含水率和加筋條件對棕櫚加筋土的影響

（上海理工大學 環境與建筑學院，上海 200093）

我國上海、廣州、深圳等地都分布著較為典型的天然軟土地基。嚴學新等[1]研究了上海市工程地質結構特征，其主要有含水率高、孔隙比大、壓縮性高、強度低等特點，這不僅影響工程建設的投資，還直接影響建筑物的使用性能和工程質量。因此，實際工程中特別需要對黏土進行固化處理，以滿足基礎工程要求。

Ghavami等[2]認為在土中摻加一定數量的天然纖維可提高復合土體強度；魏紅衛等[3]研究了影響加筋土強度的因素；Adili等[4]通過在土體中隨機加入紙莎草纖維，研究出紙莎草纖維是一種合適的土體加固材料；楊繼位等[5]通過對麥秸稈加筋濱海鹽漬土進行抗壓試驗及正交試驗得出加筋率（纖維含量）對土體強度的影響；Prabakar等[6]研究得出劍麻纖維可對土體強度產生影響；李敏等[7]通過無側限抗壓強度試驗分析了不同尺寸的麥秸稈對土體抗壓強度增長的影響；杜鵬[8]通過對稻草加筋土進行無側限抗壓強度試驗分析了筋材形狀對土體抗壓強度的影響；閆寧霞等[9]研究出在固化土中適當加入聚丙烯纖維可提高固化土的抗壓強度；丁萬壽等[10]研究了含水率對膨脹土的影響；胡展飛等[11]研究了含水率對軟黏土抗剪強度的影響；倪九派等[12]研究了干密度和含水率對巖溶地區黃壤抗剪強度的影響。由此可見，通過加筋可加強筋土的摩擦作用和空間約束作用，改善土的工程性質。這種將天然纖維材料運用于軟土加固的方法是對我國生態文明建設的有益探索。

我國的棕櫚產量高，是較易獲得的環境友好型天然纖維。李曉龍[13]、劉曉霞等[14]研究了纖維的基本性質，認為棕櫚纖維具有牢固、耐磨、耐鹽、透氣、質輕、富有彈性、耐腐蝕等特性，其拉伸強度、彈性模量和自然伸長率范圍分別為87～166 MPa、800～1 900 MPa 和 5%～21%，屬于中強高伸纖維；璩繼立等[15]研究出麥秸稈和棕櫚可提高黏性土抗壓強度；李陳材等[16]發現一定的含水率是麥秸稈發揮加筋性能的必要條件；璩繼立等[17-20]探究出增加黏土抗拉和抗壓強度的棕櫚纖維最優長寬比為1∶3，并通過直剪試驗，分別探討了棕櫚纖維加筋土和在棕櫚纖維加筋土中復摻納米SiO2對土體抗剪強度、黏聚力、內摩擦角的影響。本文通過無側限抗壓試驗，用棕櫚作為加筋材料，進一步研究了土體含水率和筋材長度對棕櫚加筋黏性土無側限抗壓強度和變形的影響，并重點分析了復合土體的剛度變化、能量吸收能力及其破壞模式。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究用土取自上海市郊某大型項目施工現場，距地表以下1.5 m。將收集的土烘干，粉碎并通過2 mm篩進行篩分。根據公路土工試驗規程（2007）進行試驗，并將試驗結果（土樣的物理性能）總結于表1中，按照土的分類標準GBJ 145—90，土類屬CL（低液限黏土）。市售的棕櫚用作加筋材料，本研究中使用的棕櫚纖維零吸濕值，其物理性能見表2。

