天然椰壳纤维加固红黏土地基模型试验

李良勇，马炜迪，谢 朋，曹 乾，黄睿龙

(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壤，直接将红黏土作为建筑基础时经常会发生不均匀沉降，使上部结构产生附加应力，影响建筑的结构安全和使用，需对其进行加固处理[1-2]。由于造价低、抗震性能好、施工简便、取材广泛和无噪声等优点，加筋法成为一种常见的地基处理方法，被广泛应用于道路、铁路、水利、港口码头、建筑和矿山等领域[3-12]。但目前所采用的加筋材料基本为人工合成的土工合成材料，在其生产过程中会产生污染，增加碳排放量，不利于环保。因此，必须发展环保、无污染、无公害的天然加筋材料。椰子在海南省随处可见，废旧的椰壳在经过浸泡、敲打、除杂和晾晒后获得的椰壳纤维具有强度高、韧性强、抑菌、可再生等特性，应用前景广阔。目前，国内外已有部分学者[13-16]对椰壳纤维加筋土进行了研究，P.M.Chaple 等[13]研究了方形基础下加筋黏土地基的承载力和沉降量，发现当加筋深度dr=0.25B(B为基础宽度)，椰壳纤维质量分数为0.5%时的加筋效果最佳；R.R.Singh 等[14]采用试验研究椰壳纤维含量对黏土无侧限抗压强度和加州承载比的影响，发现随椰壳纤维含量的增加，黏土无侧限抗压强度和承载比均增加；椰壳纤维改变黏土的脆性特性，提高其加州承载比，可以起到减小路基厚度，节约工程造价的作用；D.Lal 等[15]研究方形基础下椰壳纤维织物加筋砂土地基的隆起特性，发现最优的首层筋材埋深u=0.25B；最优加筋长度L=3B；最优加筋层数N=3；S.M.Lakshmi 等[16]通过试验研究椰壳纤维含量和长度对地基土体无侧限抗压强度和加州承载比的影响，发现最优的纤维质量分数为1.2%，最优的加筋长度为2～3 cm。但采用椰壳纤维加固红黏土的研究鲜见报道。

笔者结合海南当地特色，采用天然椰壳纤维对红黏土地基进行加固，将椰壳纤维变废为宝，通过载荷试验研究椰壳纤维加筋深度对红黏土地基承载–沉降能力的影响，以期为海南地区红黏土地基加固提供一定参考。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验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见表 1。直剪试验测定其黏聚力为12.2 kPa，内摩擦角为10.1°。天然椰壳纤维由海南当地废旧椰子经过浸泡、敲打、除杂和晾晒后所提取，其直径为100～500 μm，长度为5～20 cm，密度1.25 g/cm3，拉伸试验确定其延伸率为 25.1%，抗拉强度为98.36 MPa，初始模量为2.14 GPa，所得性质与R.D.T.Toledo 等[17]和水锋等[18]测得数据接近。将质量比(指椰壳纤维质量和土体质量的比值)为0.3%的椰壳纤维和红黏土均匀混合后，快剪试验测定其黏聚力为22.9 kPa，内摩擦角为14.9°。

表1 粉质红黏土基本物理性质指标Table 1 Basic physical property indexes of silty red clay

1.2 试验装置

试验装置包括模型箱、条形基础、加载系统和测量系统。模型箱内部尺寸为 800 mm(长)×200 mm(宽)×480 mm(高)，箱子由透明的钢化玻璃制成，钢化玻璃厚度为19 mm。为限制箱子变形，箱子周边采用角钢固定并在缝隙处涂抹一层硅胶防止液体泄漏。条形基础的大小为 198 mm(长)×80 mm(宽)，基础由钢材制成，完全刚性。加载装置为WTD300-2 型岩土工程模型试验加载系统，其组成如图1 所示，可由计算机自动控制加载过程，加载力和沉降由系统自动记录；测量装置为静态应变仪，用于测量加载过程中的土压力。

1.3 传感器埋设

在距地基表面5、10、15、20 cm 处各埋设一个土压力计，用以测量土压力在地基中的分布规律，土压力计具体布置位置如图1 所示。

图1 试验加载装置和土压力计分布Fig.1 Loading device and arrangement of the earth pressure cell

1.4 试验方案及过程

共进行4 组椰壳纤维加固红黏土地基模型试验，第1 组为未加固的红黏土地基，作为基本参照组；2～4 组分别为加筋深度为2、4、6 cm 的椰壳纤维加固红黏土地基，用以分析加筋深度对红黏土地基承载–沉降的影响。

试验过程如下：

①将椰壳纤维修剪为3 cm 长，按0.3%的质量比和烘干后的红黏土按18%含水率进行均匀搅拌混合；

② 在模型箱四周涂抹硅油，以减小箱壁摩擦；

③将配置好的红黏土分层填入模型箱中压实，每层填筑高度为5 cm，待填筑高度达到椰壳纤维加筋层时，分层填入配置好的椰壳纤维红黏土并压实，直至地基土达到40 cm 厚时填筑完成；

