干湿循环下复合改良黄土剪切力学特性试验研究

冀 慧，张 涛，刘保健

(1.山西大学 电力与建筑学院，太原 030006；2.长安大学 公路学院，西安 710064； 3.天津辰达工程监理有限公司 山西分公司，太原 030024 )

1 研究背景

黄土颗粒松散，不易压实，且渗透性差，水稳性差，甚至表现出明显的湿陷性，因此，黄土不能直接用作路基填料。在道路交通建设工程中，为了充分利用当地资源，实现较好的经济效益及社会效益，常采用多种方式对黄土进行改良，提高其强度及水稳定性[1-4]。目前，运用较为广泛的是化学改良法，即在黄土中添加一定比例的水泥、石灰、粉煤灰，经过一系列化学反应，形成具有较高强度的胶凝物质，从而提高土体强度。近几年生态环保理念深入人心，固废改良土成为一个重要的研究方向。粉煤灰及秸秆灰中含有大量的可溶氧化物SiO2及Al2O3，可与石灰消化生成的Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙及水化铝酸钙，随着水化物的逐步硬化，会形成结构稳定的骨架结构，可有效提高土体强度，改良效果优于单一的石灰改良土[5-6]。但是，受季节气候变化影响，化学改良土在多次干湿循环后，土中的钙离子等逐渐流失，会导致强度降低，产生开裂变形。

物理改良是指改变土体粒径级配或加筋等方式加固土体。实践中常采用化学改良与物理改良相结合的复合改良方式来改善土体物理力学性质。纤维具有抗拉强度大、耐久性好等特点，可有效提高土体的抗拉强度及抗裂性能，对此，国内外学者进行了大量的试验研究。Festugato等[7]和Yang等[8]分别研究了不同纤维长度、掺量、养护时间、水泥含量等因素对纤维水泥复合改良土的抗压、抗拉及劈裂强度的影响规律，结果表明，纤维可有效提高土体的强度，减缓裂缝的发展。Mohammad等[9]利用纤维素纤维和聚丙烯纤维增强的土壤水泥混合物进行了耐久性、无侧限抗压强度、间接抗拉强度和间接抗拉循环荷载等试验，结果表明，最优掺量下，纤维可以有效抑制土样的拉伸或收缩裂缝，从而提高土体的承载力和性能。胡文乐等[10]基于正交试验研究了不同含水率、压实度、纤维掺量及围压下玄武岩纤维黄土剪切强度的变化规律，得出最优配比为纤维掺量0.4%。相关学者研究了聚丙烯纤维掺量及长度等对石灰土及二灰土无侧限抗压强度及抗剪强度的影响，结果表明，聚丙烯纤维可有效抑制裂缝贯通发育，提高土体抗压、抗剪强度，并根据试验结果进行了相关因素的回归分析[11-13]。

目前针对干湿循环条件下，纤维改良黄土力学性质的研究较少。对此，本文拟开展不同纤维长度、纤维掺量下，不同养护龄期的纤维-秸秆灰-石灰复合改良黄土在干湿循环条件下剪切特性的变化规律研究。

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

试验所用黄土取自太原市东山某工地，其物理指标如表1 所示，粒径级配曲线如图1 所示，土质松散，空隙发育，不易压实，为黄土状粉质黏土。

表1 土样的基本物理指标Table 1 Basic physical indexes of soil sample

图1 粒径级配曲线Fig.1 Particle size distribution curve

试验所用秸秆灰产自长治生物质发电厂，主要含有SiO2等活性物质，所用石灰中活性氧化钙及氧化镁掺量为74.09%，满足国家标准要求。秸秆灰、石灰主要成分如表2所示，玻璃纤维物理力学参数如表3所示。

表2 秸秆灰、石灰化学成分Table 2 Chemical compositions of straw ash and lime

表3 玻璃纤维的物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of glass fiber

2.2 试验方法

2.2.1 土样制作

试验时首先对配比为m秸秆灰∶m石灰∶m素土=20%∶8%∶100%的基材混合料进行击实试验，求得其最优含水率为16.7%，最大干密度为1.897 g/cm3。在秸秆灰、石灰、素土混合料中分别加入不同长度、不同掺量的玻璃纤维，按照含水率16.7%配置成复合改良土，湿闷24 h。将混合均匀的改良土装入模具，取压实度为0.95，制成直径为39.1 mm、高度为80 mm的标准圆柱试样。将试样脱模后放入标准养护箱在标准条件下进行规定龄期的养护。