表1 土的物理性能指標Tab.1 Physical properties of soil

表2 棕櫚物理性能指標Tab.2 Palm physical performance indicators

1.2 樣品制備和試驗方法

首先將特定重量的干土和所需的棕櫚纖維混合，再加入相應比率的水混合，攪拌均勻，接著將土壤混合物裝入聚乙烯袋中，并在養護缸中保養24 h以確保水分平衡。然后，將土壤混合物在具有可拆卸的直徑為39.1 mm、高為80 mm的三瓣模中壓實，取樣。由于隨著加筋率的增加，纖維會黏合在一起并結成團，導致土和纖維混合均勻困難，而纖維選取過長則會出現纖維在模具中彎折的情況，因此，加筋率最大選為0.75%，纖維長度最長選為30 mm。在文獻[17]中，將含水率范圍選為15%～25%，但在本次試驗前期測試準備階段發現：含水率低于17%時，加筋的試樣由于含水率太低出現未壓先壞的情況；含水率高于25%時，土樣在模具中擊實時容易坍塌，且滲水情況較為嚴重。故本次試驗中將含水率w選為17.72%，19.72%，21.72%和23.72%。因此，試驗土樣在最大干密度和最優含水率上下的狀態下選擇3種不同的纖維長度（L=10，20，30 mm）和4種不同的加筋率（fc=0，0.25%，0.50%和0.75%）來制備。為防止試驗誤差較大，每組做3個平行試驗取平均值，每組試驗系列組合見表3。

表3 無側限抗壓強度試驗的各系列組合Tab.3 Series combinations of unconfined compression tests

1.3 試驗儀器

為排除外界因素的影響，試驗均采用南京土壤儀器廠生產的PY-3型應變控制式無側限壓縮儀測試抗壓強度，儀器主要指標：位移測量范圍為0～30 mm；測力計量范圍為 0～600 N；升降速率為 2.3～2.7 mm/min；外形尺寸為 235 mm×150 mm×476 mm.

2 結果與討論

2.1 強度特征

2.1.1 加筋率和纖維長度的影響

圖1給出了在最優含水率（21.72%）和最大干密度（1.65 g/cm3）的壓實狀態下，長度為 20 mm 的棕櫚纖維和不同加筋率組合土樣（第1組）的應力-應變結果。從圖中可以看出，未加筋土的應力突然下降，這表示素土的脆性。隨著棕櫚的加入，未加筋土的脆性逐漸轉變為加筋土的塑性。這是由于隨著土樣上壓應力的增加，棕櫚被拉伸導致土壤和棕櫚接觸面的相互作用，以及土顆粒與棕櫚纖維之間的黏結力和接觸面的摩擦力增強，從而使土的抗壓強度增加。因此，加筋土強度的增加可歸因于與土顆粒相互交織的棕櫚纖維。從圖1還可觀察到，加筋土的抗壓強度隨著加筋率的增加而增加，加筋率為0.50%時達到最大值，在加筋率為0.75%時強度下降。這可能是因為，當加筋率達到一定值后加入的棕櫚纖維已不能較為均勻地分布在土樣中，導致土樣中部分土顆粒沒有與之形成有效黏結。同時，過高的加筋率或纖維過長會增大土的孔隙率，使得土和筋材之間的摩擦力減小。因此，加入的纖維可能不會完全起作用，從而導致加筋率為0.75%時土樣抗壓強度下降。

圖2給出了（第1組）在最優含水率和最大干密度壓實狀態下，加筋率為0.50%時，不同纖維長度對加筋土的應力-應變影響。可以觀察到，隨著纖維長度的增加，抗壓強度明顯增加。然而，纖維長度為20 mm的土樣抗壓強度大于纖維長度為30 mm的土樣，這說明對于加筋土來說加入的纖維具有最佳纖維長度。在樣品制備過程中注意到當加入30 mm的棕櫚時，在直徑為39.1 mm的三瓣模中土樣表面存在很多折疊彎曲和裸露在外面的棕櫚纖維，所以加入的30 mm棕櫚可能沒有被充分利用。

圖1 加筋率對土樣應力-應變的影響Fig.1 Influence of reinforcement ratio on stress-strain of soil samples

圖2 棕櫚纖維長度對土樣應力-應變的影響Fig.2 Influence of palm fiber length on stress-strain of soil samples

