試驗開始前做好制樣和儀器準備工作(濾紙含水率與試樣相同),將試樣安裝置于剪切盒內。每組試樣施加不同的法向壓應力σ(100、200、300、400kPa),待試樣穩(wěn)定后施加切向拉力進行剪切。試驗過程中剪切位移每變化0.25mm記錄一次百分表讀數(shù)。當百分表的讀數(shù)達到穩(wěn)定或明顯減小時,表明試樣已完全破壞;若未出現(xiàn)明確峰值點,則當剪切變形達到12mm時結束試驗。試驗結束后,拍照記錄試樣的剪切破壞形態(tài),并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制剪切應力-剪切位移曲線,取曲線峰值點對應的剪切應力作為抗剪強度。最后以法向應力為橫坐標,抗剪強度為縱坐標,繪制抗剪強度曲線并得到相應的黏聚力c、內摩擦角φ。

1.3 試驗結果與分析

1.3.1聚合物含量對抗剪強度的影響

不同聚合物含量下加固砂土的抗剪強度如圖1所示,當纖維含量和干密度相同時,在相同法向應力下,加固砂土的抗剪強度隨聚合物含量的增大而增強,且在聚合物含量為3%時增效最明顯,當聚合物含量從3%增至4%時對加固砂土的抗剪強度提升不明顯。其中,當纖維含量為0.8%、法向應力為400kPa時,隨著聚合物含量的增大,加固砂土的抗剪強度分別由208.45kPa增大到244.41、259.60、264.03kPa,增大了35.96、51.15、55.58kPa。這是因為聚合物含量增大,提高了聚合物在加固砂土中的分布密度,同時提高了聚合物在土顆粒表面的有效接觸面積和在土顆粒間的黏結強度,提高了三維網(wǎng)狀結構的穩(wěn)定性,在加固砂土受到剪切破壞時,需要消耗更多的剪切能才可以使聚合物黏結失效,表現(xiàn)為抗剪強度增大。

圖1 不同聚合物含量下加固砂土的抗剪強度

不同聚合物含量下加固砂土的抗剪強度參數(shù)如圖2所示,聚合物對加固砂土的黏聚力有顯著影響,而對加固砂土的內摩擦角影響程度較小,變化僅為2°左右。當纖維含量為0.4%時,聚合物含量為2%、3%、4%的加固砂土的黏聚力由聚合物含量為1%時的11.92kPa增大至28.36、45.63、49.11kPa。聚合物含量對加固砂土的內摩擦角影響較小。在纖維含量為0.8%時,聚合物含量為1%、2%、3%、4%的加固砂土的內摩擦角分別為26.55°、26.77°、26.57°、25.90°,內摩擦角數(shù)值之間相差約1°。綜合聚合物含量對抗剪強度及其參數(shù)的影響來考慮,聚合物含量在3%左右時對砂土加固效果較為明顯,而聚合物含量從3%增至4%時,加固效果并沒有明顯增幅。

圖2 不同聚合物含量下加固砂土的抗剪強度參數(shù)

1.3.2纖維含量對抗剪強度的影響

圖3為不同纖維含量下加固砂土的抗剪強度。由圖3可知,當法向應力和干密度相同時,在低含量聚合物條件下,加固砂土的抗剪強度隨纖維含量的增大而增強,且在纖維含量為0.6%時增效最明顯;在高含量聚合物條件下,加固砂土的抗剪強度和纖維含量基本呈線性關系。例如:當聚合物含量為2%、法向應力為400kPa時,抗剪強度隨纖維含量的增大由172.5kPa分別增至199.90、230.18、244.43kPa;當聚合物含量為4%、法向應力為400kPa時,抗剪強度隨纖維含量的增大分別增大了25.45、28.69、26.34kPa。纖維含量的增大顯著提高了加固砂土的抗剪強度。

不同纖維含量下加固砂土的抗剪強度參數(shù)如圖4所示。在相同聚合物含量下,加固砂土的抗剪強度參數(shù)均有不同程度的提高。當聚合物含量為2%時,加固砂土的黏聚力隨纖維含量的增大而增大,尤其是在纖維含量由0.6%增大至0.8%時,黏聚力明顯增強。當聚合物含量為4%時,加固砂土的黏聚力隨著纖維含量的增大而增大,從纖維含量0.2%時的45.58kPa增大至纖維含量0.8%時的78.27kPa,黏聚力增速最大區(qū)間在纖維含量為0.2%～0.4%。隨著纖維含量的增大,加固砂土的內摩擦角略微增大。當聚合物含量為4%時,纖維含量為0.8%的加固砂土相較于纖維含量為0.2%的砂土內摩擦角增大約2.12°。

