天然椰殼纖維加固紅黏土地基模型試驗

李良勇，馬煒迪，謝 朋，曹 乾，黃睿龍

(海南大學 土木建筑工程學院，海南 海口 570228)

紅黏土是一種承載能力較好，但卻具有高含水率、高孔隙比等不良物理性質的特殊土壤，直接將紅黏土作為建筑基礎時經常會發生不均勻沉降，使上部結構產生附加應力，影響建筑的結構安全和使用，需對其進行加固處理[1-2]。由于造價低、抗震性能好、施工簡便、取材廣泛和無噪聲等優點，加筋法成為一種常見的地基處理方法，被廣泛應用于道路、鐵路、水利、港口碼頭、建筑和礦山等領域[3-12]。但目前所采用的加筋材料基本為人工合成的土工合成材料，在其生產過程中會產生污染，增加碳排放量，不利于環保。因此，必須發展環保、無污染、無公害的天然加筋材料。椰子在海南省隨處可見，廢舊的椰殼在經過浸泡、敲打、除雜和晾曬后獲得的椰殼纖維具有強度高、韌性強、抑菌、可再生等特性，應用前景廣闊。目前，國內外已有部分學者[13-16]對椰殼纖維加筋土進行了研究，P.M.Chaple 等[13]研究了方形基礎下加筋黏土地基的承載力和沉降量，發現當加筋深度dr=0.25B(B為基礎寬度)，椰殼纖維質量分數為0.5%時的加筋效果最佳；R.R.Singh 等[14]采用試驗研究椰殼纖維含量對黏土無側限抗壓強度和加州承載比的影響，發現隨椰殼纖維含量的增加，黏土無側限抗壓強度和承載比均增加；椰殼纖維改變黏土的脆性特性，提高其加州承載比，可以起到減小路基厚度，節約工程造價的作用；D.Lal 等[15]研究方形基礎下椰殼纖維織物加筋砂土地基的隆起特性，發現最優的首層筋材埋深u=0.25B；最優加筋長度L=3B；最優加筋層數N=3；S.M.Lakshmi 等[16]通過試驗研究椰殼纖維含量和長度對地基土體無側限抗壓強度和加州承載比的影響，發現最優的纖維質量分數為1.2%，最優的加筋長度為2～3 cm。但采用椰殼纖維加固紅黏土的研究鮮見報道。

筆者結合海南當地特色，采用天然椰殼纖維對紅黏土地基進行加固，將椰殼纖維變廢為寶，通過載荷試驗研究椰殼纖維加筋深度對紅黏土地基承載–沉降能力的影響，以期為海南地區紅黏土地基加固提供一定參考。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗采用的紅黏土為海南地區具有代表性的粉質紅黏土，其基本物理性質指標見表 1。直剪試驗測定其黏聚力為12.2 kPa，內摩擦角為10.1°。天然椰殼纖維由海南當地廢舊椰子經過浸泡、敲打、除雜和晾曬后所提取，其直徑為100～500 μm，長度為5～20 cm，密度1.25 g/cm3，拉伸試驗確定其延伸率為 25.1%，抗拉強度為98.36 MPa，初始模量為2.14 GPa，所得性質與R.D.T.Toledo 等[17]和水鋒等[18]測得數據接近。將質量比(指椰殼纖維質量和土體質量的比值)為0.3%的椰殼纖維和紅黏土均勻混合后，快剪試驗測定其黏聚力為22.9 kPa，內摩擦角為14.9°。

表1 粉質紅黏土基本物理性質指標Table 1 Basic physical property indexes of silty red clay

1.2 試驗裝置

試驗裝置包括模型箱、條形基礎、加載系統和測量系統。模型箱內部尺寸為 800 mm(長)×200 mm(寬)×480 mm(高)，箱子由透明的鋼化玻璃制成，鋼化玻璃厚度為19 mm。為限制箱子變形，箱子周邊采用角鋼固定并在縫隙處涂抹一層硅膠防止液體泄漏。條形基礎的大小為 198 mm(長)×80 mm(寬)，基礎由鋼材制成，完全剛性。加載裝置為WTD300-2 型巖土工程模型試驗加載系統，其組成如圖1 所示，可由計算機自動控制加載過程，加載力和沉降由系統自動記錄；測量裝置為靜態應變儀，用于測量加載過程中的土壓力。

