基于核磁共振與無側限抗壓試驗對纖維加固紅黏土的宏微觀特性研究

呂超，馬曉凡，王穎

(1. 廣西桂禹工程咨詢有限公司，廣西 南寧530023；2. 河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京210098)

紅黏土作為一種常見的問題土，因其具有孔隙比大、塑性高以及壓縮性好等特點，在工程建設中常會發生邊坡失穩、地面沉降等問題，從而需要對紅黏土進行加固。常見的加固材料有石灰、水泥和粉煤灰等傳統加固材料[1?3]。研究表明，傳統硬性加固材料可以有效提高紅黏土的抗壓和抗剪強度特性。然而，在實際應用當中發現，這些硬性材料加固后的紅黏土在受力后表現出明顯的脆性破壞。從而，一些學者通過在土體中加入柔性材料來減小脆性破壞的程度。纖維作為一種新型柔性材料，具有易分散、強度高、韌性好等特點，正在越來越多的被應用于土體加固當中。有學者發現，在土體中添加纖維可以顯著改善土的強度特性，加固后的土體還具有一定的韌性，可以減小土體失水開裂和地震作用下的脆性破壞[4?6]，并能夠起到一定的阻裂作用[7]。TANG 等[8]采用隨機分布的聚丙烯纖維來改善土壤的拉伸性能,研究成果表明，纖維加筋顯著提高了土體的峰后強度，使土體的脆性拉伸破壞變得更具韌性。吳燕開等[9]進行了一系列室內試驗，研究了不同長度和含量的劍麻纖維對加筋黏土的抗壓強度和抗剪強度影響，并提出了最優纖維長度和含量。楊莉莉等[10]通過控制纖維的含量和長度，研究了波形聚丙烯纖維對砂質黏性紫色土的加固效果，提出波形纖維為0.3%時，加筋土抗壓強度到達峰值。不同因素對加筋土強度特性的影響主要包括含水率、密度、纖維含量以及纖維長度，其中含水率對加筋土強度特性的影響最大，纖維長度的影響最小[11]。在纖維加固機理方面，大量學者認為纖維的加筋效果主要取決于纖維?土界面的力學作用，即界面黏聚力和摩擦力[12?13]。以上研究主要針對的是纖維加固后土體的宏觀表現特征，而土體的微觀特征決定了土體的強度、滲透性等特性，從而需要對土體的微觀特性進行深入研究。X射線衍射儀和顯微鏡常被用來觀察土體的微觀結構，以上方法可以直觀觀察到土體內部的孔隙結構與形態分布，但其觀察范圍比較局限，很難對土體整體進行觀察。近年來，巖土體核磁共振測試技術因其具有直觀、準確、對結構無損等優點，正越來越多地被應用于巖土體微觀結構的研究當中[14?16]。劉勇健等[17]對原狀土和三軸試驗后土樣進行核磁共振試驗，分析了三軸剪切過程中軟土的孔隙大小，孔徑分布和孔隙結構參數變化特征。呂擎峰等[18]采用核磁共振分析測試技術，對不同配比的固化鹽漬土的微觀特征進行分析測試研究。王卉等[19]對不同條件下的黏土進行核磁共振微觀特性分析，并與壓汞試驗結果進行對比分析，表明2種方法在孔隙孔徑分布的探究上具有一致性。張世民等[20]對核磁共振技術在非凍結孔徑分布分析中的應用進行了研究，表明核磁成像技術可直接地觀察土體剖面的孔隙分布情況，并提出今后可將該技術應用于滲流引起的土顆粒遷移問題研究。聚丙烯纖維具有價格低、易分散以及加固效果好等特點，被廣泛應用于土體加固當中，也取得了大量的研究成果。而對于聚丙烯加筋土的微觀特性研究還比較缺乏，因而對其內部微觀結構的研究具有重要意義。本文采用低場核磁共振分析測試儀器，對不同含量聚丙烯纖維加固后紅黏土的微觀特性進行測試，研究了加筋土的T2譜、孔徑分布、孔隙度以及T2譜峰面積，并采用無側限抗壓強度試驗，研究了不同含量纖維加固紅黏土的抗壓強度。研究成果可為加筋土宏微觀特性的聯系提供一定的參考依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗中使用的紅黏土取自于廣西省大新縣喬苗水庫工程現場，顏色呈棕紅色，詳細物理力學性質如表1 所示，紅黏土的粒徑分布曲線如圖1 所示。為了解該地區紅黏土的礦物組成成分，對其進行了XRD 礦物成分分析測試，得到如圖2 所示衍射峰值圖。使用的加筋材料為聚丙烯纖維，詳細物理力學參數如表2所示。

