以天然椰壳纤维加固的红黏土的力学性质研究

李良勇，马炜迪，曹宝珠

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

红黏土是一种承载能力较好，但却具有高含水率、高孔隙比等不良物理性质的特殊土，直接使用红黏土作为建筑基础时经常会发生不均匀沉降，使其上部结构产生附加应力，从而影响建筑结构的安全和使用，因此需对其进行加固处理[1].目前,国内外对于红粘土的处理主要以弃土换填和化学改性为主，但由于红黏土在海南全省的分布点多面广，大量的换填会造成严重的环境破坏，并且还会大幅增加工程费用.化学加固法是通过在红黏土中掺入石灰、水泥等无机胶结材料来提升红黏土的强度和水稳定性[2-6]，这种方法对环境的影响较大.罗斌等[7]提出用掺加碎石的方法来改良高液限红粘土，叶琼瑶等[8]也提出掺加30%的砂砾是改良红黏土的一种有效措施，但是砂砾和碎石材料有时不易获取，而且其长距离的运输成本较高.而采用纤维对红黏土进行加固，不仅成本低，而且施工方便，是一种良好的加固方法，因此部分学者[9-11]采用聚丙烯纤维材料来加固红黏土，取得了良好的效果.但是人工合成的纤维材料在生产过程中会对环境造成污染，增加碳排放量，不利于环保，因而需发展绿色环保的天然纤维材料.而椰子在海南省随处可见，废旧的椰壳在经过浸泡、敲打、除杂和晾晒后，所获得的椰壳纤维具有强度高、韧性强、抑菌、可再生等特性，具有较广阔的应用前景.目前，国内外已有部分学者[12-15]对土体中加入椰壳纤维进行了研究，但对于椰壳纤维加固红黏土的研究却较少.

针对上述问题，本文采用天然椰壳纤维对红黏土进行了加固，并通过直剪试验来研究椰壳纤维长度和掺量对红黏土抗剪强度的影响，旨在为海南地区红黏土地基加固提供一定的参考.

1 试验设计

1.1 试验材料本试验所采用的红黏土为海南地区具有代表性的粉质红黏土，其基本物理性质指标如表 1所示.天然椰壳纤维由海南当地废弃椰子在经过浸泡、敲打、除杂和晾晒后所获得，其直径为100～500 μm，长度为5～20 cm，密度为1.25 g/cm3，经拉伸试验，确定其延伸率为0.251，抗拉强度为98.36 MPa，初始模量为2.14 GPa，所得性质与Toledo等[16]和水锋等[17]测得的性质接近.

表1 粉质红黏土的基本物理性质指标

1.2 试样制备将取回的红黏土风干后碾碎过筛，按最优含水率配置红黏土，将椰壳纤维修剪至所需的长度，按照拟定的掺量将椰壳纤维加入红黏土中并搅拌均匀，接着将配置好的土样用薄膜密封，静置24 h，然后用环刀切取土样并压实，同时保证每个环刀内的土样质量相同，接着将土样压入到直剪盒内，分别施加100 kPa，200 kPa，300 kPa和400 kPa的垂直压力进行试验，剪切速率为0.8 mm·min-1，直到百分表读数持续停止或缓慢下降时终止试验.

1.3 试验方案为了研究椰壳纤维长度和椰壳纤维掺量对红黏土抗剪强度的影响，以便得到最优的椰壳纤维参数，本研究共进行了素土、4种椰壳纤维长度和4种椰壳纤维掺量的直剪试验，如表2所示，为保证试验数据的准确性，每种工况进行了3组平行试验.

表2 直剪试验分组

2 试验结果与分析

图1 不同椰壳纤维长度的剪应力-剪切位移的关系曲线

2.1 椰壳纤维长度图1为100 kPa垂直压力和0.3%椰壳纤维掺量条件下，不同椰壳纤维长度时剪应力与剪切位移的关系曲线，为便于比较，素土的剪应力与剪切位移关系也包含在此图中.剪应力与剪切位移曲线的斜率能反映土体抵抗变形的能力，其斜率越大，土体抵抗变形的能力越大.从图1中可看出，当剪切位移很小时，各曲线的斜率接近，原因在于剪切位移很小时，椰壳纤维和红黏土之间的相对位移也很小，椰壳纤维还不能发挥出加筋作用，和素土无异；但随着剪切位移的增大，椰壳纤维与红黏土间的相对位移也增大，椰壳纤维逐渐开始发挥其作用，曲线斜率和剪应力较素土时开始逐渐增大.在椰壳纤维长度小于5 cm时，曲线斜率和剪应力随椰壳纤维长度的增加而增大，但在椰壳纤维长度达到5 cm后，曲线斜率和剪应力反而减小，这与椰壳纤维过长而易缠绕成团有关.