1.3 傳感器埋設

在距地基表面5、10、15、20 cm 處各埋設一個土壓力計，用以測量土壓力在地基中的分布規律，土壓力計具體布置位置如圖1 所示。

圖1 試驗加載裝置和土壓力計分布Fig.1 Loading device and arrangement of the earth pressure cell

1.4 試驗方案及過程

共進行4 組椰殼纖維加固紅黏土地基模型試驗，第1 組為未加固的紅黏土地基，作為基本參照組；2～4 組分別為加筋深度為2、4、6 cm 的椰殼纖維加固紅黏土地基，用以分析加筋深度對紅黏土地基承載–沉降的影響。

試驗過程如下：

①將椰殼纖維修剪為3 cm 長，按0.3%的質量比和烘干后的紅黏土按18%含水率進行均勻攪拌混合；

② 在模型箱四周涂抹硅油，以減小箱壁摩擦；

③將配置好的紅黏土分層填入模型箱中壓實，每層填筑高度為5 cm，待填筑高度達到椰殼纖維加筋層時，分層填入配置好的椰殼纖維紅黏土并壓實，直至地基土達到40 cm 厚時填筑完成；

④ 在地基表面中間位置放置條形基礎，采用應力控制式加載系統進行分級加載，每級荷載增量為10 kPa，當該級荷載下系統記錄的位移達到穩定后加下一級荷載，直到地基土發生破壞或總位移達到50 mm 時停止試驗。

2 試驗結果

2.1 荷載沉降曲線

圖2 為4 組試驗的荷載沉降曲線。從圖中可看出，和純土地基相比，加筋能明顯提高地基的承載力，減小沉降量，這是因為椰殼纖維的存在能約束土體的位移，使其沉降量減小，承載力增大。隨著加筋深度的增加，加筋地基的承載力進一步增大，沉降量進一步減小。在沉降量為50 mm 時，純土地基、加筋深度2、4、6 cm 地基的承載能力分別為86.5、139.7、193.2、218.0 kPa。

圖2 不同加筋深度荷載–沉降量曲線Fig.2 Curves of settlement to bearing capacity for different reinforcement depths

為定量描述椰殼纖維地基對承載力的提高效果，引入承載比概念，表示在某一沉降量條件下加筋地基的承載力與未加筋地基承載力的比值，比值越大，說明承載力提高效果越好；為消除基礎尺寸的影響，將沉降量除以基礎寬度進行無量綱化處理。圖3 為承載比隨無量綱化沉降的變化曲線，從圖中可看出，加筋后地基的承載比均明顯大于1，尤其是當沉降較小時，其值更大，說明加筋后地基的承載力較純地基有了明顯提升，且加筋深度越大，承載比越大。但隨著沉降量與基礎寬度的比值從0.1增加到0.6，承載比大體上表現為先減小后穩定的趨勢，且加筋深度越大，減小幅度越大。加筋深度為2 cm 地基的承載比從2.45 減小到1.61，減小34%；加筋深度為4 cm 地基的承載比從3.53 減小到2.24，減小37%；加筋深度為6 cm 地基的承載比從6.73減小到2.50，減小63%。原因在于沉降量/基礎寬度為0.1 時的沉降量相對較大，部分椰殼纖維發生斷裂，隨著沉降量的增加，椰殼纖維斷裂數量也增加，承載比減小；當沉降量達到一定值時，斷裂的椰殼纖維趨于穩定，承載力也就趨于穩定。

圖3 不同加筋深度承載比–無量綱化沉降關系曲線Fig.3 Curves of bearing capacity ratio to settlement ratio for different reinforcement depths

