纤维加筋黄土的三轴蠕变试验研究

2020-08-03汪国刚骆亚生李沛达赵耀斌

科学技术与工程 2020年19期

汪国刚，骆亚生，李沛达，赵耀斌

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌 712100)

黄土是第四纪堆积的以粉质黏土颗粒为主，碳酸盐含量高、具有大孔性、松软沉积物丰富。黄土在世界范围内分布广泛，是一种风成的、不分层的矿床，主要由黄土状土组成，富含风运输的淤泥大小矿物和黏土颗粒。黄土主要存在于美国、英国、新西兰、中国、比利时、泰国和伊朗等。黄土分布的总面积约1 300万km2，占陆地面积的9.3%。在中国，黄土和黄土状土的分布面积广泛，在国土面积中占比较多，特别是西北各省市和黄河中游地区，西起贺兰山、东到太行山，北起长城、南到秦岭几乎全部都被黄土覆盖，在这些地区进行工程建设，必然离不开与黄土打交道。不论将黄土作为建筑材料，地基，或者工作场地，都要求对其工程性质进行科学、全面的掌握以达到使工程安全可靠的目的。

黄土的蠕变特性是黄土地基沉降和失稳的一个重要问题。胡连信等[1]通过对黄土的平面蠕变和三轴蠕变试验比较发现，小剪应力情况下，前者蠕变较为明显，大剪应力情况下，后者蠕变较为明显。王松鹤等[2]通过对原状、重塑黄土的非饱和、饱和两种情况进行直接剪切蠕变试验发现，各状态黄土均具有蠕变特性；在保证相同的试验条件时，饱和黄土的蠕变现象最为明显，原状黄土蠕变变形最小，蠕变速率最低。王鹏程等[3]通过三轴固结排水试验研究了不同围压和含水率条件下的重塑黄土蠕变情况，并建立两种经验模型，表明黄土的衰减蠕变特性表现最为显著，当周围压力较小、含水率较大的情况下，黄土蠕变的现象较为明显。陈琼等[4]通过不同加载方式研究了不同固结状态下的黄土坡滑坡滑带土的剪切蠕变特性发现，滑带土呈现中等压缩性土并说明滑带土的剪切蠕变特性受加载路径和加载后的孔隙比影响。葛苗苗等[5]对压实黄土的长期蠕变试验中发现，一维固结条件下的压实黄土的蠕变变形明显，蠕变变形随含水率的升高而增大，压实程度随着含水率的升高而减小。龙建辉等[6]通过三轴剪切和直接剪切的蠕变实验，将不同的含水率条件和偏应力条件下的原状黄土的蠕变过程分为等速、加速、破坏蠕变三个阶段，蠕变破坏时的变形程度随着含水率的升高而增大。

对于黄土地基的处理方法，莫过于加筋土的应用，近年来，加筋土的地基处理方法得到重视和使用，地基处理的问题得到较大改良。张丹等[7]在膨胀土中掺入玄武岩纤维，进行快剪试验和收缩试验发现，玄武岩纤维的掺入可以提高膨胀土物理力学性能，抑制膨胀土的蠕变变形，改善了膨胀土收缩时内部应变不均匀的情况，抑制了膨胀土裂隙的产生。高磊等[8]在黏土中掺入玄武岩纤维，通过直剪试验发现，土的黏聚力随着纤维掺量的增加而增大，内摩擦角在纤维掺量低于0.25%时变化不大，掺量在0.25%～0.35%时缓慢增加，大于0.35%时显著增加。唐朝生等[9-10]在软土中掺入聚丙烯纤维进行无侧限抗压强度试验，发现随着加筋率的增加，软土试样的无侧限抗压强度升高，并且自行设计了一组可以量测单根纤维在试样中的拉拔试验装置，用于对各种条件下的掺入纤维的土样进行了纤维-土界面的拉应力试验，量化了筋-土界面多种强度参数与试样各种干密度、不同含水率之间的数量关系；依据所测纤维加筋土的筋-土界面强度计算出了相应的纤维临界长度。

加筋土技术的优越性使得加筋土的应用越来越广泛，在各种路基和地基的工程应用中都起到了良好的改善作用。因此，研究加筋土的蠕变特性不仅能对土的流变特性的相关研究加以补充，也能在加筋土的工程应用中起到重要的指导意义。本研究主要通过应变式三轴蠕变仪对杨凌某工地黄土进行三轴固结排水试验研究，控制不同围压、含水率和纤维产量，得到该地区加筋黄土的蠕变特性，并模拟非饱和加筋黄土的Mesri蠕变模型。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验中所用土取自陕西省杨凌示范区某工地开挖边坡，具有明显的横向节理，取土的深度为3 m左右，属于第四纪晚更新世黄土，土样基本物理指标见表1，黄土试样为非饱和重塑样，试验中所用加筋材料为玄武岩短纤维，材料物理指标见表2。