從圖3可以看出：a.不同棕櫚長度與不同加筋率的加筋土呈現相同的趨勢，在纖維長度相同時，土樣的無側限抗壓強度隨加筋率增加而增加，在加筋率為0.50%時具有最大強度；b.在具有相同的加筋率時，加入20 mm纖維的土樣具有最大的抗壓強度，而10 mm的纖維比30 mm的纖維具有更好的增強效果。未加筋土的土樣抗壓強度為78 kPa，加筋率為0.50%時，對于纖維長度10，20，30 mm的加筋試樣，抗壓強度分別為134.40，148.03，115.20 kPa。

圖3 加筋率和纖維長度對土樣抗壓強度的影響Fig.3 Influence of reinforcement ratio and fiber length on the compressive strength of soil samples

2.1.2 含水率的影響

圖4給出了在最大干密度（1.65 g/cm3）和長度為20 mm，加筋率為0.50%時，在不同的含水率狀態下壓實的土樣（第2組）應力-應變結果。為了比較，圖4中包含了最優含水率（21.72%）時的應力-應變曲線。從圖4可以看出，在最優含水率狀態下，土樣的抗壓強度最大，在最佳含水率附近隨著水分含量的增加或減小，加筋土的抗壓強度都在降低。這可能是因為含水率在最優含水率以上時，初期土顆粒之間相互作用較低，需要更高的變形才能完全黏結并和纖維之間形成更有效的摩擦。在最優含水率以下的情況，由于水分含量少，土顆粒之間不能達到很好的黏結而使土體強度不高。

圖4 不同含水率下土樣的應力-應變關系Fig.4 Stress-strain relationship of soil samples under different water contents

圖5給出了纖維長度為20 mm時加筋土隨含水率的增加抗壓強度的變化。結果表明，不同加筋率的加筋土樣具有相同的趨勢。隨著含水率的增加，土樣抗壓強度先增加后降低，在最優含水率時達到最大值。

圖5 含水率和加筋率對土體抗壓強度的影響Fig.5 Influence of water content and reinforcement ratio on the compressive strength of soil samples

2.2 變形特性

為了研究加筋土的變形特征，從第2組應力-應變圖的軸向破壞應變研究了非加筋土和加筋土的變形。纖維長度相同時加筋土的軸向破壞應變隨著加筋率的增加而增加（圖1），加筋率相同時加筋土的軸向破壞應變隨纖維長度的增加而增加（圖2），加筋率和長度相同時隨土樣含水率的增加而增加（圖4），這些都表明棕櫚纖維使土樣具有塑性。從圖1中可以看出，在第1組的所有土樣中，加筋率為0.50%，長為20 mm的棕櫚纖維使土樣具有最大的抗壓強度（148.03 kPa）和相應的破壞軸向應變（4%）。然而，對于加筋率為0.50%，長為30 mm棕櫚加固的土樣（第1組中）最大抗壓強度和軸向破壞應變分別為115.20 kPa和4%。這可能是因為較長的棕櫚與土壤之間沒有較好的相互作用，使土體在較大的軸向應變下發生破壞。對于未加筋土，相應的值為78 kPa和2.5%。

在三軸試驗中，如果樣品受到遠遠超過峰值應力的荷載，則可以獲得穩態應力。在無側限抗壓強度試驗中，因為試樣不能承受超過峰值應力的任何軸向荷載，所以難以獲得穩態應力。因此，對于無側限抗壓強度試驗，本文用延展性來研究加筋土樣的性能。延展性是加筋土在破壞前變形能力的量度。延性比（DR）計算公式為。式中： Δγ是加筋土樣的軸向破壞應變； Δμ是未加筋土樣的軸向破壞應變。第1組和第2組測試所有土樣的延性比如圖6和圖7所示。圖6顯示了第1組中不同加筋率和加筋長度下土樣延性比的變化，隨著加筋率的增加，延性比連續增加，并且在3組加筋長度不同的土樣中觀察到相同的趨勢，在棕櫚長為30 mm時獲得最大的延性比。在加筋率分別為0.25%，0.50%和0.75%時，相應的最大延性比分別為1.6，1.8和2。從圖7可以看出，隨著含水率的增加，土樣的延性比降低。在含水率相同的條件下，隨著加筋率的增加，延性比增加，這說明含水率會降低土樣的延性，加筋率會提高土樣的延性。

