纤维加筋植被混凝土干湿循环下抗剪强度研究

潘 波 丁 瑜 黄晓乐 高 峰 许文年 刘大翔

(1.三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学)， 湖北 宜昌 443002；2.防灾减灾湖北省重点实验室(三峡大学)， 湖北 宜昌 443002；3.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌

443002)

工程建设在促进社会经济发展的同时，也极易引发各种环境地质问题.矿山、铁路、公路及水电工程建设中不可避免需要开挖山体，不仅破坏原有植被，而且形成大量裸露边坡，引发水土流失和生物多样性、生态系统等一系列问题.植被混凝土边坡生态防护技术在各领域已广泛应用，极好地实现了工程扰动区生态环境的快速修复，促进了工程建设与环境保护的协调发展[1].

植被混凝土基材由种植土、水泥、有机质、活化添加剂等材料配制而成，是具有一定的强度和抗侵蚀性能，且适宜植物生长的土壤基质[2].目前，针对植被混凝土基材力学性能的研究主要从其早期强度、根系固土效应及特殊环境下的稳定性方面进行研究[3-4].工程实践中，植被混凝土基材在初期养护和自然降雨条件下，不可避免地经历频繁的干湿循环作用，由此引起植被混凝土基材的强度损失，进而对基材的整体稳定性产生潜在的不利影响.研究表明，纤维加筋能显著提高土体的强度及稳定性.例如，水泥土中加入聚丙烯纤维后强度随纤维掺量增加而增大，纤维掺入在降低水泥土脆性，提高破坏韧性方面作用明显[5].而膨胀土中掺入纤维后，纤维土的胀缩性随着纤维的增加而降低，随纤维掺量的增加，破坏时的极限应变增大，残余强度大大提升[6].在冻融循环下，掺入纤维有助于减轻黏性土的冻融强度损失，其应力-应变曲线由应变软化型向应变硬化型转化[7].在黏性土中，纤维提高抗剪强度主要表现为有效黏聚力增加，而有效内摩擦角变化不大[8].

改良基材配制增强基材强度有助于提高生态防护基材长期稳定性，对于边坡生态防护具有重要的工程实际意义.为此，本文选取常见的棕纤维、玄武岩纤维作为植被混凝土基材加筋材料，根据不同的纤维掺入量配置加筋基材，借助三轴试验分析干湿循环作用下加筋基材抗剪强度特征，探讨两种纤维的加筋效果.

1 试验材料和方案

1.1 试验材料

试验用种植土为宜昌本地的黄棕壤，取回后风干碾碎，过2 mm筛备用.土的颗粒级配曲线如图1所示，土样不均匀系数Cu和曲率系数Cc分别为7.6和1.1，土粒相对密度为2.65，最大干密度为1.7 g·cm-3.试验用水泥为宜昌华新水泥生产制造厂生产的P.C32.5复合硅酸盐水泥.有机质为当地建材市场购置的棕树锯末，锯末风干后过2 mm筛备用.活化添加剂为三峡大学的专利产品(CBS)活化添加剂(AB菌).

图1 土样颗粒级配曲线

试验用棕纤维为宜昌五峰深山百宝庄的天然特级棕丝，玄武岩纤维为浙江海宁安捷复合材料有限公司生产的短切玄武岩纤维，两种纤维的基本物理力学特性见表1.

表1 纤维的基本物理力学特性

1.2 试验方案

1)试样设计

根据工程实践，试验中植被混凝土基材各组成成分的质量配合比为种植土∶水泥∶锯末∶活化添加剂=100∶8∶6∶4.棕纤维和玄武岩纤维分别按基材混合料干质量的0.2%、0.4%、0.6%和0.8%4个梯度掺入，以不掺入纤维的基材为空白对照样.

2)试样制备

根据设计配合比将各材料初步混合后，按含水量20%加水入自来水，将基材混合料拌和均匀.按试验设计的4种掺入量，分别将两种纤维加入在基材混合料中，充分搅拌至少5 min，尽量确保纤维在基材混合料中分布均匀.

制样时，所有基材试样的干密度均控制为1.35 g·cm-3.将搅拌均匀的纤维加筋基材混合料平均分为3等份，分批加入到高80 mm、内径39.1 mm的圆柱形模具中，每层击实9次，分层击实制成试样.每组试样制3个平行样.试样脱模后在室内温度约25℃，相对湿度≥90%的环境中养护7d.