2.2.2 试样干湿循环处理

土样的干湿循环包括吸水与失水2个过程。目前，国内外没有统一的干湿循环试验标准[14]。综合前人的研究方法，本文试验中将达到养护龄期的土样浸水，进行真空抽气饱和并浸水1 d，然后取出试样，置于烘箱中(温度40 ℃)，定期称重直至试样质量与浸水前一致，为一个完整的干湿循环。将完成干湿循环的土样密闭放置24 h后，进行剪切试验。

2.3 试验方案

为了研究纤维掺量、纤维长度、养护龄期及干湿循环次数对纤维-秸秆灰-石灰复合改良黄土剪切特性的影响，本次试验拟定采用m秸秆灰∶m石灰∶m素土=20%∶8%∶100%的混合料作为基材，按照表4的试验方案进行不固结不排水三轴试验研究。

表4 试验方案设计Table 4 Design of test schemes

3 试验结果及分析

3.1 改良土应力-应变曲线

图2为200 kPa围压下，玻璃纤维长度为9 mm，掺量分别为0、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%时改良土的应力-应变曲线。当纤维掺量为0时，复合改良黄土的应力-应变曲线呈软化型，存在峰值强度；纤维掺量为0.2%时，应力-应变曲线出现水平屈服段，土样延性增强；随着纤维掺量的继续增加，应力-应变曲线转变为应变硬化型，随着应变的增加，未出现明显的峰值强度。未加入纤维的土样的强度明显低于纤维改良土的强度，且随着纤维掺量的增大，15%应变所对应的偏应力(σ1-σ3)呈现先增大后减小的变化趋势，当纤维掺量为0.4%时，强度最大。

图2 纤维掺量对应力-应变关系的影响Fig.2 Influence of fiber content on stress-strain relationship

图3为纤维掺量为0及0.4%、纤维长度为9 mm的秸秆灰-石灰改良黄土在100 kPa围压和不同循环次数下的应力-应变曲线。从图3(a)可知，秸秆灰-石灰改良土的应力-应变曲线呈应变软化型，存在峰值强度，改良土的水稳定性差，随着循环次数的增大，峰值强度减小，且软化速率增大，当循环次数较大时，循环次数对强度的影响逐步减弱。根据图3(b)可知，当纤维掺量为0.4%、长度为9 mm时，纤维-秸秆灰-石灰改良黄土的水稳性表现良好，强度差异较小，应力-应变曲线均呈现应变硬化型，没有明显峰值应力，随着干湿循环次数的增加，15%应变所对应的偏应力逐渐减小，后逐步稳定。

图3 干湿循环次数对应力-应变关系的影响Fig.3 Influence of dry and wet cycles on stress-strain relationship

图4 养护龄期对应力-应变关系的影响Fig.4 Influence of curing age on stress-strain relationship

图4为围压为100 kPa，养护龄期分别为7、14、28、60 d，干湿循环次数分别为0及6时的改良土应力-应变曲线。当养护龄期为7 d时，复合改良土的应力-应变曲线呈明显软化，且强度较低，干湿循环下强度降低明显，水稳性差；养护龄期为14 d时，应力-应变曲线有明显屈服段，土样延性增强，干湿循环6次后，曲线表现为弱软化，且强度明显降低。当养护龄期达到28 d及60 d时，应力-应变曲线表现为应变硬化，没有明显的峰值强度，且养护龄期越长，水稳定性越好。养护龄期为60 d的强度较养护龄期28 d的强度增大，表明纤维-秸秆灰-石灰改良黄土强度的形成较为缓慢，后期强度增长较明显。

