含水率和加筋条件对棕榈加筋土的影响

2019-10-15

上海理工大学学报 2019年4期

（上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093）

我国上海、广州、深圳等地都分布着较为典型的天然软土地基。严学新等[1]研究了上海市工程地质结构特征，其主要有含水率高、孔隙比大、压缩性高、强度低等特点，这不仅影响工程建设的投资，还直接影响建筑物的使用性能和工程质量。因此，实际工程中特别需要对黏土进行固化处理，以满足基础工程要求。

Ghavami等[2]认为在土中掺加一定数量的天然纤维可提高复合土体强度；魏红卫等[3]研究了影响加筋土强度的因素；Adili等[4]通过在土体中随机加入纸莎草纤维，研究出纸莎草纤维是一种合适的土体加固材料；杨继位等[5]通过对麦秸秆加筋滨海盐渍土进行抗压试验及正交试验得出加筋率（纤维含量）对土体强度的影响；Prabakar等[6]研究得出剑麻纤维可对土体强度产生影响；李敏等[7]通过无侧限抗压强度试验分析了不同尺寸的麦秸秆对土体抗压强度增长的影响；杜鹏[8]通过对稻草加筋土进行无侧限抗压强度试验分析了筋材形状对土体抗压强度的影响；闫宁霞等[9]研究出在固化土中适当加入聚丙烯纤维可提高固化土的抗压强度；丁万寿等[10]研究了含水率对膨胀土的影响；胡展飞等[11]研究了含水率对软黏土抗剪强度的影响；倪九派等[12]研究了干密度和含水率对岩溶地区黄壤抗剪强度的影响。由此可见，通过加筋可加强筋土的摩擦作用和空间约束作用，改善土的工程性质。这种将天然纤维材料运用于软土加固的方法是对我国生态文明建设的有益探索。

我国的棕榈产量高，是较易获得的环境友好型天然纤维。李晓龙[13]、刘晓霞等[14]研究了纤维的基本性质，认为棕榈纤维具有牢固、耐磨、耐盐、透气、质轻、富有弹性、耐腐蚀等特性，其拉伸强度、弹性模量和自然伸长率范围分别为87～166 MPa、800～1 900 MPa 和 5%～21%，属于中强高伸纤维；璩继立等[15]研究出麦秸秆和棕榈可提高黏性土抗压强度；李陈材等[16]发现一定的含水率是麦秸秆发挥加筋性能的必要条件；璩继立等[17-20]探究出增加黏土抗拉和抗压强度的棕榈纤维最优长宽比为1∶3，并通过直剪试验，分别探讨了棕榈纤维加筋土和在棕榈纤维加筋土中复掺纳米SiO2对土体抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的影响。本文通过无侧限抗压试验，用棕榈作为加筋材料，进一步研究了土体含水率和筋材长度对棕榈加筋黏性土无侧限抗压强度和变形的影响，并重点分析了复合土体的刚度变化、能量吸收能力及其破坏模式。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究用土取自上海市郊某大型项目施工现场，距地表以下1.5 m。将收集的土烘干，粉碎并通过2 mm筛进行筛分。根据公路土工试验规程（2007）进行试验，并将试验结果（土样的物理性能）总结于表1中，按照土的分类标准GBJ 145—90，土类属CL（低液限黏土）。市售的棕榈用作加筋材料，本研究中使用的棕榈纤维零吸湿值，其物理性能见表2。

表1 土的物理性能指标Tab.1 Physical properties of soil

表2 棕榈物理性能指标Tab.2 Palm physical performance indicators

1.2 样品制备和试验方法

首先将特定重量的干土和所需的棕榈纤维混合，再加入相应比率的水混合，搅拌均匀，接着将土壤混合物装入聚乙烯袋中，并在养护缸中保养24 h以确保水分平衡。然后，将土壤混合物在具有可拆卸的直径为39.1 mm、高为80 mm的三瓣模中压实，取样。由于随着加筋率的增加，纤维会黏合在一起并结成团，导致土和纤维混合均匀困难，而纤维选取过长则会出现纤维在模具中弯折的情况，因此，加筋率最大选为0.75%，纤维长度最长选为30 mm。在文献[17]中，将含水率范围选为15%～25%，但在本次试验前期测试准备阶段发现：含水率低于17%时，加筋的试样由于含水率太低出现未压先坏的情况；含水率高于25%时，土样在模具中击实时容易坍塌，且渗水情况较为严重。故本次试验中将含水率w选为17.72%，19.72%，21.72%和23.72%。因此，试验土样在最大干密度和最优含水率上下的状态下选择3种不同的纤维长度（L=10，20，30 mm）和4种不同的加筋率（fc=0，0.25%，0.50%和0.75%）来制备。为防止试验误差较大，每组做3个平行试验取平均值，每组试验系列组合见表3。