3)三轴试验

植被混凝土基材实施后将经历反复的干湿循环.在灌溉养护和自然降雨条件下可接近饱和，自然饱和后含水量约为30%.随着蒸发脱湿，基材水分随之下降，其强度将随干湿循环及水分改变而发生变化.为此，采用15%和25%两种干湿循环幅度(脱湿至含水量分别为15%和5%)，以及0次、5次和10次3种干湿循环次数，分别模拟基材实施后随时间推移的干湿循环状态，采用三轴试验测得对应的基材强度.

试验前，将养护好的试样在常温25℃下真空抽气饱和48h(含水量达到30%)，然后放入电热鼓风干燥箱中，在50℃温度下分别脱湿15%和25%，作为1次干湿循环.当试样达到预设循环次数后进行饱和，饱和完成后进行三轴试验.

由于基材坡面浅层的固结、排水作用不明显，故本文采用不固结不排水剪(UU)三轴试验测试基材强度.此外，由于植被混凝土基材主要用于边坡表面的浅层防护，因此，试验围压设置分别为10、30和50 k Pa.试验仪器为通过南京土壤仪器厂生产的TSZ30-2.0应变控制式三轴仪.剪切速率为4.5 mm/min.破坏标准取偏应力峰值点；当无峰值点时，取轴向应变达15%时的偏应力.

2 试验结果与讨论

根据三轴剪切试验结果，绘制各组试样的不固结不排水抗剪强度包线，计算各纤维掺量下纤维加筋基材的抗剪强度参数.

2.1 纤维掺量影响

不同干湿循环条件下，试样黏聚力与纤维掺量关系如图2所示.未干湿循环条件下，与空白对照样相比，纤维加筋基材的黏聚力随纤维掺量呈近线性增长(图2(a)).纤维掺量为0.8%时，棕纤维和玄武岩纤维加筋基材的黏聚力增幅最大分别为43.71%和29.13%.测试结果表明，未干湿循环时，基材与纤维接触紧密，纤维掺量越大，纤维-基材相互作用越强，纤维加筋效果越好.

在干湿循环条件下，纤维加筋基材的黏聚力随掺量变化趋势如图2(b)、(c)、(d)和(e)所示.纤维掺量从0%到0.4%时，各纤维加筋基材的黏聚力逐渐上升后达到最大；随后，加筋基材黏聚力随纤维掺量增加而逐渐降低.分析认为，纤维加筋作用主要取决于纤维-基材相互作用，掺量较少时，加筋作用会随着掺量增加而增加.达到最佳掺量时，纤维加筋基材的剪切强度亦达到极值.当掺量继续增加时，纤维在局部位置因过于富聚形成的“隔层”破坏了基材的整体性.在干湿循环作用下，富聚的纤维会造成基材内部结构破损，进而导致基材抗剪强度随掺量增加而降低[9].

图2 黏聚力随纤维掺量的变化

由表2可知，基材的内摩擦角随纤维掺量的变化仅有小幅度的波动.这是因为内摩擦角与土颗粒的滑动及颗粒重新排列等因素有关[10].而纤维掺入并未改变基材内的颗粒级配及颗粒表面特性，基材的内摩擦角因而无显著变化.

表2 基材的内摩擦角

2.2 干湿循环影响

图3为两种纤维加筋基材的黏聚力与干湿循环次数的测试结果.由图可知，纤维黏聚力变化与脱湿幅度、干湿循环次数密切相关.

图3 黏聚力随干湿循环的变化

由图3(a)、(c)可见，在脱湿幅度为15%时，当纤维掺量不超过0.6%，基材黏聚力在5次干湿循环后均有所提升，经历10次干湿循环后又发生显著下降.空白对照样5次干湿循环后的黏聚力比0次的增大了7.27%，10次后减小了26.40%.0.4%掺量下，棕纤维加筋基材5次干湿循环后，其黏聚力比0次时增大了14.31%，10次后增幅为0.85%.相同掺量时，玄武岩纤维加筋基材5次干湿循环后的黏聚力比0次时增大了8.78%，而10次后则减小了27.02%.分析认为，在15%脱湿幅度下，早期干湿循环过程中，基材中水泥的水化反应持续产生增强作用.由于这种增强作用远大于干湿循环对基材强度的不利影响，因此，5次干湿循环后的基材黏聚力明显大于0次.加之掺入纤维与基材的黏结作用，基材黏聚力进一步提升.但随着干湿循环次数增加，基材中水泥水化的胶结作用不断遭到破坏，基材强度明显下降.