④ 在地基表面中间位置放置条形基础，采用应力控制式加载系统进行分级加载，每级荷载增量为10 kPa，当该级荷载下系统记录的位移达到稳定后加下一级荷载，直到地基土发生破坏或总位移达到50 mm 时停止试验。

2 试验结果

2.1 荷载沉降曲线

图2 为4 组试验的荷载沉降曲线。从图中可看出，和纯土地基相比，加筋能明显提高地基的承载力，减小沉降量，这是因为椰壳纤维的存在能约束土体的位移，使其沉降量减小，承载力增大。随着加筋深度的增加，加筋地基的承载力进一步增大，沉降量进一步减小。在沉降量为50 mm 时，纯土地基、加筋深度2、4、6 cm 地基的承载能力分别为86.5、139.7、193.2、218.0 kPa。

图2 不同加筋深度荷载–沉降量曲线Fig.2 Curves of settlement to bearing capacity for different reinforcement depths

为定量描述椰壳纤维地基对承载力的提高效果，引入承载比概念，表示在某一沉降量条件下加筋地基的承载力与未加筋地基承载力的比值，比值越大，说明承载力提高效果越好；为消除基础尺寸的影响，将沉降量除以基础宽度进行无量纲化处理。图3 为承载比随无量纲化沉降的变化曲线，从图中可看出，加筋后地基的承载比均明显大于1，尤其是当沉降较小时，其值更大，说明加筋后地基的承载力较纯地基有了明显提升，且加筋深度越大，承载比越大。但随着沉降量与基础宽度的比值从0.1增加到0.6，承载比大体上表现为先减小后稳定的趋势，且加筋深度越大，减小幅度越大。加筋深度为2 cm 地基的承载比从2.45 减小到1.61，减小34%；加筋深度为4 cm 地基的承载比从3.53 减小到2.24，减小37%；加筋深度为6 cm 地基的承载比从6.73减小到2.50，减小63%。原因在于沉降量/基础宽度为0.1 时的沉降量相对较大，部分椰壳纤维发生断裂，随着沉降量的增加，椰壳纤维断裂数量也增加，承载比减小；当沉降量达到一定值时，断裂的椰壳纤维趋于稳定，承载力也就趋于稳定。

图3 不同加筋深度承载比–无量纲化沉降关系曲线Fig.3 Curves of bearing capacity ratio to settlement ratio for different reinforcement depths

为定量描述椰壳纤维地基对沉降量的降低效果，引入沉降比概念，表示在某一荷载条件下加筋地基的沉降量与未加筋地基沉降量的比值，比值越小，说明沉降量降低效果越好。图4 为沉降比随荷载的变化曲线。从图中可看出，加筋后地基的沉降比均明显小于1，说明加筋后地基的沉降量较纯地基有了明显降低，且加筋深度越大，沉降比越小。当荷载从20 kPa 增加到80 kPa 时，沉降比总体表现为增大趋势。加筋深度为2 cm 地基的沉降比从0.37增加到0.65 然后减小到0.53，增长43%；加筋深度为4 cm 地基的沉降比从0.15 增加到0.58 然后减小到0.46，增长207%；加筋深度为6 cm 地基的沉降比从0.12 增加到0.18，增长50%。

图4 不同加筋深度沉降比–荷载关系曲线Fig.4 Curves of settlement ratio to loading for different reinforcement depths

2.2 土压力分布

2.2.1 不同加筋深度土压力

图5 为不同加筋深度红黏土地基的土压力沿深度的分布。整体上看，土压力随荷载水平逐级增加，随埋置深度增加逐渐衰减，这与土颗粒之间摩擦作用等对能量的消耗有关；加筋深度越大，各埋置深度处的土压力也越大，这是因为加筋深度增大，筋材的作用效果逐步增大，承载土体的有效范围也逐步扩大，对应力的均化作用也越强[19]。加筋深度为2 cm 时，距地表5 cm 处的土压力要明显小于所施加的荷载，原因在于荷载主要集中在上部2 cm 加筋深度范围内，超过加筋深度后应力扩散较快，使应力减小明显。加筋深度为4 cm 时，距地表5 cm 处的土压力总体上要小于所施加的荷载，这是因为埋深5 cm 处的土压力计离加筋深度4 cm 较近，应力扩散相对较小，使此处应力相较施加荷载有所减小。而加筋深度为6 cm 时，距地表5 cm 处的土压力和所施加的荷载基本相同，这是因为埋深5 cm 处的土压处于加筋范围内，荷载还未扩散。其他深度处的土压均明显小于所施加荷载。

图5 不同加筋深度红黏土地基土压力沿深度分布Fig.5 The distribution of earth pressure of the red clay along the depth with different reinforcement depths