圖6 棕櫚纖維長度和加筋率的延性比較Fig.6 Comparison of the ductility with different palm fiber lengths and reinforcement ratios

圖7 含水率對加筋土延性比的影響Fig.7 Effect of water content on the extension ratio of reinforced soil

2.3 正割模量

由于在現場應用中，實際施加的載荷水平應保持低于峰值抗壓強度，從而不會達到土體破壞軸向應變。因此，可以用割線模量（即峰值強度與破壞軸向應變的比值）來衡量加筋土的剛度，本文將未加筋和加筋土樣的剛度即正割模量進行了比較。圖8描述了第1組中加筋土的割線模量與加筋率和纖維長度的關系。從圖8可以看出，隨著加筋率的增加，土樣的正割模量呈現降低趨勢，表明剛度下降，并且加筋長度不同的3組土樣有相同的趨勢。如圖8所示，當加筋率相同時，棕櫚纖維長為20 mm時土樣的割線模量最大，其次是含有長為30 mm，長為10 mm棕櫚纖維的土樣，對于10 mm的棕櫚，在加筋率分別為0.25%，0.50%和0.75%時，相應的正割模量分別為2.90，2.95，2.80 MPa，未加筋土樣的正割模量為 3.15 MPa。

圖8 棕櫚纖維長度和加筋率與對土體剛度的影響Fig.8 Influence of palm fiber length and reinforcement ratio on soil stiffness

圖9描述了長為20 mm的棕櫚纖維在不同加筋率條件下（第2組）土樣剛度隨含水率的變化。隨著含水率的增加，正割模量先增加后減少，割線模量的最大值在最優含水率（21.72%）處，表明土樣在最優含水率時具有最大的剛度。圖中可以看出4組不同加筋率的試樣有相同的趨勢。加筋率為0.50%時，4組不同的含水率（17.72%，19.72%，21.72%和23.72%）土樣的正割模量分別為6.8，7.2，7.4，6.2 MPa。

圖9 不同加筋率條件下含水率對土樣剛度的影響Fig.9 Influence of water content on soil sample stiffness under different reinforcement ratio conditions

2.4 能量吸收能力

為了驗證棕櫚纖維增加了素土的無側限抗壓強度或破壞應變，本文通過計算應力-應變曲線到失效軸向應變的面積來表示未加筋和加筋土樣的能量吸收能力。能量吸收能力的增加表示土樣無側限抗壓強度或破壞應變的增加。表4列出了不同加筋率和棕櫚纖維長度下（第1組）土樣的能量吸收能力（EAC）。可以看出，加筋土樣的能量吸收能力隨加筋率和棕櫚纖維長度的提高而提高。這表明，在土樣破壞之前，土樣中隨機分布的纖維使能量能持續吸收。加筋率為0.50%時，纖維長度為30 mm的加筋土樣，無側限抗壓強度為115.2 kPa，能量吸收能力為 360.90 kJ/m3。然而，纖維長度為20 mm的加筋土樣（第1組），無側限抗壓強度為148.03 kPa（表4），能量吸收能力為349.93 kJ/m3。表5中，土樣加入長為 20 mm的棕櫚纖維，當加筋率為0.50%時，隨含水率的增加，土樣的能量吸收能力也在增加。因此，土樣的能量吸收能力隨加筋率和纖維長度的提高而提高，隨含水率的增加而增加（表5）。