表3 无侧限抗压强度试验的各系列组合Tab.3 Series combinations of unconfined compression tests

1.3 试验仪器

为排除外界因素的影响，试验均采用南京土壤仪器厂生产的PY-3型应变控制式无侧限压缩仪测试抗压强度，仪器主要指标：位移测量范围为0～30 mm；测力计量范围为 0～600 N；升降速率为 2.3～2.7 mm/min；外形尺寸为 235 mm×150 mm×476 mm.

2 结果与讨论

2.1 强度特征

2.1.1 加筋率和纤维长度的影响

图1给出了在最优含水率（21.72%）和最大干密度（1.65 g/cm3）的压实状态下，长度为 20 mm 的棕榈纤维和不同加筋率组合土样（第1组）的应力-应变结果。从图中可以看出，未加筋土的应力突然下降，这表示素土的脆性。随着棕榈的加入，未加筋土的脆性逐渐转变为加筋土的塑性。这是由于随着土样上压应力的增加，棕榈被拉伸导致土壤和棕榈接触面的相互作用，以及土颗粒与棕榈纤维之间的黏结力和接触面的摩擦力增强，从而使土的抗压强度增加。因此，加筋土强度的增加可归因于与土颗粒相互交织的棕榈纤维。从图1还可观察到，加筋土的抗压强度随着加筋率的增加而增加，加筋率为0.50%时达到最大值，在加筋率为0.75%时强度下降。这可能是因为，当加筋率达到一定值后加入的棕榈纤维已不能较为均匀地分布在土样中，导致土样中部分土颗粒没有与之形成有效黏结。同时，过高的加筋率或纤维过长会增大土的孔隙率，使得土和筋材之间的摩擦力减小。因此，加入的纤维可能不会完全起作用，从而导致加筋率为0.75%时土样抗压强度下降。

图2给出了（第1组）在最优含水率和最大干密度压实状态下，加筋率为0.50%时，不同纤维长度对加筋土的应力-应变影响。可以观察到，随着纤维长度的增加，抗压强度明显增加。然而，纤维长度为20 mm的土样抗压强度大于纤维长度为30 mm的土样，这说明对于加筋土来说加入的纤维具有最佳纤维长度。在样品制备过程中注意到当加入30 mm的棕榈时，在直径为39.1 mm的三瓣模中土样表面存在很多折叠弯曲和裸露在外面的棕榈纤维，所以加入的30 mm棕榈可能没有被充分利用。

图1 加筋率对土样应力-应变的影响Fig.1 Influence of reinforcement ratio on stress-strain of soil samples

图2 棕榈纤维长度对土样应力-应变的影响Fig.2 Influence of palm fiber length on stress-strain of soil samples

从图3可以看出：a.不同棕榈长度与不同加筋率的加筋土呈现相同的趋势，在纤维长度相同时，土样的无侧限抗压强度随加筋率增加而增加，在加筋率为0.50%时具有最大强度；b.在具有相同的加筋率时，加入20 mm纤维的土样具有最大的抗压强度，而10 mm的纤维比30 mm的纤维具有更好的增强效果。未加筋土的土样抗压强度为78 kPa，加筋率为0.50%时，对于纤维长度10，20，30 mm的加筋试样，抗压强度分别为134.40，148.03，115.20 kPa。

图3 加筋率和纤维长度对土样抗压强度的影响Fig.3 Influence of reinforcement ratio and fiber length on the compressive strength of soil samples