為定量描述椰殼纖維地基對沉降量的降低效果，引入沉降比概念，表示在某一荷載條件下加筋地基的沉降量與未加筋地基沉降量的比值，比值越小，說明沉降量降低效果越好。圖4 為沉降比隨荷載的變化曲線。從圖中可看出，加筋后地基的沉降比均明顯小于1，說明加筋后地基的沉降量較純地基有了明顯降低，且加筋深度越大，沉降比越小。當荷載從20 kPa 增加到80 kPa 時，沉降比總體表現為增大趨勢。加筋深度為2 cm 地基的沉降比從0.37增加到0.65 然后減小到0.53，增長43%；加筋深度為4 cm 地基的沉降比從0.15 增加到0.58 然后減小到0.46，增長207%；加筋深度為6 cm 地基的沉降比從0.12 增加到0.18，增長50%。

圖4 不同加筋深度沉降比–荷載關系曲線Fig.4 Curves of settlement ratio to loading for different reinforcement depths

2.2 土壓力分布

2.2.1 不同加筋深度土壓力

圖5 為不同加筋深度紅黏土地基的土壓力沿深度的分布。整體上看，土壓力隨荷載水平逐級增加，隨埋置深度增加逐漸衰減，這與土顆粒之間摩擦作用等對能量的消耗有關；加筋深度越大，各埋置深度處的土壓力也越大，這是因為加筋深度增大，筋材的作用效果逐步增大，承載土體的有效范圍也逐步擴大，對應力的均化作用也越強[19]。加筋深度為2 cm 時，距地表5 cm 處的土壓力要明顯小于所施加的荷載，原因在于荷載主要集中在上部2 cm 加筋深度范圍內，超過加筋深度后應力擴散較快，使應力減小明顯。加筋深度為4 cm 時，距地表5 cm 處的土壓力總體上要小于所施加的荷載，這是因為埋深5 cm 處的土壓力計離加筋深度4 cm 較近，應力擴散相對較小，使此處應力相較施加荷載有所減小。而加筋深度為6 cm 時，距地表5 cm 處的土壓力和所施加的荷載基本相同，這是因為埋深5 cm 處的土壓處于加筋范圍內，荷載還未擴散。其他深度處的土壓均明顯小于所施加荷載。

圖5 不同加筋深度紅黏土地基土壓力沿深度分布Fig.5 The distribution of earth pressure of the red clay along the depth with different reinforcement depths

為便于分析土壓力沿深度隨荷載的變化情況，將土壓力與荷載進行無量綱化處理，將荷載與最大荷載進行無量綱化處理，圖6 為無量綱化處理后土壓力沿深度的分布。加載前期由于土壓力計與土體接觸不密實，使土壓力變化和荷載變化不同步，波動較大，扣除去前期波動段，加筋深度為2 cm 時，土壓力/荷載隨荷載/最大荷載的增加而逐漸增大，由于應力擴散，不同深度處的土壓力均明顯小于所施加荷載，距地表5cm 處土壓力最大值也不達施加荷載的一半。加筋深度為4 cm 時，5 cm 處土壓力/荷載先增大，后減小至約0.6，應力擴散作用較小，其他深度處的土壓力/荷載在荷載/最大荷載達到0.3 時趨于穩定，變化不大，且均小于0.4，應力擴散明顯。加筋深度為6 cm 時，5 cm 處土壓力/荷載由于應力集中，先增大后減小至約1，土壓力和荷載幾乎相等，其他深度處的土壓力/荷載基本穩定，變化不大，10、15、20 cm 處土壓力/荷載分別穩定在約0.6、0.4、0.2。從圖6 中還可看出，當土壓力計埋置深度達到2 倍基礎寬度左右時，土壓力/荷載比值基本不變，如埋深15 cm 和20 cm 處的土壓力/荷載比值分別約為0.3 和0.2，說明荷載主要影響范圍約為基礎寬度的2 倍。

圖6 不同加筋深度紅黏土地基無量綱化土壓力沿深度分布曲線Fig.6 The distribution of dimensionless earth pressure of the red clay along the depth with different reinforcement depths