表4 不同纖維長度下土樣的能量吸收能力Tab.4 Energy absorption capacity of soil samples with different fiber lengths

表5 不同含水率下土樣的能量吸收能力Tab.5 Energy absorption capacity of soil samples with different water contents

2.5 破壞形態

2.5.1 加筋率和纖維長度的影響

圖10 不同加筋率條件下的破壞模式Fig.10 Failure modes under different reinforcement ratios

試驗期間和試驗之后觀察到2組土樣有不同的破壞形態。圖10顯示了棕櫚纖維長為20 mm時，不同加筋率條件下土樣的典型破壞形態。對于未加筋土樣，在加載過程中形成單個主要傾斜破壞面（圖10（a）），表明其為脆性破壞。相比之下，加筋率為0.25%，0.50%和0.75%時的加筋土樣破壞時呈現多個剪切破壞面（圖10（b），（c），（d））。這可能是由于纖維的橋接效應限制了剪切面或裂縫的發展，導致加筋內的應力再分配，從而出現多個破壞面。從圖1的應力-應變曲線可以看出土樣在越來越大的軸向應變處發生破壞。圖11顯示（第1組）與未加筋土樣破壞時的單個主要剪切破壞面（圖11（a））不同，長度為 10 mm 的加筋土樣的破壞包括多個剪切破壞面，而沒有明顯的主要破壞面（圖11（b），（c），（d））。具有不同加筋率和纖維長度（第1組）的其他加筋土樣，也具有類似的破壞形態。

圖11 不同纖維長度條件下的破壞模式Fig.11 Failure modes under different fiber lengths

2.5.2 含水率的影響

圖12顯示了加筋率為0.50%，纖維長度為20 mm（第2組）的土樣，其含水率對破壞形態的影響。在小于等于最優含水率（17.72%，19.72%和21.72%）的條件下，破壞的土樣表面有部分剝落，存在多個裂紋（圖12（a），（b）和（c））。這是因為在含水率較低的情況下，土壤黏聚力較小，容易受到擾動。當含水率增加到較高含水率（23.72%）時，加筋土樣不會發生剝落（圖12（d）），土樣破壞時有較大變形。這可能是因為含水率較高時，剛開始土顆粒需要經過較大變形才能形成更加充分有效的黏結。

圖12 不同含水率條件下的破壞模式Fig.12 Failure modes under different water content conditions

3 結 論

將加筋土與未加筋土的無側限抗壓強度試驗結果進行比較，得出以下結論：

a.在相同壓實狀態（含水率和干密度）下，土樣無側限抗壓強度隨棕櫚纖維的長度或含量的增加而增加。當棕櫚纖維長為20 mm，加筋率為0.50%時，土樣無側限抗壓強度達到最大；土樣抗壓強度隨含水率的增加而增加，超過最優含水率后土樣抗壓強度又降低。

b.加筋土的軸向破壞應變隨著棕櫚加筋率、纖維長度以及土的含水率的增加而增加。

c.在相同壓實狀態（含水率和干密度）下，土樣的割線模量（剛度）隨著加筋率的增加而降低；當加筋率、纖維長度相同時，加筋土樣的正割模量隨著含水率的增加，在最優含水率處達到最大，而后又逐漸減小，表明加筋土的剛度在不斷變化。

d.加筋土的能量吸收能力隨加筋率、纖維長度、含水率的增加而增加。

e.對于未加筋土，其破壞形態是單個剪切破壞面，加筋土的破壞形態有多個剪切破壞面。在小于最優含水率時，加筋土樣的破壞形態表現為表面出現多個裂縫，并伴隨部分剝落；在大于最優含水率時，表面裂紋消失，并發生相對較大的變形。

值得提出的是，以上結論都是在室內試驗條件下得到的，在實際工程中工況多不是理想條件，本試驗可以作為一種參考，通過場地的尺寸和深度、土體密度、天然含水率等物理參數，盡量選取合適的加筋率。