2.1.2 含水率的影响

图4给出了在最大干密度（1.65 g/cm3）和长度为20 mm，加筋率为0.50%时，在不同的含水率状态下压实的土样（第2组）应力-应变结果。为了比较，图4中包含了最优含水率（21.72%）时的应力-应变曲线。从图4可以看出，在最优含水率状态下，土样的抗压强度最大，在最佳含水率附近随着水分含量的增加或减小，加筋土的抗压强度都在降低。这可能是因为含水率在最优含水率以上时，初期土颗粒之间相互作用较低，需要更高的变形才能完全黏结并和纤维之间形成更有效的摩擦。在最优含水率以下的情况，由于水分含量少，土颗粒之间不能达到很好的黏结而使土体强度不高。

图4 不同含水率下土样的应力-应变关系Fig.4 Stress-strain relationship of soil samples under different water contents

图5给出了纤维长度为20 mm时加筋土随含水率的增加抗压强度的变化。结果表明，不同加筋率的加筋土样具有相同的趋势。随着含水率的增加，土样抗压强度先增加后降低，在最优含水率时达到最大值。

图5 含水率和加筋率对土体抗压强度的影响Fig.5 Influence of water content and reinforcement ratio on the compressive strength of soil samples

2.2 变形特性

为了研究加筋土的变形特征，从第2组应力-应变图的轴向破坏应变研究了非加筋土和加筋土的变形。纤维长度相同时加筋土的轴向破坏应变随着加筋率的增加而增加（图1），加筋率相同时加筋土的轴向破坏应变随纤维长度的增加而增加（图2），加筋率和长度相同时随土样含水率的增加而增加（图4），这些都表明棕榈纤维使土样具有塑性。从图1中可以看出，在第1组的所有土样中，加筋率为0.50%，长为20 mm的棕榈纤维使土样具有最大的抗压强度（148.03 kPa）和相应的破坏轴向应变（4%）。然而，对于加筋率为0.50%，长为30 mm棕榈加固的土样（第1组中）最大抗压强度和轴向破坏应变分别为115.20 kPa和4%。这可能是因为较长的棕榈与土壤之间没有较好的相互作用，使土体在较大的轴向应变下发生破坏。对于未加筋土，相应的值为78 kPa和2.5%。

在三轴试验中，如果样品受到远远超过峰值应力的荷载，则可以获得稳态应力。在无侧限抗压强度试验中，因为试样不能承受超过峰值应力的任何轴向荷载，所以难以获得稳态应力。因此，对于无侧限抗压强度试验，本文用延展性来研究加筋土样的性能。延展性是加筋土在破坏前变形能力的量度。延性比（DR）计算公式为。式中： Δγ是加筋土样的轴向破坏应变； Δµ是未加筋土样的轴向破坏应变。第1组和第2组测试所有土样的延性比如图6和图7所示。图6显示了第1组中不同加筋率和加筋长度下土样延性比的变化，随着加筋率的增加，延性比连续增加，并且在3组加筋长度不同的土样中观察到相同的趋势，在棕榈长为30 mm时获得最大的延性比。在加筋率分别为0.25%，0.50%和0.75%时，相应的最大延性比分别为1.6，1.8和2。从图7可以看出，随着含水率的增加，土样的延性比降低。在含水率相同的条件下，随着加筋率的增加，延性比增加，这说明含水率会降低土样的延性，加筋率会提高土样的延性。

图6 棕榈纤维长度和加筋率的延性比较Fig.6 Comparison of the ductility with different palm fiber lengths and reinforcement ratios

图7 含水率对加筋土延性比的影响Fig.7 Effect of water content on the extension ratio of reinforced soil

2.3 正割模量

由于在现场应用中，实际施加的载荷水平应保持低于峰值抗压强度，从而不会达到土体破坏轴向应变。因此，可以用割线模量（即峰值强度与破坏轴向应变的比值）来衡量加筋土的刚度，本文将未加筋和加筋土样的刚度即正割模量进行了比较。图8描述了第1组中加筋土的割线模量与加筋率和纤维长度的关系。从图8可以看出，随着加筋率的增加，土样的正割模量呈现降低趋势，表明刚度下降，并且加筋长度不同的3组土样有相同的趋势。如图8所示，当加筋率相同时，棕榈纤维长为20 mm时土样的割线模量最大，其次是含有长为30 mm，长为10 mm棕榈纤维的土样，对于10 mm的棕榈，在加筋率分别为0.25%，0.50%和0.75%时，相应的正割模量分别为2.90，2.95，2.80 MPa，未加筋土样的正割模量为 3.15 MPa。