表1 土的物理指标

表2 玄武岩纤维物理指标

1.2 试验方法

试验所用仪器为溧阳永昌仪器厂的SR-6型应变式三联三轴剪切蠕变仪(图1)。试验前标定试验仪器，用砝码(三个仪器误差不同，根据仪器的标定而定)平衡围压室的反力，保证试样帽、滤纸、透水石与土样之间接触良好，试验中严格控制室内温度和湿度一致。

图1 SR-6型三联式三轴蠕变仪Fig.1 SR-6 triplet triaxial creep instrument

试样均为重塑样(图2)，三层击样法制样并刮毛，保证每层联结紧密，干密度均控制为1.625 g/cm3，含水率为15%、18%和21%，在保湿缸中静置24 h，保证水分扩散均匀，试样为中型三轴试样，Φ6.18 cm×12.5 cm，试验方法为固结排水剪切试验。试样参数见表3。

表3 试样参数

图2 重塑黄土样Fig.2 Remolding the loess sample

试验采用分级加载的方式，每级荷载下稳定标准为变形不大于0.01 mm/24 h，根据经验和相关研究即加载24 h稳定，偏应力加载等级为50、100、200、300、400 kPa，破坏标准为当前荷载作用下变形超过仪器量程(仪器限制)或总变形超过10%，加载中若达到破坏标准，则不再进行下一级荷载加载。数据记录点是0、0.5、1、2、3、4、5、10、15、20、25、30、60、90、120、180、240、300、360、420、480、600、720、1 440 min……围压控制在50、100、200 kPa。参考文献[11-12]关于玄武岩加筋黄土的研究中可以看出加筋长度对加筋土有一定影响，但是效果并不是很明显且离散性较大，通过预实验的结果也证明这一点，在张丹等[7]和陈晓雪等[13]对于6 mm玄武岩纤维加筋膨胀土成功研究之后，作者亦确定玄武岩短纤维的筋材长度为6 mm。加筋率控制为干土的质量百分比，分别是0、0.25%、0.50%、1.00%。

2 试验结果与分析

2.1 应力-应变-时间关系曲线

分级加载的应力应变曲线通常采用陈氏法或Boltzmann的线性叠加原理，陈氏法比较复杂，需考虑每级荷载下回弹参数，本试验未进行回弹试验，因此采用Boltzmann线性叠加原理对试验曲线进行处理。

2.1.1 偏应力影响

加筋黄土试样蠕变变形符合典型的蠕变曲线类型，可分为4阶段：瞬时弹性、衰减蠕变、等速蠕变和加速蠕变阶段。在施加偏应力的短时间内，试样即产生弹性变形，蠕变变形与时间呈单调递增的关系，在小偏应力下，蠕变后期变形增加缓慢，大偏应力下，蠕变后期变形相对较快。试样的蠕变变形与偏应力呈单调递增的关系，蠕变速率也随着偏应力增大而加快，蠕变从瞬时弹性阶段逐渐向加速蠕变阶段过渡，如图3所示为含水率为18%、围压力100 kPa的不同加筋率应力-应变-时间曲线。

图3 不同加筋率应力-应变-时间曲线Fig.3 Curves of different reinforcement ratio stress-strain-time

2.1.2 加筋率影响

对比图3中围压100 kPa，初始含水率18%的不同加筋率的应力-应变-时间曲线，可以看出，在黄土中加入适当掺量的玄武岩纤维，显著地控制了黄土土样的蠕变变形，这是因为筋材在土中受到应力影响时，不仅表现出握裹作用力，抑制土样变形，还能形成纤维网状结构，包括平面纤维网结构和空间纤维网结构，增加土样的抗变形能力。由试验数据可以计算出，0.25%、0.50%、1.00%的加筋率相对于素土所减小的变形分别维持在30%、25%、23%左右，在图3中可以发现，本试验中各种加筋率下，试样的蠕变变形均减小，而0.25%的加筋率比0.50%和1.00%的加筋效果更优，0.50%加筋率试样蠕变变形虽然小于1.00%加筋率的蠕变变形，却非常接近，这就说明玄武岩纤维加筋黄土的蠕变变形并不是随着加筋率的增加而单调减小，存在一个界限值，即最优加筋率，当加筋率超过最优加筋率时，加筋的效果逐渐减弱，这是因为加筋率过高，土体中的筋材并不是完全均匀分散于土体中，部分筋材聚集成团形成软弱面，筋材之间的作用力小于筋土之间的作用力，造成此现象，而且玄武岩纤维本身成絮状状态，掺入土中易聚集成团。

