水泥改性加筋土的筋-土界面剪切特性試驗研究

汪雄進

(江西建設職業技術學院，南昌 330200)

0 引 言

近年來，土工織物材料在襯砌、地基與邊坡等工程中得到了廣泛應用[1]。土工織物因其輕質、抗拉、施工方便、工程改良效果顯著等優點得到了相關專業學者的重點關注[2-3]。隨著公路、水利等邊坡工程的快速建設，邊坡的工程地質條件愈發復雜。對于一些工程性質不良的土體，采用水泥改性的方法可以改善土體的強度、耐久性、密實度等工程特性[4]。因此，綜合采用土工織物和水泥改性的方法，在地基和邊坡工程中的運用已經越來越常見[5-6]。

基于加筋水泥改性土在工程中推廣使用的現狀，綜合考慮水泥土與土工織物界面力學性質的研究已經成為一個熱點[7]。土體大型直接剪切試驗機是一種研究土工織物性能的常見儀器。目前，已有很多學者對水泥加筋土的筋-土界面的力學性能開展大量試驗研究，Goodarzi等[8]對地基的水泥土與土工織物間的剪切曲服特性開展研究，分析了筋-土相互作用的界面效應；Abdelkader等[9]通過大型直剪試驗對加筋水泥土強度受土工織物類別的影響開展研究，提出壓實度是界面強度特征最主要的影響因素之一；劉飛禹等[10]指出影響土工織物與水泥改性砂土的界面強度受多重因素的影響，包括砂土顆粒級配特征、土工織物強度與砂土強度特征等；符昂[11]對土工織物-水泥土的界面開展剪切試驗，研究了界面強度受土體類別的影響規律；王俊林等[12]通過直剪試驗對土工織物與路基填料試樣進行了拉拔試驗，結果表明界面強度的影響因素與土工織物的工程參數有關；鄧林飛等[13]研究了纖維加筋水泥土界面三軸剪切試驗結果，重點分析了聚丙乙烯纖維的含量及法向壓力對界面強度的影響。前人的研究說明土工織物與水泥土界面強度的影響因素是多重的，如何從機理上認識界面強度的特點是一個值得重點關注的課題[14-16]。目前，對于水泥土-土工織物界面剪切強度受水泥土自身物理性質影響的研究還不透徹，考慮水泥摻量對筋-土界面的強度特性的影響研究還比較少見。

本文在通過開展土工織物-水泥土試樣的室內大型直接剪切試驗，對比不同水泥摻量對筋-土界面強度指標的影響規律，并結合SEM掃描的微觀形態解釋土工織物的作用機理，旨在通過剪切試驗研究邊坡滑坡段的筋-土界面力學行為，為不良土體的邊坡加固工程設計提供借鑒與參考。

1 實 驗

1.1 設備和方法

本研究采用TSY-1型土工合成材料大型剪切試驗機，儀器如圖1(a)所示。儀器部件主要包括垂直向液壓加載裝置、水平向油壓數顯加載裝置、水平向位移和垂直向位移應變儀、承載板以及尺寸為55 cm×55 cm×20 cm的矩形剪力盒。儀器中的剪切盒分為上、下盒兩個部分，上盒的位置在材料變形過程中保持不變，下盒在水平荷載作用下發生水平位移，下盒的最大允許位移可達10 cm。試驗過程中的剪切應力和剪切位移由電子控制系統實時采集記錄。試驗采用的水平剪切速率為0.5 mm/min。

試驗開始前，將土工織物粘貼在一塊尺寸為55 cm×55 cm的玻璃板上。試驗中材料的受力示意圖如圖1(b)所示，上部放置平板并施加不同數值大小的法向壓力σv并靜置24 h；然后將土工布安裝于下盒頂部，并在上盒填裝水泥土；最后對試樣施加水平向的剪切應力τ。試驗中的法向壓力σv主要通過鋼板向下傳遞，水平向剪切應力τ要通過液壓裝置施加，作用點在直剪試樣1/2高度處。剪切過程中，寬度為Δx的土工布受剪切應力作用發生水平向的位移Δw，試樣的應變ε=Δw/Δx。

圖1 試驗設備及原理圖Fig.1 Test equipment and principle

1.2 試驗用土工織物

試驗采用的土工織物為南京市上城非織造材料有限責任公司生產的黃色丙綸無紡土工布。土工織物為矩形，沿剪切位移方向的長度為600 mm，寬度為200 mm，試驗過程中保證水平剪切位移處于100 mm以內，采用的土工織物物理力學性能參數見表1。