表1 紅黏土物理力學性質Table 1 Physical and mechanical properties of red clay

圖1 紅黏土粒徑分布曲線Fig.1 Grain size distribution curve of red clay

表2 聚丙烯纖維物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of polypropylene fiber

圖2 XRD衍射曲線Fig.2 XDR curves

1.2 試驗設備

試驗中使用的微觀分析測試儀器為蘇州紐邁公司生產的MacorMR12-150H-I 型低場核磁共振分析儀，主要包括核磁共振測量系統以及核磁共振分析系統。該核磁共振分析儀磁場強度為0.5T，磁體溫度32 ℃。

無側限抗壓強度試驗采用的是南京土壤儀器廠生產的YYW-2 型應變控制式無側限壓力儀,試驗過程中控制應變速率為2.4 mm/min。

1.3 試驗方案

為研究不同含量纖維加固后紅黏土的微觀特性，試驗中選取纖維含量為0%，0.1%，0.2%，0.3%和0.4%(與土體質量的百分比)，控制試樣含水率為35%，密度為1.90 g/cm3。在制樣前，首先將取回的原狀土烘干碾碎，后稱取一定量的干土，并采用噴灑法將對應質量的水與土體混合，接著用保鮮膜將土樣包裹放入保濕缸內養護24 h。制樣過程中，首先將稱取好的纖維與土體均勻混合，接著分3層稱取相應質量的土體和纖維，依次放入制樣模具內，采用分層擊實的方法進行制樣，為使得分層土體連接更為緊密，對分層界面進行刮毛處理。制好的試樣直徑為39.1 mm，高度為80mm，制樣完成后，將制好的試樣用保鮮膜包裹養護24 h后進行測試。

在進行核磁共振測試前，對試樣進行飽和處理，測試過程中，先采用FID 序列找到中心頻率，接著通過CPMG 序列確定試驗所采用的參數，最后使用標準油樣進行定標。本次測試過程，采用儀器的參數為：射頻中心頻率，12 MHz；90°射頻脈沖寬度，3.8 μs；180°射頻脈沖寬度，10.4 μs；采樣等待時間，250μs；采樣間隔，500 ms；模擬增益，20；累加采樣次數，32；回撥個數，500。

2 試驗結果

2.1 T2譜與孔徑分布

核磁共振在進行測試時，對主磁場施加一定頻率的射頻脈沖，使得樣品中的自旋氫核從低能態躍遷至高能態。射頻脈沖停止后，在主磁場的作用下，橫向宏觀磁化矢量逐漸縮小到0，縱向宏觀磁化矢量從0逐漸回到平衡狀態，這個過程稱為核磁弛豫。核磁弛豫又可分解為2個部分：縱向弛豫(T1)和橫向弛豫(T2)。由于T1測量時間很長，從而在試驗中常采用T2來研究試樣內部的孔隙結構特征。試樣內部氫質子在磁場作用下其能量釋放速度和強度不同，從而可間接反映巖土孔隙結構特征。T2與孔徑之間關系如式1所示。

式中：V為孔隙體積；S為孔隙比表面積；ρ2為表面弛豫強度；T2譜值與孔隙體積成正比。

本文采用核磁共振對不同含量纖維加固后的紅黏土進行測試，得到如圖3所示T2譜圖。

圖3 不同含量纖維加固紅黏土T2譜圖Fig.3 T2 spectrum of red clay reinforced with different contents of fiber

