秸秆纤维加筋黄土三轴剪切特性试验

张 琬,丁九龙,李 波,陈泽一,薛一峰,赵 玮

(1.西安理工大学 土木建筑工程学院,西安 710048; 2.陕西省水利电力勘测设计研究院 水电工程分院, 西安 710001)

0 引 言

黄土是一种特殊土,具有多孔、疏松、密度低、遇水易湿陷等特点,在我国分布面积达到64万km2,在黄河中游地区分布最为广泛[1-2]。随着黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家战略,黄土地区在水土保持和基础设施建设领域面临着前所未有的机遇与挑战。在这个大背景下,黄土在水和荷载的作用下结构易破坏、强度易丧失是亟待解决的问题[3]。

纤维加筋是改善土体性能的一个有效手段。李广信等[4]开展聚丙烯和聚酯玻璃纤维加筋粘土的直剪、单轴拉伸等室内试验,发现纤维主要通过增加黏聚力来提高土体的抗剪强度。介玉新等[5]进一步将纤维用于边坡加固中,通过素土和纤维加筋土边坡的离心模型试验发现纤维加筋使得边坡破坏形式从突发性向渐进式转变。张丹等[6]采用玄武岩纤维改良膨胀土,通过收缩试验证明了玄武岩纤维可有效抑制膨胀土产生裂隙。魏丽等[7]通过无侧限抗压试验和劈裂试验对比合成纤维、矿物纤维和植物纤维加筋土在冻融作用下的强度和变形特性,发现聚丙烯纤维加筋土抗冻融性能最优。王瑞等[8]开展聚丙烯纤维加筋钙质砂的动三轴试验,提出纤维加筋可有效提高砂土的抗液化性能。

在肯定纤维对土体强度、抗冻融、抗液化等性能提升效果的基础上,众多学者还对最优加筋参数开展了研究。比如,李丽华等[9]对玻璃纤维加筋砂土开展直剪试验,提出最优纤维掺量为0.4%;吴燕开等[10]基于无侧限抗压试验结果提出剑麻纤维加筋土的最优纤维长度和掺量分别为5 mm和0.2%。此外,纤维加筋土的计算理论也取得了一定发展:宋金岩等[11]、孙舒等[12]认为纤维加筋土黏聚力的增量与纤维韧度、细度、掺量等参数有关,并提出了纤维加筋土强度指标的计算公式;张诚成等[13]提出了描述纤维加筋-土渐进性破坏特性的筋土界面本构模型,并通过单根纤维的拉拔试验验证该模型的合理性。

在纤维加筋黄土方面,郜晓等[14]、祝艳波等[15]、熊雨等[16]发现聚丙烯纤维和玻璃纤维可以显著提升加筋黄土的静动力强度;李沛达等[17]、许健等[18]通过承载比、三轴和扫描电镜等试验研究了玄武岩纤维加筋黄土的承载性能及其在干湿循环过程中的微细观结构演化机制;褚峰等[19]在纤维纱加筋黄土蠕变特性的基础上建立了其一维蠕变经验模型;张心语等[20]研究了油菜籽壳等植物纤维加筋黄土的抗拉性能;薛中飞等[21]开展直剪试验研究了秸秆加筋黄土的剪切性特性。除了以上纤维加筋黄土的基础力学特性研究以外,卢浩等[22]还将纤维加筋应用在黄土边坡坡面防护中,显著提高了坡面抗侵蚀能力。

麦秸秆是黄土地区的主要农作废弃物,也是黄土地区的生土建筑常见的加筋材料,既低碳环保,又可降低工程造价。但目前秸秆纤维加筋黄土的相关研究较为有限,尤其是其三轴剪切力学特性的研究未见报道。本文开展秸秆纤维加筋黄土的三轴剪切试验,研究纤维掺量、纤维长度和土体含水率对秸秆纤维加筋黄土强度和变形特性的影响,并求出各因素最优值。