表1 土工織物基本參數指標Table 1 Basic parameter index of geotextile

1.3 水泥改性土

試驗土體的取樣地點位于某地一處邊坡滑坡段，試驗區地層上覆第四系砂土，在滑坡段開展取樣，得到該地區砂土運送至實驗室。該地的砂土屬于級配不良土體，為了改善該滑坡處砂土的力學特性,采用普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)對砂土進行改性，本文采用0%、2%、4%、6%和8%五種水泥摻量進行水泥改性土配置試驗。將試驗用的硅酸鹽水泥、砂土和水按一定比例，在實驗室的常溫常濕條件下充分攪拌均勻，本試驗的設計水固體比為0.15。試樣配制前將砂土進行篩分，然后將礫石(粒徑>0.75 mm)，砂粒(粒徑>0.75 mm)和粉、黏粒(粒徑≤0.75 mm)三種粒徑的顆粒按照5∶8∶7的質量比進行配合。然后根據表2所示的配合比進行備料。采用砂漿泥漿攪拌機進行攪拌，在試驗中充分攪拌物料使水泥土盡量在不損失強度前提下保留一定流動性。最后，將拌合好的試樣在相對濕度為95%,溫度為25 ℃的條件下進行養護，養護時間持續24 h。

表2 1 kg水泥土的基本配合比Table 2 Basic proportion of 1 kg cement soil

不同水泥摻量的水泥改性土基本物理特性由實驗室的土工試驗得到，試驗結果如表3所示。從表中可以看出，隨水泥摻量增加，水泥改性土試樣的單軸抗壓強度明顯增加，密度和比重也有增加趨勢，而孔隙比、滲透系數等有減小的趨勢，說明水泥摻量是水泥改性土的重要參數之一。

表3 水泥土基本物理力學性質指標Table 3 Basic physical and mechanical properties of cement soil

2 結果與討論

2.1 應力應變曲線

大型直接剪切試驗是工程中確定巖土材料剪切強度參數的有效手段。在試驗中施加不同數值的法向應力以得到土工織物-水泥土界面相應的應力-應變曲線，由此計算試樣的抗剪強度參數。本實驗考慮了不同水泥摻量s對土工織物-砂土界面抗剪強度的影響。由不同法向應力作用下的5種水泥摻量(s=0%～8%)的土工織物-水泥土試樣的應力-應變曲線，如圖2(a)～(e)所示。從圖2可以看出法向應力σv為0 kPa的應力-應變曲線沒有明顯的峰值應力點，并且強度明顯較小。存在法向應力σv作用的應力-應變曲線為應變弱化形曲線，剪切應力隨應變增長先升高再下降，最后保持穩定，有明顯的峰值應力點。應變軟化形的應力-應變曲線經歷了以下三個階段。

(1)初始線彈性階段：應力-應變曲線呈直線上升。試樣在剪切作用下土工織物-水泥土界面在擠壓約束作用下產生壓密效應，在剪應力作用下砂土結構進行調整，而抵抗剪切作用。

(2)彈塑性剪切階段：應力-應變曲線呈屈服狀態。在剪切力進一步作用下，經過擠壓的土顆粒與土工織物的接觸面發生相互作用，剪應力主要以接觸面附近顆粒的摩擦作用和粗糙凸起顆粒之間的嚙合作用主導。此時，剪應力隨著剪切過程繼續增加，但增長速率逐漸減小。

(3)軟化階段：應力繼續發展，達到峰值后，剪切作用下土工織物-水泥土的接觸面沿剪切方向出現滑移摩擦，應力隨應變發展而逐漸下降，材料進入殘余變形階段。

圖2 土工織物-水泥土界面應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of geotextile-cement soil interface

2.2 抗剪強度指標

黏聚力和摩擦角是筋-土抗剪強度的重要指標，也是進行土工材料設計的基本參數[17]。用直剪試驗得到不同法向壓力下的峰值剪應力值，利用摩爾-庫倫準則可以獲得抗剪強度指標τf，本文獲得的土工織物-水泥土界面的峰值應力與固結壓力的關系曲線，即應力包絡線如圖3所示。從圖3可以看出，隨著固結圍壓的增加，筋-土界面的抗剪強度也明顯上升，且不同水泥摻量試樣的強度值與固結圍壓值保持相關性較好的線性關系。根據摩爾-庫倫準則，可以由應力包絡線求出筋-土界面的黏聚力c與摩擦角φ。對比不同水泥摻量下應力-應變曲線的異同，可以發現雖然土工織物-水泥土界面的應力-應變關系曲線的變化形式相似，但隨水泥摻量增加，相同應變條件下的界面應力值明顯有所提升。這主要是因為隨著水泥摻量的增加，砂土內部的水泥水化物含量增加，顆粒相互之間的粘結強度提高，使得剪切力作用在土工織物-水泥土界面時，水泥土可以發揮更大的承載剪切力作用的能力。