從圖3中可以看出，加入不同含量纖維紅黏土的T2譜的形態基本保持一致，均出現一個峰值，且在弛豫時間為1 ms 附近到達信號強度峰值，表明不同含量纖維加固土內部的孔隙結構分布相似，只是各個配比下試樣中孔隙所占的比例有所不同，從而信號峰值強度有所不同。其中，未加纖維的素土試樣的峰值信號強度最低，而隨著纖維含量的增加，加固后紅黏土峰值信號強度表現出先增加后減小的趨勢。在纖維含量達到0.2%之前，試樣信號幅值強度保持增加趨勢，且纖維含量從0.2%增加到0.3%，信號強度增幅最大，纖維含量達到0.2% 后，加筋土信號幅值峰值強度開始減小。

對所采集到的試樣內部的T2譜采用核磁共振處理系統進行后處理得到孔徑分布圖。不同含量纖維加固后紅黏土的內部孔徑分布曲線如圖4 所示。從圖4中可以看出，纖維的加入對素土內部孔徑分布的特征的影響較小，試樣內部的孔徑主要分布在0.01 μm 到0.05 μm 之間，且孔徑為0.02 μm左右的孔隙所占比例均為最大，約為試樣內部總孔隙度的1.6%。加入0.2%纖維的加筋土中的總孔隙含量最多，其中纖維含量為0.3%的試樣中相對大孔隙含量占比最少，素土內部相對大孔隙含量與加筋紅黏土相比所占比例最多。

圖4 不同含量纖維加固紅黏土孔徑分布Fig.4 Pore diameter distribution of red clay reinforced with different contents of fiber

2.2 孔隙度與T2譜峰面積

圖5為不同含量纖維加筋土的孔隙度和T2譜峰面積。從圖5 中可以觀察到，當纖維含量小于0.2%時，試樣的孔隙度隨纖維含量的增加而增加，而當纖維含量大于0.2%時，試樣內部的孔隙度出現了快速減小，且當纖維含量增加到0.3%后，加筋土的孔隙度變化開始減緩。其中，加筋土孔隙度在纖維達到0.2%時達到最大值43.35%。T2譜峰面積代表試樣內部的總信號值，也可以反映出試樣內部水分的多少。從圖5 還可以看出，T2譜峰面積隨著纖維含量的增加表現出先增加后緩慢減小的趨勢，T2譜峰面積在纖維含量達到0.2%時達到最大值，隨著纖維含量進一步增加，試樣內部孔隙度出現小幅度減小。這是因為在少量纖維加入土體中，土體與纖維之間以及纖維與纖維之間連接不夠緊密，從而在飽和過程中，有少量水分順著纖維在土體形成的滲流通道達到試樣內部，同時也有一部分水分賦存在纖維表面，從而表現出加筋土內部孔隙度隨纖維含量的增加而增大。而當加入的纖維增多時，纖維與土體、土顆粒與土顆粒以及纖維與土體之間的距離受擠壓逐漸變小，且纖維也會充填部分相對大孔隙，從而試樣內部總體孔隙度在纖維達到0.2%后開始減小。根據以上研究成果，可以推斷出在纖維含量達到一定含量后，試樣內部的孔隙開始減小，在外力荷載作用下壓縮變形也會降低。從而，在實際工程應用當中，可將纖維作為一種加固材料，添加到軟土地基中，能夠在一定程度上起到減小地面沉降變形的作用。

圖5 不同含量纖維加固紅黏土的孔隙度和T2譜峰面積Fig.5 Porosity and T2 peak area of red clay reinforced with different contents of fibers