2.1.3 含水率影响

含水率一直是影响黄土各项工程性质的关键性因素，含水率因素不仅显著影响着原状黄土的力学性质和结构性，而且对于重塑非饱和黄土，当含水率越高时，黄土的次生结构性也就越低[14]。纤维土中含水率升高时，筋-土界面自由水增多，润滑效果增强，界面的摩擦力减小，并且水膜的变厚使得土的吸力减小、颗粒间作用力减小，重塑土的次生结构性减小，这些作用力均能削弱筋-土界面作用力，因此，纤维加筋土的含水率越高，纤维对土的抗变形能力效果越低[15]。

对比图3(b)和图4中加筋率为0.25%、周围压力为100 kPa下的各级含水率的应力-应变-时间曲线，可以看出随着含水率的升高，各级偏应力下加筋土的蠕变变形均增大，这与重塑素土的三轴剪切蠕变曲线相符合，21%的含水率的加筋试样达到破坏标准较15%和18%含水率更早，蠕变速率也更大，其中15%含水率试样在600 kPa才达到破坏标准。为了较为明显地看出加筋效果与含水率的关系，做0.25%加筋率下的加筋效果(素土应变与加筋土应变之差/素土应变)关于含水率的关系图，如图5所示。从图5中可以明显看出加筋对蠕变变形的抑制效果随着含水率的升高而降低，并且在低偏应力下这种现象更明显，这与众多学者所得结论一致。

图4 不同含水率应力-应变-时间曲线Fig.4 Curves of different moisture content stress-strain-time

图5 加筋效果与含水率关系Fig.5 Relation between reinforcement effect and moisture content

2.1.4 围压的影响

围压不仅能反映地基所处的深度，而且对于加筋土，玄武岩纤维的掺入可以有效改变土样在各种荷载下的受力形式，并优化其受力结构，高加筋率、高围压、高应变情况下，土体不至于发生脆性破坏[15]。

同样，为了将加筋的效果与周围压力的大小联系在一起，做0.25%加筋率下的加筋效果与围压的关系图(图6)，可以看出，周围压力的升高，加筋的效果也就增大，并且偏应力越大，这种增大效果越明显。对比图3(b)和图7中三级围压下加筋率为0.25%、含水率为18%的应力-应变-时间关系曲线，可以看出，低围压下，土样达到破坏标准时没有明显的等速蠕变和加速蠕变阶段，直接从衰减蠕变阶段过渡到试样破坏；随着围压的升高，在各级偏应力下加筋土的蠕变变形减小，这是因为高围压下，试样处于挤密状态，筋材与土的摩擦力更大，筋-土界面作用力更强，其中200 kPa的试样在600 kPa偏应力下才达到破坏标准。

图6 加筋效果与围压关系Fig.6 Relation between reinforcement effect and confining pressure

图7 不同围压应力-应变-时间曲线Fig.7 Curves of different confining pressure stress-strain-time

2.2 加筋黄土Mesri蠕变模型的模拟

描述土体蠕变特性的模型一般采用Singh-Mitchell模型或Mesri模型以及其他经验蠕变模型，Singh-Mitchell模型受到20%～80%应力水平范围限制，而Mesri模型不受其限制，而且公式中各主要参数均有明确的物理意义。通过对比本文采用经典Mesri蠕变模型[16]，应力-应变关系采用双曲线函数来描述，应变-时间关系采用幂函数来描述，其蠕变方程即为：

(1)

式(1)中：D1为应力水平，D1=(σ1-σ3)/(σ1-σ3)f，(σ1-σ3)f为破坏偏应力；Eu为初始切线模量，Eu=d(σ1-σ3)/dε︱ε=0；Su为与破坏偏应力相关的参数，Su=1/2(σ1-σ3)f,Rf为拟合比；t1为单位参考时间，取t1=1 min；m为参数。

式(1)可整理为

(2)

以含水率18%、围压100 kPa、纤维掺量0.25%试样的试验结果为对象进行计算。取初始蠕应变参考时间t1=1 min，试样在500 kPa的偏应力下达到破坏标准，因此取(σ1-σ3)f=500，m可通过50、100、200、300、400 kPa的lnε-lnt曲线(图8)的斜率确定，(σ1-σ3)f/Eu和Rf可由ε/D1-ε曲线(图9)的截距和斜率确定，其中ε/D1-ε曲线为各个时间点和各个偏应力下的数据通过线性拟合求得。