圖3 土工織物-水泥土界面強度包絡線Fig.3 Strength envelope curves of geotextile-cement soil interface

圖4 黏聚力和摩擦角與水泥摻量的關系Fig.4 Relationship between cohesion, friction angle andcement content

如表4和圖4所示，可以看出不同水泥摻量試樣的界面摩擦角φ和界面黏聚力c總體上均與水泥摻量保持線性上升的關系，且摩擦角和黏聚力的變化幅度均較大。說明了水泥摻量的大小直接影響土工織物-水泥土直間的粘結和接觸關系[18]。水泥摻量的升高對水泥土顆粒與土工織物間的摩擦力影響比較有限，進而使土工織物-水泥土界面摩擦角增長幅度較小。筋-土界面黏聚力主要取決于水泥土顆粒之間的粘結關系與土工織物的抗拉強度，水泥水化物可以作為砂土顆粒的膠凝材料，界面黏聚力受水泥摻量的影響相對較大。

表4 土工織物-水泥土界面的強度試驗結果Table 4 Strength test results of geotextile-cement soli interface

2.3 剪切破壞形式

對剪切試驗的土工織物破壞前后的形態進行拍照記錄，如圖5所示。從圖中可以看出試驗前的土工布形態完好，纖維排列緊密，而經過水平剪切應力作用后，土工布發生拉張破壞，土工布中間部位的纖維出現斷裂，形成明顯的破口，且破口的形狀近似于圓形。與此同時，采用掃描電子顯微鏡技術(SEM)對土工織物在破壞前后的微觀形態進行了探究。結果如圖6所示，從放大2 000倍的SEM照片可以看出經過剪切破壞后，原本排列整齊、致密的織物纖維變得雜亂無序，并且纖維之間的間距明顯擴大，材料內部結構比較疏松。土工織物破壞形式與微觀形態表明了在直剪試驗過程中，土工織物在水平剪切應力作用下，其內部存在拉應力，在土工織物-水泥土界面起到阻止或減少材料發生水平位移的作用[19-20]。

由試驗結果表明：水泥摻量和土工織物的性質共同決定了水泥土與土工織物界面的工程力學特性，對土體的抗剪切強度均有重要影響。在砂土中摻入一定含量的水泥可以有效改善工程性能不良土體的粘結性能，從而顯著提高筋-土界面的黏聚力[21]，而在土質邊坡內部鋪設土工織物起到減弱巖土體滑動趨勢的作用，對筋-土界面的抗拉抗裂性能有明顯改善效果[22]。因此，綜合采用水泥改性與鋪設土工織物的方法既可以增加坡面土體的粘結強度，又可以減緩土體位移的發生，對于降低邊坡滑塌隱患，加固防護工程具有很好的適用性，在實際工程中有較好的推廣效果。

圖5 土工織物的破壞形式Fig.5 Failure forms of geotextiles

圖6 土工布的破壞前后的SEM照片Fig.6 SEM images of geotextiles before and after damage

3 結 論

(1)通過開展土工織物-水泥土界面的大型直接剪切試驗，發現不同水泥摻量的試樣應力-應變曲線經過線彈性、彈塑性和應力軟化3個不同變形階段，且應力峰值隨水泥摻量增加有明顯上升趨勢。

(2)筋-土界面的黏聚力與摩擦角隨水泥摻量增加均呈線性上升趨勢，且黏聚力受影響的程度明顯更大，說明了水泥摻量的大小對砂土體內部顆粒的粘結關系具有顯著影響，而對界面的摩擦關系影響較小。

(3)根據土工織物的破壞形式與SEM微觀形態發現在大型直剪試驗過程中，土工織物內部纖維受拉應力作用，在土工織物-水泥土的界面起到阻止或減少水平位移的效果。

(4)在實際邊坡工程中綜合采用水泥改性與鋪設土工織物的方法，能夠有效地降低滑坡隱患和加固邊坡防護工程。