如前所述，纤维超过最优含量并不利于基材强度提高.因此，当纤维掺量＞0.6%时，持续干湿循环作用下，富聚纤维与基材的粘结极易遭受干湿循环破坏，试样结构不断裂化，基材黏聚力因而表现出随干湿循环次数增加持续降低的特征.

在25%脱湿幅度下，纤维加筋基材的黏聚力均随循环次数的增加持续减小(图3(b)、(d)).空白对照样5次干湿循环后与0次对比，黏聚力减小了34.05%，10次后降低了53.99%；而棕纤维和玄武岩纤维加筋基材在0.4%掺量时，与0次干湿循环下的试样相比，5次后黏聚力分别减小了4.07%和21.98%，10次后分别降低了12.70%和36.54%.由试验结果可知，高幅度的干湿循环极大地削弱基材内颗粒联结、破坏基材结构，基材黏聚力随干湿循环进行而持续降低.不过，与空白基材相比，纤维加筋基材强度大大提高，这表明掺入纤维可以大大降低了高幅度干湿循环的不利影响，显著改善基材裂化和结构破损.

由表2可知，干湿循环对空白对照样和纤维加筋试样的摩擦角影响较小.导致这一现象的原因在于：本试验采用的种植土中黏粒的含量极低，干湿循环过程对基材内部颗粒物之间的摩擦作用影响较低，故内摩擦角变化不大[11].

3 两种纤维加筋效果对比及分析

为了比较棕纤维和玄武岩纤维在基材的加筋效果，引入黏聚力加筋效果系数Rc[12].其定义如下：

式中，cuf为纤维加筋试样的黏聚力；cus为空白对照样的黏聚力.

不同干湿循环条件下两种纤维对基材的加筋效果系数见表3.由表3可知，纤维加筋基材的加筋效果系数Rc均大于1.0，即两种纤维在各干湿循环条件下均可提高基材的黏聚力.干湿循环后，两种纤维的加筋效果系数Rc均在纤维掺量为0.4%时达到最大，可将其作为最优加筋效果系数Rc(max).

表3 不同干湿循环条件下加筋效果系数R c

当干湿循环次数相同时，25%脱湿幅度下的Rc(max)均大于15%脱湿幅度下的Rc(max).当脱湿幅度相同时，Rc(max)大体上随干湿循环次数的增加而增大.在10次脱湿幅度为25%的干湿循环条件下，两种纤维的Rc(max)均达到最大，棕纤维为2.49，玄武岩纤维为1.67.说明脱湿幅度越大、干湿循环次数越多，纤维加筋提升基材黏聚力的效果越好.对比可知，在相同干湿循环条件下，相同掺量棕纤维的Rc(max)均大于玄武岩纤维，说明棕纤维对植被混凝土基材的加筋作用优于玄武岩纤维.

纤维加筋效果与纤维特征、纤维-土体相互作用密切相关.本文中，掺入的棕纤维单丝直径约80～300μm，纤维表面凹凸不平，有部分短绒突出(图4(a)).而玄武岩纤维单丝直径约12～18μm，纤维顺直，表面平滑(图4(b)).显然，棕纤维与周围土体之间接触面更大，粗糙表面特征使其纤维-基材的机械咬合力与摩擦力增大[13].因此，相比表面光滑顺直的玄武岩纤维，棕纤维的加筋作用明显更优越.

图4 纤维的表面特征

4 结 论

考虑不同纤维掺量和干湿循环条件，开展棕纤维和玄武岩纤维加筋基材不固结不排水三轴剪切试验，得出以下结论：

1)掺入纤维能显著增加基材的黏聚力，但对其内摩擦角影响不大.

2)干湿循环作用下，棕纤维及玄武岩纤维的最佳掺量均为0.4%；低于最佳掺量时，黏聚力随掺量增加而增大，高于最佳掺量时，黏聚力随掺量增加而减小.

3)干湿循环幅度较低时，纤维加筋基材抗剪强度随循环次数呈现先升高后降低的特征，但在高幅度干湿循环下，基材的抗剪强度则表现为随循环次数增加而持续降低.

4)脱湿幅度越大、干湿循环次数越多时，纤维的加筋效果越突出，相同掺量时，棕纤维的加筋效果明显优于光滑顺直的玄武岩纤维.