3.2 极限偏应力

根据三轴剪切试验结果，当有明显峰值强度时，取峰值强度为极限偏应力，当应力-应变曲线没有峰值点时，取应变为15%对应的应力差为极限偏应力。

3.2.1 纤维掺量的影响

图5为纤维长度9 mm，纤维掺量分别为0、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%及0.6%，围压为100 kPa时不同干湿循环次数下改良土的极限偏应力变化趋势。从图5可知，随着纤维掺量的增大，极限偏应力先增大后减小。当纤维掺量为0.4%时，改良土的极限偏应力最大，达到1 429.8 kPa。当纤维掺量较小时，极限偏应力随掺量增长速率较慢，无法形成纵横交错的网状结构，纤维对土体颗粒结构的空间联结作用较弱。当纤维掺量进一步增大时，纤维在土体内部纵横分布，与秸秆灰-石灰改良土中的颗粒结构团连接，增强了颗粒间的咬合作用，纤维具有较高的抗拉强度，可有效抑制裂缝的产生及发展，土体强度有明显增大。但是，随着纤维掺量继续增大，纤维在土体内部会发生结团，削弱了土颗粒之间的联结作用，此外，结团的纤维强度较弱，易在土体内部形成薄弱面，使土体更易破坏。当纤维掺量为0.4%时，改良土偏应力受干湿循环次数的影响最小，水稳定性较好。

图5 围压为100 kPa时不同干湿循环次数下纤维掺量对 极限偏应力的影响Fig.5 Influence of fiber content on ultimate deviatoric stress at different wet and dry cycles under 100 kPa confining pressure

3.2.2 纤维长度的影响

图6为围压为200 kPa时，纤维掺量为0.4%，在不同干湿循环次数下，纤维长度分别为3、6、9、12 mm时的极限偏应力变化规律。当纤维长度为9 mm时，改良土极限偏应力最大，达到1 769.3 kPa。当纤维长度较小时，纤维对土颗粒及内部活化反应产生的结构团的联结作用有限，难以形成有效的整体空间连接，因此强度相对较小。当纤维长度为12 mm时，较长的纤维极易打结成团，强度降低。相同掺量下改良土的水稳性受纤维长度影响，纤维长度3 mm时，不同干湿循环次数下强度差异明显。纤维长度为9 mm时，改良土的水稳定性最好。

图6 围压为200 kPa时不同循环次数下纤维长度对 极限偏应力的影响Fig. 6 Influence of fiber length on ultimate deviatoric stress at different wet and dry cycles under 200 kPa confining pressure

3.2.3 养护龄期的影响

图7为200 kPa围压下，纤维长度为9 mm，掺量为0.4%的复合改良黄土在不同干湿循环次数下极限偏应力随养护龄期变化趋势。随养护时间的增加，改良土的强度快速增长，养护龄期为28 d时，0次及6次干湿循环下极限偏应力分别增长到1 429.75 kPa及1 354.0 kPa，较7 d时的强度增长幅值分别为70%及140.25%。养护龄期为60 d时，对应强度分别继续增长17%及29.93%。养护龄期从28 d到60 d时，土样强度仍有增长，复合改良土的硬凝反应仍在发生，且不同干湿循环次数下的偏应力更为接近，这是由于随硬凝反应的发生，产物可包裹土颗粒、团粒结构，增强其水稳性。在实践运用中，可选用28 d强度进行分析研究，其余强度作为安全储备。

图7 200 kPa围压时不同循环次数下养护龄期对 极限偏应力的影响Fig.7 Influence of curing age on ultimate deviatoric stress at different wet and dry cycles under 200 kPa confining pressure

3.2.4 干湿循环次数的影响

图8为不同纤维掺量、纤维长度及养护龄期下，土体极限偏应力与干湿循环次数的柱状图。从图8(a)看出，复合改良土在8次干湿循环后，强度降低37%，加入纤维后，土体强度及水稳定性得到提高，且存在最优掺量，纤维掺量为0.4%时，强度最大，且8次干湿循环后强度仅降低6%，表明纤维可以有效改善水稳性。图8(b)反映了纤维长度及干湿循环次数对土体强度的影响。当纤维长度为3 mm时，经过8次干湿循环后，强度降低31.8%。随着纤维长度增加，降低比率得到改善，当纤维长度为9 mm时，强度最为稳定。图8(c)为不同养护龄期下土样在干湿循环下的强度变化。随着龄期的增加，土体的稳定性得到明显提高。7 d时，土体经过8次干湿循环后强度降低45.96%，水稳定性较差；当养护龄期为60 d时，相同干湿循环条件下，土体强度仅降低3.5%，稳定性明显改善。

图8 不同条件下干湿循环次数对极限偏应力的影响Fig.8 Influence of the number of drying-wetting cycles on ultimate deviatoric stress under different conditions