1 三轴剪切试验

试验材料为黄土和麦秸秆纤维。黄土取自咸阳机场扩建项目工地,取样所在土层为Q3的马兰黄土,马兰黄土为上更新统风积而成,粒度组成以粉粒为主,原状土孔隙较大,垂直节理发育,遇水湿陷、强度降低。对所取原状样开展物理性质试验和击实试验,得到基本参数列于表1。麦秸秆纤维如图1所示,宽度为2 mm,长度在5～15 mm,为增加其耐久性,采用环氧树脂对其做防腐处理。

表1 黄土物理参数Table 1 Physical parameters of loess

图1 麦秸秆纤维Fig.1 Wheat straw fiber

三轴试验制样过程为:将黄土按照表2中设定的含水率配置静置一昼夜后,将黄土与麦秸秆纤维以一定的比例均匀拌和;采用千斤顶静力压实的方法制作三轴试验土样,土样规格为Φ39.1 mm×H80 mm的圆柱体,按照重塑土样98%的压实度设计工况,分5层压样控制,每层干密度为1.69 g/cm3,并对接触面进行刮毛处理;将制备完成的土样用锡纸包裹好放入保湿缸内,保证整个土样的含水率及密度不发生变化。

表2 三轴试验方案Table 2 Test plan of triaxial tests

对每组土样分别在100、200、300 kPa的围压下开展固结不排水三轴剪切试验,三轴试验机可实现无极变速。本次试验控制轴向应变剪切速率为0.06 mm/min,试验过程中土样照片见图2。剪切过程中,轴向应变每变化0.2 mm时记录数据,当土样的轴向应变>9%时,则在轴向应变每变化0.5 mm时记录数据。

图2 试验过程中的土样Fig.2 Soil sample during test

采用三轴试验研究纤维掺量、土体含水率和纤维长度这3种因素对秸秆纤维加筋土力学特性的影响,其中纤维掺量指纤维和干黄土的质量之比。纤维掺量取4种水平,土体含水率和纤维长度分别取3种水平,共开展8组试验,试验方案如表2所示。

2 三轴试验结果分析

2.1 纤维掺量影响

纤维掺量对加筋黄土剪切特性影响的试验在最佳含水率15.8%和纤维长度10 mm的工况下进行。图3为各围压下不同纤维掺量加筋黄土的偏应力-轴向应变曲线。由图3可见,3种围压下,加筋黄土和无筋黄土的偏应力-轴向应变曲线形态一致,表现为偏应力随轴向应变不断增加,但增加的速率持续降低,曲线上无明显峰值点,呈应变硬化型。各纤维掺量加筋黄土的最大偏应力均大于无筋黄土,可见秸秆纤维可有效增加黄土的抗剪强度。当纤维掺量≤0.3%时,加筋黄土的抗剪强度随着纤维掺量的增加而增大,但纤维掺量>0.3%,土体抗剪强度反而降低,0.3%为秸秆纤维的最佳掺量。

图3 不同纤维掺量土体偏应力-轴向应变曲线Fig.3 Deviatoric stress-axial strain curves of reinforced soil with different fiber content

表3给出了不同纤维掺量土样的黏聚力c和内摩擦角φ,因黄土处于非饱和状态,孔隙水压力较小,故本文所述抗剪强度指标为总应力下的强度指标。与无筋黄土相比,0.3%纤维掺量的加筋土黄土黏聚力增大了82.1%,内摩擦角提高了13.6%,可见纤维加筋主要通过增大黏聚力来提高黄土的强度。

表3 不同纤维掺量加筋黄土的c、φ值Table 3 Values of c and φ of reinforced loess with different fiber content