圖4 不同纖維含量下加固砂土的抗剪強度參數(shù)

加固砂土的黏聚力與內摩擦角總體隨纖維含量的增大而增大,主要是因為天然砂土結構松散且顆粒間無黏聚力,而纖維在聚合物作用下憑借其柔韌性可以包裹纏繞在砂土顆粒表面,增強了纖維與土體的摩擦力和黏結力,同時聚合物黏結了纖維與砂土顆粒,纖維含量的增大增強了砂土顆粒間的黏聚力,且在一定程度上填充砂土顆粒的孔隙,形成聚合物、纖維、砂土顆粒多相團聚體,增強顆粒間的整體性與穩(wěn)定性,最終提高了加固砂土的黏聚力和內摩擦角。

2 數(shù)值模擬分析

由于室內試驗無法定量地分析聚合物和顆粒間的膠結作用規(guī)律,本文采用PFC2D軟件建立聚合物加固砂土的離散元模型,考慮顆粒間以及接觸的各向應力和力矩的傳遞,引入不同膠結接觸模型,研究不同固化劑含量下,顆粒間的微裂紋發(fā)展破壞特性。

2.1 模型建立及參數(shù)選取

通過對比室內直剪試驗和數(shù)值模擬的結果,當兩者有較高的吻合度時,可認為數(shù)值模擬在一定程度上反映室內試驗特征。數(shù)值模型采用高20mm、直徑62mm的圓柱狀試樣,與室內試驗保持一致。數(shù)值模擬中試樣的顆粒按室內試驗的級配曲線,采用ball generate加keyword方法生成,當試樣生成后,采用程序語言在試樣顆粒中生成隨機位置、任意方向的纖維,纖維尺寸為12mm×0.4mm。根據(jù)室內試驗加固后試樣的養(yǎng)護過程,試樣制備過程中生成相應的顆粒后,采用一定預應力進行預壓處理,預壓完成后,對顆粒的不同接觸類型附加相應的膠結模型,其中砂顆粒參數(shù)如表1所示。模型通過設置加載板相應的速率來實現(xiàn)試驗剪切過程,加載板的速度設置和室內試驗一致。

表1 模型參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)有文獻與資料設定初始參數(shù),采用控制變量法調整顆粒微觀力學參數(shù),在多次試算下,得出數(shù)值模擬與室內試驗相符的微觀力學參數(shù)(線性模型參數(shù)和平行黏結模型參數(shù)),其具體參數(shù)如表1所示。

2.2 數(shù)值模擬驗證

對比數(shù)值模擬與室內試驗曲線(圖5、圖6)可以發(fā)現(xiàn),二者曲線的整體趨勢一致。在曲線峰前階段,數(shù)值模擬抗剪強度略小于室內試驗抗剪強度,峰值剪切強度同室內試驗峰值剪切強度基本一致,峰值剪切強度對應的剪切位移最大偏差不超過10%。不同聚合物、纖維含量的數(shù)值模擬曲線與室內試驗曲線相似,斜率大致相同,充分驗證了上述分析以及數(shù)值模擬分析結果的可靠性。

圖5 不同聚合物含量下數(shù)值模擬和室內試驗結果對比

圖6 不同纖維含量下數(shù)值模擬和室內試驗結果對比

2.3 模擬結果分析

2.3.1裂紋擴展模式

宏觀裂隙是由試驗過程中發(fā)育的微裂紋貫通連接形成的,其擴展過程一共可分為4個階段:初始階段(Ⅰ)、屈服發(fā)展階段(Ⅱ)、迅速發(fā)展階段(Ⅲ)、穩(wěn)定階段(Ⅳ)。如圖7所示,初始階段,上下剪切盒發(fā)生輕微錯動,土體顆粒沿著剪切方向逐漸擠密,錯動邊界出現(xiàn)少量微裂紋,試樣整體仍保持完整。隨著剪切位移的增加,試樣發(fā)生了明顯變形和微破裂局部化現(xiàn)象,顆粒間膠結逐漸破壞,微裂紋緩慢發(fā)展,此時模擬試驗處于屈服發(fā)展階段。隨著剪切荷載的不斷增加,試樣中部出現(xiàn)大量微破裂面,試樣微裂紋的數(shù)量快速增長,上下盒之間已形成了一條明顯的水平主剪切帶。當貫通裂隙出現(xiàn)時,試樣達到峰后殘余階段,微裂紋的數(shù)量開始相對穩(wěn)定。