为便于分析土压力沿深度随荷载的变化情况，将土压力与荷载进行无量纲化处理，将荷载与最大荷载进行无量纲化处理，图6 为无量纲化处理后土压力沿深度的分布。加载前期由于土压力计与土体接触不密实，使土压力变化和荷载变化不同步，波动较大，扣除去前期波动段，加筋深度为2 cm 时，土压力/荷载随荷载/最大荷载的增加而逐渐增大，由于应力扩散，不同深度处的土压力均明显小于所施加荷载，距地表5cm 处土压力最大值也不达施加荷载的一半。加筋深度为4 cm 时，5 cm 处土压力/荷载先增大，后减小至约0.6，应力扩散作用较小，其他深度处的土压力/荷载在荷载/最大荷载达到0.3 时趋于稳定，变化不大，且均小于0.4，应力扩散明显。加筋深度为6 cm 时，5 cm 处土压力/荷载由于应力集中，先增大后减小至约1，土压力和荷载几乎相等，其他深度处的土压力/荷载基本稳定，变化不大，10、15、20 cm 处土压力/荷载分别稳定在约0.6、0.4、0.2。从图6 中还可看出，当土压力计埋置深度达到2 倍基础宽度左右时，土压力/荷载比值基本不变，如埋深15 cm 和20 cm 处的土压力/荷载比值分别约为0.3 和0.2，说明荷载主要影响范围约为基础宽度的2 倍。

图6 不同加筋深度红黏土地基无量纲化土压力沿深度分布曲线Fig.6 The distribution of dimensionless earth pressure of the red clay along the depth with different reinforcement depths

2.2.2 不同深度处土压力

图7 为相同埋深处不同加筋深度的土压力分布情况。由图7 可知，埋深5 cm 处土压力在荷载小于50 kPa 时三者基本接近；荷载超过50 kPa 后，加筋深度4、6 cm 的土压力随着荷载的增加迅速上升，且加筋深度4 cm 的土压力较加筋深度6 cm 的土压力上升快，但在荷载超过120 kPa 后，加筋深度6 cm的土压力开始赶超加筋深度4 cm 的土压力(图7a)。10 cm 处土压力在加筋深度6 cm 时最大，加筋深度2、4 cm 时在相同加载段接近；15、20 cm 处土压力在相同加载段三者基本接近，且随荷载几乎线性增大。说明荷载较大时，15、20 cm 处的土压力可以不进行测量，直接通过荷载较小时的土压力进行推求。

图7 不同深度处土压力分布Fig.7 The distribution of earth pressure at different depths

为便于比较，将土压力与荷载进行无量纲化处理，将荷载与最大荷载进行无量纲化处理。图8 为无量纲化处理后土压力随加筋深度的变化图。从图中可看出，除去加载前期波动段，对于5 cm 处的土压力，当加筋深度为2 cm 时，其随荷载/最大荷载的增加而缓慢增大；当加筋深度为4、6 cm 时，其随荷载/最大荷载的增加先增大后有所减小，但均明显大于加筋深度为2 cm 时的土压力，说明5 cm 处的土压力受2 cm加筋深度层的影响较小；当3 组试验均加载到最大值时，加筋深度为2、4、6 cm 的土压力/荷载值分别约为0.39、0.65、0.97。对于10 cm 处的土压力，三者均随荷载/最大荷载的增加而增大，且加筋深度越小，增长幅度越大；当3 组试验均加载到最大值时，加筋深度为2、4、6 cm 的土压力/荷载值分别约为0.33、0.33、0.58。对于15、20 cm 处的土压力，随荷载/最大荷载的增加，加筋深度为4、6 cm 的土压力/荷载增长幅度很小，加筋深度为2 cm 的土压力/荷载增长幅度较大，但加载到最大荷载时三者的土压力/荷载值较为接近。说明土压力/荷载与荷载/最大荷载无关。

图8 不同深度处无量纲化土压力随加筋深度的变化Fig.8 The distribution of dimensionless earth pressure with different reindorcernent depths at different depths

3 结论

a.采用椰壳纤维加筋能明显提高地基的承载力，减小地基沉降量。在相同沉降量时，随加筋深度的增加，承载比均有较为明显增大。对于任意加筋深度，随着沉降量/基础宽度比值从0.1 增加到0.6，承载比大体上表现为先减小后稳定的趋势，且加筋深度越大，减小的幅度也越大。在相同荷载条件下，随加筋深度的增加，沉降比均有较为明显减小。

b.加筋深度为2 cm 时，土压力均较小，且随深度递减，最大土压力值不及施加荷载的一半。加筋深度为4 cm 时，埋深5 cm 处土压力/荷载先增大后减小至约0.6，其他深度处的土压力/荷载较为接近，稳定在0.3 左右。加筋深度为6 cm 时，土压力沿深度明显衰减，5 cm 处土压力由于应力集中，其和荷载几乎相等，10、15、20 cm 处土压力/荷载分别稳定在约0.6、0.4、0.2。

c.当土压力计埋置深度达到2 倍基础宽度左右时，土压力/荷载比值基本不变，说明荷载主要影响范围约为基础宽度的2 倍。

d.对于5 cm 处的土压力，当加筋深度为2 cm时，其随荷载/最大荷载的增加而逐渐增大。当加筋深度为4、6 cm 时，其随荷载/最大荷载的增加先增大后有所减小，但均明显大于加筋深度为2 cm 时的土压力。对于10 cm 处的土压力，三者土压力均随荷载/最大荷载的增加而增大，且加筋深度越小，增长幅度越大。对于15、20 cm 处的土压力，三者的土压力/荷载值较为接近。