分析秸秆掺量对加筋黄土强度影响规律的原因为:①纤维掺量<0.3%的试样中纤维分布均匀,离散程度较高,纤维主要通过握裹和筋-土间摩擦作用约束土体变形;随着纤维掺量的增加,纤维与土体握裹和摩擦的作用增强,土体强度随之增大。②但当纤维掺量≥0.3%后,纤维与土之间较多的软弱结构面破坏了土样的整体性,土样受剪应力时易沿着软弱结构面破坏,如图4所示纤维掺量为0.4%的土样破坏后表面出现明显裂纹,因此土体强度反而降低;另外,纤维掺量>0.3%后,纤维在土体中的分布可能不均匀,土体中会出现纤维集中某一处的现象[23-24],也会降低土对纤维的握裹作用,造成土体强度降低。

图4 不同纤维掺量土样的破坏形态Fig.4 Failure modes of soil samples with different fiber content

2.2 纤维长度影响

纤维长度影响的试验在最佳纤维掺量0.3%和土体含水率15.8%的工况下进行。图5为各围压下不同纤维长度加筋黄土的偏应力-应变曲线。由图5可见,不同围压下,纤维长度由5 mm增加到15 mm的过程中,加筋黄土的峰值偏应力均先增大后减小,最佳纤维长度为10 mm,而纤维长度为15 mm的土体偏应力最小。另外,在200 kPa和300 kPa的围压下,纤维长度分别为5 mm和10 mm土体的强度在最大主应力施加初期已明显大于纤维长度为15 mm的土体的强度,但在围压100 kPa下3种纤维长度土体的强度在最大主应力施加初期相差不大。这是因为在低围压下,土体受力主要体现为水平受拉状态,3种长度的纤维均通过自身的抗拉强度和筋土摩擦作用抵御拉力,因而土体强度相差不大。

图5 不同纤维长度土体偏应力-轴向应变曲线Fig.5 Deviatoric stress-axial strain curves of reinforced soil with different fiber lengths

表4给出了不同纤维长度加筋黄土的c、φ值。同纤维掺量、含水率一样,纤维长度对秸秆纤维加筋黄土强度的影响也主要体现在黏聚力上。在纤维长度小于最佳值10 mm时,纤维长度的增加使得筋-土界面面积增大,从而导致土体对纤维的握裹作用增强,纤维与土体间摩擦力增大,因而土体黏聚力和内摩擦角增大。而当纤维长度超过最佳值,纤维分布不易均匀,甚至出现折叠,这会造成过多的软弱结构面,使筋-土间黏结和摩擦作用减弱,导致土体强度降低。图6显示纤维长度为15 mm的土样发生不均匀破坏,表现为环向出现数条明显的张裂破坏面,这是纤维过长导致土体中软弱结构面过多所造成的。纤维过长导致加筋土体强度降低的现象也存在于聚丙烯纤维加筋黄土或黏土中[24-25]。

表4 不同纤维长度加筋黄土的c、φ值Table 4 Values of c and φ of reinforced loess with different fiber lengths

图6 不同纤维长度土样的破坏形态Fig.6 Failure modes of soil samples with different fiber lengths

2.3 土体含水率影响

土体含水率影响的试验在最佳纤维掺量0.3%和纤维长度10 mm的工况下进行。图7为各围压下不同含水率加筋黄土的偏应力-应变曲线。由图7可见,相同围压下,含水率为15.8%的加筋黄土的峰值偏应力明显大于含水率为12.8%和18.8%的加筋黄土,而15.8%则是本试验中素黄土的最优含水率。这说明对秸秆纤维加筋黄土的抗剪强度而言,存在一个最佳含水率。

图7 不同含水率土体偏应力-应变曲线Fig.7 Deviatoric stress-axial strain curves of reinforced soil with different water content

表5为不同含水率加筋黄土的c、φ值。由表5可见,含水率对麦秸秆纤维加筋黄土强度的影响主要表现在黏聚力上,例如,含水率由12.8%增大至15.8%,土样的黏聚力增加了24.5%,而内摩擦角增大了13.6%。

表5 不同含水率加筋黄土的c、φ值Table 5 Values of c and φ of reinforced loess with different water content