圖7 復合加固砂土試樣微觀顆粒間的微裂紋擴展

不同聚合物含量下加固砂土的微裂紋數(shù)量如圖8所示,無論聚合物含量高低,剪切微裂紋的數(shù)量始終占主要部分,說明加固砂土破壞主要是由顆粒間的剪應力造成的膠結破壞。隨著剪切位移的增大,加固砂土的拉伸微裂紋數(shù)、剪切微裂紋數(shù)和總微裂紋數(shù)均逐漸增加。隨著聚合物含量的增大,拉伸、剪切微裂紋和總微裂紋數(shù)的增長速率變快,并且加固砂土完全剪切破壞時拉伸、剪切微裂紋也隨著聚合物含量的增大而增多。這是因為聚合物含量的增大加強了顆粒間的膠結能力,使得顆粒能夠承受更大的外部加載和變形,整體微觀結構穩(wěn)定能力得到提高的同時,更高的外部荷載也引起了較大的受力范圍,最終引起更大范圍的顆粒運動,使得加固砂土受拉力影響增大,最終破壞時微裂紋數(shù)量增多。

圖8 不同聚合物含量下加固砂土的微裂紋數(shù)量-剪切位移關系

不同纖維含量下加固砂土的微裂紋數(shù)量如圖9所示。隨著剪切位移的增加,加固砂土的拉伸微裂紋數(shù)、剪切微裂紋數(shù)和總微裂紋數(shù)均增加,而隨著纖維含量的增加,發(fā)生剪切破壞各裂紋數(shù)量均有所降低。這說明纖維的加筋效果有效增強了加固砂土抵抗變形能力,減少了試樣微裂紋發(fā)育。分析其原因為纖維纏繞在砂土顆粒表面,增強了纖維與土體的摩擦力和黏結力,纖維還會一定程度上填充砂土顆粒的間隙,在聚合物的作用下與砂土顆粒之間有更好的耦合與膠結作用,受壓后纖維與砂土顆粒的摩擦作用也明顯增強,限制砂土顆粒在有限空間內移動,減緩試樣變形與微裂紋發(fā)育。

圖9 不同纖維含量下加固砂土的微裂紋數(shù)量-剪切位移關系

2.3.2裂紋分布

對比不同聚合物及纖維含量下的微裂紋特征分布圖及微裂紋玫瑰花圖并進行分析,得到微裂紋的分布規(guī)律及剪切壓縮微裂紋、剪切拉伸微裂紋和拉伸微裂紋的空間分布特征。

不同聚合物含量下試樣微裂紋特征分布圖及玫瑰花圖如圖10、圖11所示,加固砂土微裂紋主要集中在剪切破壞面上,裂紋數(shù)量自中部朝兩側逐漸減少,剪切壓縮微裂紋、剪切拉伸微裂紋和拉伸裂紋呈現(xiàn)集中分布的特征。由圖10可知,聚合物含量增大會影響裂紋熱分布的局部裂紋位置。在低含量聚合物條件下,試樣微裂紋主要集中在剪切帶的右部,隨著聚合物含量的增大,試樣的局部集中微裂紋向左偏移,聚合物含量增大同時會影響壓剪裂紋、拉剪裂紋和拉伸裂紋的空間分布。由圖11可知,剪切拉伸微裂紋與拉伸微裂紋分布集中在20°方向,與聚合物含量低的試樣分布集中在40°方向不同,說明聚合物含量增強改變了加固砂土內部顆粒作用分布,使得20°方向處顆粒間的膠結與摩擦作用比其他方向的弱。