从图8可知，干湿循环条件下，土体强度在较小的循环次数下降低较快，后续逐步趋于稳定。一方面是由于黄土中含有可溶盐，浸水饱和后，其中部分可溶盐被溶解，土颗粒间的胶结作用减弱，整体强度降低；另一方面干湿循环过程中浸水饱和导致细颗粒随水流失、孔隙体积增大，水的渗透作用使孔隙增大、连通，形成微裂隙并逐渐发育。此外，黄土是团粒结构，浸水饱和会导致团粒分解，土颗粒粒径减小，孔隙体积也相应增大。随着循环次数的增加，土体中的裂隙逐步趋于稳定，内部颗粒结构排列重新平衡[15]，秸秆灰-石灰改良黄土中的水化硅酸盐、水化铝酸盐等不溶于水的胶凝物质组成了改良土的主要受力骨架，受干湿循环的影响减小。

3.3 强度指标

3.3.1 黏聚力

3.3.1.1 纤维掺量对黏聚力的影响

图9为不同干湿循环次数下，黏聚力随纤维掺量的变化。可知，黏聚力受纤维掺量的变化影响较大，与未掺纤维时相比，强度提高12.4%～34%。变化幅度与干湿循环次数有关，干湿循环次数越大时，土体黏聚力受纤维掺量的影响越大。纤维掺量为0.4%时，黏聚力最大，这与土体的极限偏应力的变化规律相同，可知纤维改良土抗剪强度的变化主要源于土体黏聚力的改变。土体在加载过程中，颗粒发生错动产生微小裂缝，随着加载不断进行，微小裂纹逐步发展成为较大的裂缝。纤维可增强颗粒间的咬合力，有效抵抗颗粒间的错动，抑制裂缝的出现及发展。但是纤维掺量太大时，纤维易缠绕结块，纤维集中处易成为应力薄弱面，不利于黏聚力的形成。

图9 纤维掺量对黏聚力的影响Fig.9 Influence of fiber content on cohesion

3.3.1.2 纤维长度对黏聚力的影响

图10为不同干湿循环次数下，黏聚力随纤维长度的变化规律。可知存在最优纤维长度，纤维较短时，约束作用较小，易发生纤维从土颗粒间拔出等情况，不能很好地约束颗粒的变形，而当纤维太长时，纤维易打结成团，削弱了对土体变形的约束作用。

图10 纤维长度对黏聚力的影响Fig.10 Influence of fiber length on cohesion

3.3.1.3 养护龄期对黏聚力的影响

图11为养护龄期为7、14、28、60 d时黏聚力的变化。可知黏聚力的形成与时间有关，经历0次干湿循环的土样，养护龄期从7 d到60 d时，强度从148.2 kPa增长到287.9 kPa，增长幅度为94.2%；养护前期强度增长较快，后期增长较慢，养护28 d时并未达到最大黏聚力。养护前期黏聚力主要来自水化硅酸钙及碳酸钙的快速形成，随着反应的进行，胶凝物质覆盖于颗粒表面，虽减慢了反应速率，但反应仍在进行，因此在养护后期黏聚力仍会缓慢增长。

图11 养护龄期对黏聚力的影响Fig.11 Influence of curing age on cohesion

3.3.1.4 干湿循环次数对黏聚力的影响

图12分别为不同纤维掺量、纤维长度及养护龄期下，土体黏聚力随干湿循环次数的变化。从图12可以看出土体黏聚力受干湿循环影响，黏聚力的减小集中在前期的干湿循环过程中，后期黏聚力趋于稳定，受循环次数影响减弱。图12反映出纤维掺量、纤维长度及养护龄期对土体黏聚力的水稳性均有明显影响，纤维存在最优配合比。当纤维掺量为0.4%、纤维长度为9 mm时，养护龄期越长，黏聚力越大且具有越好的水稳性。

图12 不同条件下干湿循环次数对黏聚力的影响Fig.12 Influence of wet and dry cycles on cohesion under different conditions

3.3.2 内摩擦角

3.3.2.1 纤维掺量、纤维长度及养护龄期的影响

图13为不同干湿循环次数下，复合改良土的内摩擦角随纤维掺量、纤维长度、养护龄期的变化。随着纤维掺量的增加，内摩擦角先增大，后逐步趋于稳定或略有降低，掺量为0.5%时，对应内摩擦角最大为39.4°。内摩擦角随纤维长度的增大呈现先增后降的趋势，纤维长度为9 mm时，内摩擦角最大为39°。加入适量的纤维时，土颗粒间受到纤维约束作用，咬合作用增强，内摩擦角较大。随着养护时间的增长，内摩擦角增大，增长速率逐步减小。养护时间越久，硬凝反应越完全，此时土体内部大部分为反应生成的不溶于水的胶凝物，能够更好地与纤维裹握连接，增强颗粒间的作用，内摩擦角增大且更为稳定，受干湿循环的影响越小。