图8 棕榈纤维长度和加筋率与对土体刚度的影响Fig.8 Influence of palm fiber length and reinforcement ratio on soil stiffness

图9描述了长为20 mm的棕榈纤维在不同加筋率条件下（第2组）土样刚度随含水率的变化。随着含水率的增加，正割模量先增加后减少，割线模量的最大值在最优含水率（21.72%）处，表明土样在最优含水率时具有最大的刚度。图中可以看出4组不同加筋率的试样有相同的趋势。加筋率为0.50%时，4组不同的含水率（17.72%，19.72%，21.72%和23.72%）土样的正割模量分别为6.8，7.2，7.4，6.2 MPa。

图9 不同加筋率条件下含水率对土样刚度的影响Fig.9 Influence of water content on soil sample stiffness under different reinforcement ratio conditions

2.4 能量吸收能力

为了验证棕榈纤维增加了素土的无侧限抗压强度或破坏应变，本文通过计算应力-应变曲线到失效轴向应变的面积来表示未加筋和加筋土样的能量吸收能力。能量吸收能力的增加表示土样无侧限抗压强度或破坏应变的增加。表4列出了不同加筋率和棕榈纤维长度下（第1组）土样的能量吸收能力（EAC）。可以看出，加筋土样的能量吸收能力随加筋率和棕榈纤维长度的提高而提高。这表明，在土样破坏之前，土样中随机分布的纤维使能量能持续吸收。加筋率为0.50%时，纤维长度为30 mm的加筋土样，无侧限抗压强度为115.2 kPa，能量吸收能力为 360.90 kJ/m3。然而，纤维长度为20 mm的加筋土样（第1组），无侧限抗压强度为148.03 kPa（表4），能量吸收能力为349.93 kJ/m3。表5中，土样加入长为 20 mm的棕榈纤维，当加筋率为0.50%时，随含水率的增加，土样的能量吸收能力也在增加。因此，土样的能量吸收能力随加筋率和纤维长度的提高而提高，随含水率的增加而增加（表5）。

表4 不同纤维长度下土样的能量吸收能力Tab.4 Energy absorption capacity of soil samples with different fiber lengths

表5 不同含水率下土样的能量吸收能力Tab.5 Energy absorption capacity of soil samples with different water contents

2.5 破坏形态

2.5.1 加筋率和纤维长度的影响

图10 不同加筋率条件下的破坏模式Fig.10 Failure modes under different reinforcement ratios

试验期间和试验之后观察到2组土样有不同的破坏形态。图10显示了棕榈纤维长为20 mm时，不同加筋率条件下土样的典型破坏形态。对于未加筋土样，在加载过程中形成单个主要倾斜破坏面（图10（a）），表明其为脆性破坏。相比之下，加筋率为0.25%，0.50%和0.75%时的加筋土样破坏时呈现多个剪切破坏面（图10（b），（c），（d））。这可能是由于纤维的桥接效应限制了剪切面或裂缝的发展，导致加筋内的应力再分配，从而出现多个破坏面。从图1的应力-应变曲线可以看出土样在越来越大的轴向应变处发生破坏。图11显示（第1组）与未加筋土样破坏时的单个主要剪切破坏面（图11（a））不同，长度为 10 mm 的加筋土样的破坏包括多个剪切破坏面，而没有明显的主要破坏面（图11（b），（c），（d））。具有不同加筋率和纤维长度（第1组）的其他加筋土样，也具有类似的破坏形态。

图11 不同纤维长度条件下的破坏模式Fig.11 Failure modes under different fiber lengths

2.5.2 含水率的影响

图12显示了加筋率为0.50%，纤维长度为20 mm（第2组）的土样，其含水率对破坏形态的影响。在小于等于最优含水率（17.72%，19.72%和21.72%）的条件下，破坏的土样表面有部分剥落，存在多个裂纹（图12（a），（b）和（c））。这是因为在含水率较低的情况下，土壤黏聚力较小，容易受到扰动。当含水率增加到较高含水率（23.72%）时，加筋土样不会发生剥落（图12（d）），土样破坏时有较大变形。这可能是因为含水率较高时，刚开始土颗粒需要经过较大变形才能形成更加充分有效的黏结。