圖11 不同聚合物含量下試樣微裂紋玫瑰花圖

不同纖維含量下試樣微裂紋特征分布圖及玫瑰花圖如圖12、圖13所示,在低含量纖維條件下,試樣微裂紋主要集中在剪切帶的左側,隨著纖維含量的增大,試樣的局部集中微裂紋向右偏移。結合裂紋玫瑰花圖分析,隨著纖維含量的增大,剪切壓縮微裂紋、剪切拉伸微裂紋和拉伸微裂紋空間分布范圍有所增加,這表明隨著纖維含量的增大,顆粒間的孔隙減少,使得固化劑對砂土顆粒的膠結作用增強,纖維與試樣顆粒的作用范圍逐漸擴大,相互作用力也隨之增強,在加載時抵抗剪切力,其發(fā)生破壞的范圍勢必更大。

圖12 不同纖維含量下試樣微裂紋特征分布

圖13 不同纖維含量下試樣微裂紋玫瑰花圖

2.3.3能量演化

通過分析能量曲線圖中不同條件下復合加固砂土受力過程中的能量變化來解釋剪切過程中的破壞。如圖14所示,數(shù)值模擬中試樣能量轉化可以分為彈性階段(Ⅰ)、耗散階段(Ⅱ)、釋放階段(Ⅲ)和殘余階段(Ⅳ)4個階段。在彈性階段,外界輸入的總能量較少,該階段總能量主要轉變?yōu)轭w粒的應變能,應變能大部分轉換為顆粒的彈性能和膠結能,少部分轉化為顆粒動能。隨著剪切位移持續(xù)增加,顆粒出現(xiàn)少量的膠結破壞,微裂紋開始出現(xiàn),到耗散階段結束,應變能達到峰值,即彈性能和膠結能達到峰值。在釋放階段,顆粒應變能迅速下降,顆粒間的膠結發(fā)生大范圍破壞,微裂紋數(shù)迅速增加,顆粒的彈性能快速下降,試樣發(fā)生塑性破壞。最后,外界輸入能量趨于穩(wěn)定,試樣的應變能和膠結能也維持在一個較低的水平,彈性能與動能不斷趨于零。

圖14 不同聚合物含量下復合加固砂土的能量演化

不同聚合物含量下復合加固砂土的能量演化如圖14所示,隨著加載的進行,總能量不斷增加,應變能和膠結能大致呈先增大后下降趨勢。隨著聚合物含量的增大,各階段的能量均呈非線性增長,其中峰值應變能占總能量的比例也逐步增大。加固砂土峰值彈性能由2.8kJ增長至5.3kJ,說明顆粒間接觸面隨聚合物含量的增大而增大,增強了顆粒間的彈性作用。加固砂土的峰值膠結能由9.4kJ增長至32.7kJ,峰值應變能由11.3kJ增長至36.8kJ,表明聚合物含量增大后顆粒的大部分能量被儲存在聚合物形成的膠結膜中并轉化為膠結能,應變能也得到有效提升,有效增強了加固砂土的抗變形能力。加固砂土殘余階段的膠結能隨聚合物含量的增大而增長,由5.7kJ提高至20.6kJ,解釋了隨著聚合物含量的增大,微裂紋的數(shù)量和分布也隨著增長,在宏觀層面上表現(xiàn)為加固砂土被多種破壞路徑裂紋切割。

不同纖維含量下復合加固砂土的能量演化如圖15所示,隨著纖維含量的增大,加固砂土各階段能量曲線形態(tài)發(fā)生明顯變化,各能量峰值的出現(xiàn)時間發(fā)生延后,應變能和膠結能的能量曲線鋸齒狀變化愈發(fā)劇烈。這說明剪切過程中加固砂土顆粒的相互作用由于剪切破壞會劇烈變化,加上纖維與顆粒的接觸共同作用,能量曲線形態(tài)發(fā)生明顯改變。在耗散階段,加固砂土峰值彈性能由5.1kJ增加至7.0kJ,說明顆粒間彈性能由于纖維的聯(lián)結加筋作而略有增加。加固砂土的峰值膠結能由35.2kJ增加至37.6kJ,峰值應變能由37.8kJ增加至43.6kJ,說明纖維含量增大后顆粒中聚合物形成的膠結膜厚度有所變化,膠結能略有提升,應變能也小有增長。加固砂土殘余階段的膠結能與應變能出現(xiàn)起伏下降現(xiàn)象,說明隨著纖維含量的增大,纖維與加固砂土顆粒的作用范圍逐漸擴大,相互作用力也隨之增強。試樣抗剪強度主要由纖維提供,纖維含量增大后加固砂土破壞逐漸受纖維控制,解釋了隨著纖維含量的增大微裂紋范圍擴大,整體加固砂土的剪切破壞面受微裂紋分布的影響。