2.2.2 不同深度處土壓力

圖7 為相同埋深處不同加筋深度的土壓力分布情況。由圖7 可知，埋深5 cm 處土壓力在荷載小于50 kPa 時三者基本接近；荷載超過50 kPa 后，加筋深度4、6 cm 的土壓力隨著荷載的增加迅速上升，且加筋深度4 cm 的土壓力較加筋深度6 cm 的土壓力上升快，但在荷載超過120 kPa 后，加筋深度6 cm的土壓力開始趕超加筋深度4 cm 的土壓力(圖7a)。10 cm 處土壓力在加筋深度6 cm 時最大，加筋深度2、4 cm 時在相同加載段接近；15、20 cm 處土壓力在相同加載段三者基本接近，且隨荷載幾乎線性增大。說明荷載較大時，15、20 cm 處的土壓力可以不進行測量，直接通過荷載較小時的土壓力進行推求。

圖7 不同深度處土壓力分布Fig.7 The distribution of earth pressure at different depths

為便于比較，將土壓力與荷載進行無量綱化處理，將荷載與最大荷載進行無量綱化處理。圖8 為無量綱化處理后土壓力隨加筋深度的變化圖。從圖中可看出，除去加載前期波動段，對于5 cm 處的土壓力，當加筋深度為2 cm 時，其隨荷載/最大荷載的增加而緩慢增大；當加筋深度為4、6 cm 時，其隨荷載/最大荷載的增加先增大后有所減小，但均明顯大于加筋深度為2 cm 時的土壓力，說明5 cm 處的土壓力受2 cm加筋深度層的影響較小；當3 組試驗均加載到最大值時，加筋深度為2、4、6 cm 的土壓力/荷載值分別約為0.39、0.65、0.97。對于10 cm 處的土壓力，三者均隨荷載/最大荷載的增加而增大，且加筋深度越小，增長幅度越大；當3 組試驗均加載到最大值時，加筋深度為2、4、6 cm 的土壓力/荷載值分別約為0.33、0.33、0.58。對于15、20 cm 處的土壓力，隨荷載/最大荷載的增加，加筋深度為4、6 cm 的土壓力/荷載增長幅度很小，加筋深度為2 cm 的土壓力/荷載增長幅度較大，但加載到最大荷載時三者的土壓力/荷載值較為接近。說明土壓力/荷載與荷載/最大荷載無關。

圖8 不同深度處無量綱化土壓力隨加筋深度的變化Fig.8 The distribution of dimensionless earth pressure with different reindorcernent depths at different depths

3 結論

a.采用椰殼纖維加筋能明顯提高地基的承載力，減小地基沉降量。在相同沉降量時，隨加筋深度的增加，承載比均有較為明顯增大。對于任意加筋深度，隨著沉降量/基礎寬度比值從0.1 增加到0.6，承載比大體上表現為先減小后穩定的趨勢，且加筋深度越大，減小的幅度也越大。在相同荷載條件下，隨加筋深度的增加，沉降比均有較為明顯減小。

b.加筋深度為2 cm 時，土壓力均較小，且隨深度遞減，最大土壓力值不及施加荷載的一半。加筋深度為4 cm 時，埋深5 cm 處土壓力/荷載先增大后減小至約0.6，其他深度處的土壓力/荷載較為接近，穩定在0.3 左右。加筋深度為6 cm 時，土壓力沿深度明顯衰減，5 cm 處土壓力由于應力集中，其和荷載幾乎相等，10、15、20 cm 處土壓力/荷載分別穩定在約0.6、0.4、0.2。

c.當土壓力計埋置深度達到2 倍基礎寬度左右時，土壓力/荷載比值基本不變，說明荷載主要影響范圍約為基礎寬度的2 倍。

d.對于5 cm 處的土壓力，當加筋深度為2 cm時，其隨荷載/最大荷載的增加而逐漸增大。當加筋深度為4、6 cm 時，其隨荷載/最大荷載的增加先增大后有所減小，但均明顯大于加筋深度為2 cm 時的土壓力。對于10 cm 處的土壓力，三者土壓力均隨荷載/最大荷載的增加而增大，且加筋深度越小，增長幅度越大。對于15、20 cm 處的土壓力，三者的土壓力/荷載值較為接近。