图13 纤维掺量、纤维长度及养护龄期对内摩擦角的影响Fig.13 Influence of fiber content,fiber length and curing age on internal friction angle

图14 不同条件下循环次数对内摩擦角的影响Fig.14 Influence of the number of drying-wetting cycles on internal friction angle under different conditions

3.3.2.2 干湿循环次数的影响

如图14所示，土体在不同纤维掺量、纤维长度下，内摩擦角随循环次数的变化幅值较小，且变化规律基本相同。内摩擦角在前4次干湿循环下明显降低，后逐步趋于稳定。当纤维长度为9 mm、掺量为0.4%时，土体内摩擦角最大且水稳性较好。内摩擦角受颗粒形状、级配及孔隙比影响较大，随着前期干湿循环的进行，黄土内部可溶盐较少、细颗粒流失、原生团粒结构破坏，空隙增大、贯通，内部产生微裂缝，颗粒级配、形状改变，导致颗粒间的咬合作用减弱，内摩擦角减小，随着干湿循环持续进行，土体内部结构重新排列，水化胶凝物质构成土体基本骨架，该物质不溶于水，此时内摩擦角趋于稳定。

3.4 复合改良土强度机理分析

综上分析，纤维-秸秆灰-石灰复合改良黄土的抗剪强度随干湿循环产生的变化，从细观结构分析，如图15(a)所示，当纤维掺量为0 时，改良土细部结构主要包括黄土团粒结构、细颗粒以及水化产物，浸水饱和后，部分团粒结构遇水崩解，部分可溶盐溶解，在水的渗透作用下，细小的颗粒逐步流失，造成土体内部空隙的产生及发育，反复干湿循环作用下，极易在大颗粒结构周围产生细微裂缝，剪切作用下，土体易沿裂缝集中处破坏。当加入适量的纤维后，如图15(b)所示，纤维在土体中均匀分布，纵横交错成网状，在养护过程中，水化产物可沿纤维分布，有效地填充了颗粒空隙，此外，纤维可将大量水化胶凝团连接为一体，增强其整体性，在浸水作用时，纤维与胶凝物构成的整体结构可有效减少细颗粒的流失，避免大空隙的产生。在受力过程中，纤维的约束作用减小了土颗粒的错动，减缓了裂缝的产生与发展，抑制变形，提高强度。

图15 复合改良土细观结构原理示意图Fig. 15 Schematic diagram of microstructure of composite improved soil

4 结 论

本文通过不固结不排水三轴剪切试验，研究了不同纤维掺量、纤维长度、不同养护龄期下纤维复合改良黄土剪切性能的变化规律。研究发现：

(1)随着纤维掺量的增大，改良土的应力-应变曲线逐渐由应变软化型转变为应变硬化型。纤维掺量为0 时，经过干湿循环后，应力-应变曲线软化明显且强度显著降低。当纤维长度为9 mm、掺量为0.4%时，改良土的水稳定性明显增强，应力-应变曲线均表现为应变硬化型且干湿循环条件下强度变化小。随着养护时间的增长，改良黄土的应力-应变曲线转为应变硬化型，且水稳定性逐步增强。

(2)改良土的极限偏应力随着纤维掺量以及纤维长度的增大均表现为先增大后减小的变化趋势，当纤维长度为9 mm、掺量为0.4%时，强度最大。随着干湿循环的进行，前期土体强度衰减明显，后期逐步趋于稳定，纤维掺量、纤维长度对改良土的水稳定性有明显影响。养护龄期越长，改良土的强度越大，干湿循环条件下，力学性质更稳定。

(3)纤维长度、纤维掺量及养护龄期对改良土的黏聚力及内摩擦角均有影响。随着纤维长度、纤维掺量的增加，黏聚力先增大后减小，变化趋势与极限偏应力相似，内摩擦角表现为先增大后减小，变化幅值相对较小。干湿循环条件下，黏聚力前期快速减小后期趋于稳定，内摩擦角略微减小。养护龄期越久，黏聚力及内摩擦角越大，且水稳定性更强。