圖15 不同纖維含量下復合加固砂土的能量演化

3 機理分析

圖16為纖維-聚合物內部結構示意圖。聚合物及纖維加固砂土本質上是改變了砂土顆粒間的微觀結構,天然砂土結構松散,顆粒間無黏聚力,纖維摻入砂土后,在砂土顆粒之間隨機排列形成三維網(wǎng),起到了加筋的作用,聚合物摻入砂土后,填充在砂土顆粒間的孔隙,黏合纖維與砂土顆粒,有效提升砂土的整體性。聚合物包裹纖維與砂土的混合體,加固砂土內部的纖維與聚合物貫穿連通則構成一種網(wǎng)狀結構,限制其內部砂土顆粒移動,通過各組分之間的相互作用,使得加固砂土的整體性和穩(wěn)定性得到有效提升。

圖16 纖維-聚合物內部結構示意圖

圖17為纖維-聚合物的SEM電鏡圖和剪切破壞機理示意圖。由圖17可見,試樣剪切面內部未破壞,這是因為聚合物膜耦合纖維與砂土顆粒的團聚體限制了外側破壞后砂土顆粒的進一步移動,剪切面外側破壞后荷載傳遞至試樣內部,在外荷載作用下試樣內部未破壞聚合物膜、纖維、砂土顆粒三者耦合和咬合程度得到提高,增強了聚合物-纖維加固砂土的抗剪強度與抗變形破壞能力,減緩試樣破壞速度,僅在試樣剪切面兩側出現(xiàn)少量裂紋。隨著試驗持續(xù)加載,剪切應力不斷增大,聚合物-纖維加固砂土多相團聚體之間的聚合物膜斷裂,多相團聚體在試樣有限空間內產(chǎn)生相對位移,移動一定距離后到達平衡位置,與其他團聚體咬合后,團聚體內提供包裹、黏結作用的聚合物膜承受主要剪切力,聚合物膜形變達到極限并發(fā)生斷裂,將剪切力傳遞至纖維網(wǎng)絡,纖維承受主要應力發(fā)生拉伸形變與彎曲形變,當拉應力過大時,纖維加筋砂土作用逐漸失效。加固砂土進入破壞的迅速發(fā)展階段,加固砂土裂紋沿剪切錯動帶兩側向內部快速擴展發(fā)育,形成了剪切破壞面,破壞面上的砂土、聚合物膜與纖維多相結構均被剪切力破壞,聚合物膜與各組分的黏結作用失效,筋-土界面處的靜摩擦力轉變成動摩擦力,此時加固砂土被完全剪壞。

圖17 纖維-聚合物的SEM電鏡圖和剪切破壞機理示意圖

4 結 論

a.聚合物和纖維均對加固砂土剪切強度特性有顯著的影響。隨著聚合物和纖維含量的增大,加固砂土的抗剪強度不斷增大。聚合物含量的增大和纖維的摻入顯著提高了加固砂土的黏聚力,但對內摩擦角的影響較小。結合試驗結果、工程實際應用與經(jīng)濟效益,推薦纖維含量為0.8%,聚合物含量為3%。

b.聚合物和纖維顯著影響復合加固砂土的微觀力學特性。聚合物和纖維改變了加固砂土的微裂紋分布、能量演化特征。隨著聚合物含量的增大,剪切帶的微裂紋分布范圍和數(shù)量增大,加固砂土完全剪切破壞時拉伸、剪切微裂紋也隨之增多。粒間破壞的能量特征值增加。纖維含量的增大引起了微裂紋的集中分布和數(shù)量增長,提高了各階段的能量特征值。

c.聚合物和纖維含量均影響加固砂土的破壞形式。聚合物和纖維含量的增大促進了復合砂土各組分之間的聯(lián)合,增強了加固砂土的整體性,提升了土體的穩(wěn)定性,加固砂土的剪切面逐漸由平整光滑轉變?yōu)榇植诓黄?。聚合物溶液在砂土中形成的高分子膜緊密地纏繞并包裹砂土顆粒,填充砂土孔隙,形成一種穩(wěn)定的結構,從而增強了砂土顆粒間的相互作用,減小砂土孔隙比,進而加固了砂土的工程特性。