根据摩尔库伦理论，红黏土的抗剪强度指标有两个，即粘聚力和内摩擦角，图2和图3分别为粘聚力和内摩擦角随椰壳纤维长度的变化曲线，由图2和图3可见，粘聚力和内摩擦角随椰壳纤维长度的增加呈先增大后减小的趋势.在椰壳纤维长度小于5 cm时，粘聚力和内摩擦角随椰壳纤维长度的增大而增加，且增长幅度逐渐减小；而在椰壳纤维长度达到5 cm后，随椰壳纤维长度的增加，粘聚力和内摩擦角均有较大幅度的降低，但均大于素土时的粘聚力和内摩擦角.这说明对于红黏土而言，最优的椰壳纤维长度为5 cm，其原因就在于随着椰壳纤维长度的增加，椰壳纤维之间易发生交互，形成网状结构，从而增强传力效果，且随着椰壳纤维长度的增加，纤维的锚固长度也增大，不易被拉断，其粘聚力和内摩擦角亦不断增大；但当椰壳纤维过长时，则易缠绕成团，从而弱化椰壳纤维的作用，最终导致粘聚力和内摩擦角减小.该现象与陈佳雨等[11]采用聚丙烯纤维来加固红黏土的现象一致.

从图2和图3中也可看出，采用椰壳纤维加筋后，红黏土的粘聚力和内摩擦角均有所增大，但粘聚力的增长幅度大于内摩擦角的增长幅度，说明椰壳纤维的加筋效果主要体现在粘聚力的增加上.

302520151050粘聚力/kPa012345678椰壳纤维长度/cm1614121086420内摩擦角/°012345678椰壳纤维长度/cm图2 粘聚力与椰壳纤维长度的关系曲线图3 内摩擦角与椰壳纤维长度的关系曲线

图4 不同椰壳纤维掺量的剪应力-剪切位移曲线

2.2 椰壳纤维掺量图4为100 kPa垂直压力和3 cm椰壳纤维长度的条件下，不同椰壳纤维掺量时剪应力与剪切位移的关系曲线，为便于比较，素土的剪应力与剪切位移关系也包含在此图中.从图4中可看出，随着剪切位移的增大，椰壳纤维与红黏土间的相对位移也增大，椰壳纤维逐渐开始发挥作用，曲线斜率和剪应力较素土时开始逐渐增大.在椰壳纤维掺量小于0.5%时，曲线斜率和剪应力随椰壳纤维掺量的增加而增大，但椰壳纤维掺量达到0.5%后，曲线斜率和剪应力反而减小，这与椰壳纤维掺量过高聚集而形成受力软弱区有关.

图5和图6分别为粘聚力和内摩擦角随椰壳纤维掺量的变化曲线，由图5和图6可见，粘聚力和内摩擦角随椰壳纤维掺量的增加呈先增大后减小的趋势.在椰壳纤维掺量小于0.5%时，粘聚力和内摩擦角随椰壳纤维掺量的增大而增加；而在椰壳纤维掺量达到0.5%后，随椰壳纤维掺量的增加，粘聚力和内摩擦角均有所降低，但均大于素土时的粘聚力和内摩擦角.这说明对于红黏土而言最优的椰壳纤维掺量为0.5%，其原因就在于随着椰壳纤维掺量的增加，椰壳纤维之间交织成网，传力效果增强，从而致使粘聚力和内摩擦角不断增大；但当椰壳纤维掺量过高时，椰壳纤维相互之间定向平行排列的机会就会增大，这会弱化椰壳纤维的传力作用，且过高的椰壳纤维掺量亦会导致椰壳纤维聚集而形成软弱区，从而导致粘聚力和内摩擦角减小.该现象与陈佳雨等[11]采用聚丙烯纤维来加固红黏土时所产生的现象一致.

从图5和图6中也可看出，采用椰壳纤维加筋后，红黏土的粘聚力和内摩擦角均有所增大，但粘聚力的增长幅度大于内摩擦角的增长幅度，这说明椰壳纤维的加筋效果主要体现在粘聚力的增加上.

表3列出了采用椰壳纤维加筋后8组试验中红黏土的抗剪强度指标，从表3中可看出，加筋后的红黏土其抗剪强度均较素土的抗剪强度大，但椰壳纤维掺量对红黏土抗剪强度指标的影响要大于椰壳纤维长度对红黏土抗剪强度的影响.

35302520151050粘聚力/kPa椰壳纤维掺量/%00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0内摩擦角/°181614121086420椰壳纤维掺量/%00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0图5 粘聚力与椰壳纤维掺量的关系曲线图6 内摩擦角与椰壳纤维掺量的关系曲线

表3 椰壳纤维加固红黏土后的抗剪强度指标

3 结 论

本研究采用直剪试验研究了椰壳纤维长度和椰壳纤维掺量对红黏土抗剪强度的影响，得出如下结论：

(1)在红黏土中掺入椰壳纤维能够提高其抵抗变形的能力和抗剪强度，但抗剪强度的提高主要体现在粘聚力的增加方面，内摩擦角的增加则较小.

(2)在椰壳纤维掺量一定的条件下，红黏土的抗剪强度随椰壳纤维长度的增加而呈先增大后减小的趋势，最优的椰壳纤维长度为5 cm.

(3)在椰壳纤维长度一定的条件下，红黏土的抗剪强度随椰壳纤维掺量的增加而呈先增大后减小的趋势，最优的椰壳纤维掺量为0.5%.

上述试验结果表明，椰壳纤维是一种性能优良的加筋材料，它能有效地提高红黏土的抗剪强度，而在海南由于具有丰富的椰壳纤维资源、且该种纤维绿色环保、可再生，因此它具有广阔的应用前景，鉴此，本研究可为红黏土地基的加固提供有价值的参考.