2.3 強度分析

對加入不同含量纖維的紅黏土進行無側限抗壓強度測試，得到如圖6 所示抗壓強度試驗結果。從圖6中可以看出，試樣的抗壓強度隨纖維含量的增加表現出線性增加的趨勢，抗壓強度與纖維含量之間的線性關系為：y= 314.99x+ 319.41，R2=0.9916，式中x為纖維含量質量百分比。加入不同含量纖維的紅黏土與素土相比分別增加了11.04%，17.15%，29.98%和39.78%。加入不同含量纖維的加筋土的應力應變曲線如圖7 所示。從圖7 中可以看出，未加入纖維的土體，與加入纖維的土體相比，在較小的應變(應變為7.5%)下達到峰值強度，且達到峰值強度后，試樣出現明顯的破壞，從而峰值后強度快速減小，表現出顯著的脆性破壞。而加入不同含量纖維的土體，加筋土達到峰值強度時對應的應變逐漸增加，且隨著纖維含量的增加，加筋土峰值后強度的減小程度逐漸減輕，試樣應變硬化現象越來越明顯，試樣表現出韌性破壞特征。

圖6 不同含量纖維加固后紅黏土的抗壓強度Fig.6 Compressive strength of red clay reinforced with different contents of fibers

圖7 不同含量纖維加筋土應力應變曲線Fig.7 Stress-strain curves of soil reinforced with different contents of fiber

纖維的加入在土體中間產生了加筋作用，使得土顆粒之間受到纖維的錨固作用，且纖維與土體之間相互連接，顯著提高了土體內部的黏結力和摩擦力，從而表現出土體強度隨纖維含量的增加而保持增加趨勢。除此之外，纖維之間相互纏繞連接，在土體內部形成三維空間網狀結構，使得土體之間受到鎖固連接。在受到外力作用下，纖維能夠起到一定的支撐作用，提供一定的抗壓強度。且纖維形成的三維空間網狀結構，能夠對試樣受壓變形起到一定的限制作用，從而，加入含量較多纖維后的土體，在達到峰值強度后依舊保持較高的抗壓強度，試樣表現出應變硬化現象。隨著纖維的加入增加，試樣的破壞程度也逐漸減輕(如圖8 所示)。從圖8 中可以明顯的看出，未加入纖維的素土，在受壓過程中，試樣內部出現一條自上而下的貫穿斷裂面(圖8(a))，使得在達到峰值強度后試樣的強度快速衰減，且斷裂面兩邊土體形態基本保持完整，素土表現出明顯脆性破壞。而隨著纖維的加入，試樣的內部破壞程度有明顯的減弱。試樣在受壓時，纖維起到明顯的限制變形作用，并增加了土體間的黏聚力，試樣內部未形成明顯的貫通斷裂面，試樣整體表現出延性變形破壞，從而，在試樣達到峰值強度后，隨著應變的進一步增加，試樣依舊可以提供較高的抗變形能力，加筋土也表現出一定的韌性材料的特征。

圖8 不同含量纖維加固后紅黏土試樣破壞Fig.8 Failure of red clay reinforced with different content of fibers

3 結論

1) 加入不同含量纖維紅黏土的T2譜的形態基本保持一致，均在弛豫時間為1 ms附近出現峰值，且纖維含量為0.2%時，試樣內部信號最強；不同含量纖維加筋土內部的孔徑主要分布在0.01 μm 到0.05 μm 之間，且孔徑為0.02 μm 左右的孔隙所占比例均為最大；試樣的孔隙度和T2譜峰值面積隨纖維含量的增加表現出先增加后減小的趨勢，且均在纖維含量為0.2%時到達最大值。

2) 纖維能夠明顯增加紅黏土的抗壓強度，加筋土的抗壓強度與纖維含量保持良好的線性增加關系；且隨著纖維含量的增加，試樣由脆性破壞逐漸表現為韌性破壞特征。

3) 纖維在土體中起到錨固作用，顯著增加了土體間的連接力，且均勻分散在土體內部的纖維相互交叉連接形成了空間網狀結構，有效限制了土體的變形，從而增加加筋土抗壓強度并表現出韌性破壞特征。