图8为不同含水率的土样剪切破坏后的形态。由图8可见,在低于最佳含水率时(如12.8%),加筋土样的破坏形态表现为产生较大的贯通裂缝,并有表面土体的部分剥落,表现为脆性破坏;当含水率大于最佳含水率时(如18.8%),很少产生竖向的裂缝,为典型的土体压缩剪胀现象;在最佳含水率(如15.8%)情况下,试验剪切过程中麦秸秆-土体的加筋体的体变量最小,同时仅产生细小的表面裂纹,麦秸秆和土体结合最紧密。结合土样变形分析含水率对秸秆纤维加筋土强度的影响机理:当含水率过低时,土体较为干燥,麦秸秆与土体之间相结合较弱,二者之间不能协调变形,导致加筋-土样在变形过程中孔隙率增大,土体结构性完整被破坏,因而强度较低;随着土体含水率增大,筋-土之间接触更加紧密,筋-土间的相互摩擦作用增强,同时,水的吸附作用逐渐增加,提高了加筋复合体的黏聚力,因此加筋黄土的抗剪强度随含水率增加而增大;但当含水率超过最佳含水率时,随着含水率的进一步增大,筋-土表面的结合水膜增厚,筋-土间的润滑作用随之增强,导致筋-土间摩擦力降低,因此,加筋土体强度随着含水率增大而降低。

图8 不同含水率土样的剪切破坏形态Fig.8 Failure modes of soil samples with different water content

3 秸秆纤维加筋黄土微观作用机理

将部分破坏后的三轴土样削样制作成电镜扫描(Scanning Electron Microscopy,SEM)试验的试样,并对其开展SEM试验以分析秸秆纤维加筋黄土的微观作用机理。图9为不同参数加筋黄土的SEM图像。由图9(a)可见,在最佳参数下,土体对纤维的包裹最为紧密,加筋-土整体性最佳,裸露的秸秆纤维表面可观察到明显的土颗粒残留以及摩擦痕迹,这说明筋-土间存在较强的黏结力和摩擦力,使得纤维的抗拉性能充分发挥,故而该状态的加筋土体强度最高。由图9(b)、图9(c)可见,在最佳参数基础上增加纤维的掺量和长度,筋-土间出现明显空隙,纤维表面附着的土颗粒减少,这说明加筋土体整体性降低,筋-土间作用力减弱,因此相较于最佳参数,这2种参数的加筋土体抗剪强度下降。由图9(d)可见,在最佳参数基础上增加土体含水率,筋-土间出现了较大空隙,纤维表面较为光滑,几乎未见土颗粒附着及摩擦痕迹,这说明土体含水率过大使得筋-土间的润滑作用增强、摩擦力下降,因此该土样的抗剪强度相对最佳参数土样减小。

图9 不同参数加筋黄土的SEM图像Fig.9 SEM images of reinforced loess with different parameters

4 结 论

本文通过三轴剪切试验研究纤维掺量、土体含水率和纤维长度对麦秸秆纤维加筋黄土应力-应变特性、抗剪强度和变形的影响,并结合电镜扫描试验结果分析加筋机理,得到的主要结论如下:

(1)在黄土中掺入秸秆纤维主要通过增加黏聚力的方式显著提升黄土的抗剪强度,但不改变黄土的应力-应变曲线类型及特征,加筋和未加筋黄土的应力-应变曲线均呈应变硬化型。

(2)秸秆纤维加筋黄土的最佳纤维掺量和长度分别为0.3%和10 mm,最佳含水率为素黄土的最优含水率,该状态下筋-土间存在较强的黏结力和摩擦力,纤维的抗拉性能得以充分发挥。

(3)当纤维掺量和长度超过最佳值后,纤维与土之间较多的软弱结构面破坏了加筋土体的整体性,筋-土间的黏结和摩擦作用减弱,土体抗剪强度降低。

(4)当加筋黄土含水率超过素黄土的最优含水率后,筋-土表面的结合水膜增厚,筋-土间润滑作用增强、摩擦力减弱,导致加筋土体强度抗剪强度降低。