土骨架的新概念與泥炭土及纖維加筋土的結(jié)構(gòu)

蒙理明，張 風(fēng)

(海南科技職業(yè)大學(xué)，海口 571126)

泥炭土物質(zhì)組成與其他土的主要區(qū)別是含有大量分解不充分的植物殘體，包括殘存纖維。2007年，張留俊[1]等對泥炭土的微觀結(jié)構(gòu)及工程性質(zhì)做了分析。2013年，王方中等[2]對西湖泥炭質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)和礦物組成進行了分析。2014年，劉渝[3]做了滇池泥炭土物質(zhì)組分和微觀結(jié)構(gòu)對力學(xué)強度影響研究；周喬勇等[4]做了石家莊環(huán)城公路泥炭土微觀結(jié)構(gòu)及工程特性研究。2015年，李斗[5]做了滇池泥炭土微觀結(jié)構(gòu)特征及工程力學(xué)模型研究。

纖維加筋土的特點是在土中加入纖維。1995年，李廣信等[6]做了纖維加筋粘性土的試驗研究。2011年，蔣正國[7]做了纖維紅黏土力學(xué)特性試驗研究。2020年，王成成[8]做了基于最優(yōu)含水率的纖維加筋土的強度變化研究；潘建勛[9]做了纖維混摻加筋土力學(xué)性能研究；臧天寶[10]做了纖維加筋生活垃圾焚燒底渣混合土性能研究；李良勇[11]等做了天然椰殼纖維加固的紅粘土的力學(xué)性質(zhì)研究。2016年，李廣信[12]提出了土骨架的新概念。2017年，筆者用土力學(xué)的新概念改善和細化了土骨架理論[13]：“土骨架的3要素有：土顆粒，包括其結(jié)合水；接觸(點或面)；聯(lián)接(收縮膜，公共結(jié)合水膜)”。還用土骨架的新概念分析了土的動力特性[14]，還分析了黃土[15]、膨脹土[16]、紅粘土[17]、沿海軟土及海洋土[18]的結(jié)構(gòu)。下面，用土骨架的新概念，對泥炭土及纖維加筋土(簡稱纖維土)的結(jié)構(gòu)進行分析。

1 纖維土的結(jié)構(gòu)模型

我國規(guī)范[19]第4.1.12條規(guī)定：“含有大量未分解的腐殖質(zhì)，有機質(zhì)含量大于60%的土為泥炭，有機質(zhì)含量大于或等于10%且小于或等于60%的土為泥炭質(zhì)土”。該文所指泥炭土包括泥炭和泥炭質(zhì)土，其天然土的結(jié)構(gòu)模型見圖1。微結(jié)構(gòu)單元為團粒，由土顆粒、有機質(zhì)、殘余纖維組成；團粒間的大孔隙，在接觸處主要為類似于上述組成的小團粒，其他部位有更小的團粒或帶有有機質(zhì)包皮的土顆粒；殘余纖維可以連接大小團粒，軸向提供抗拉強度。纖維加筋土主要有2種制作方法：第一種見圖2，纖維加筋紅粘土由實驗室做法得到[7]:將紅粘土在攪拌機中制備成泥漿(含水量接近液限)，邊攪拌邊加入纖維，讓其均勻散布至泥漿，然后將試樣移到固結(jié)儀固結(jié)。這樣得到的加筋土改變了原紅粘土的結(jié)構(gòu)(粘聚體加鏈狀連結(jié)[17])，粘聚體及鏈狀連結(jié)在液態(tài)時被攪拌機打碎，形成單個土顆粒或極小粘聚體均勻分布的紅粘土結(jié)構(gòu)。第二種見圖3，探討在現(xiàn)場施工時使用[7]。將天然紅粘土晾干粉碎，加水配到最優(yōu)含水量，邊加土加纖維邊攪拌。這樣得到的加筋土，鏈狀連接被粉碎成為單個并伴有游離氧化鐵的土顆粒[17](鐵膠粘土)，成為粘聚體間大孔隙的填充，粘聚體沒有或者只被粉碎成小些，加入纖維沒有進入粘聚體，但大大提高最不利位置(a-a水平投影截面)大孔隙中鐵膠粘土結(jié)構(gòu)的強度。

2013年，筆者[20]提出非飽和土有五相：土顆粒、結(jié)合水膜、表面張力收縮膜、自由水、孔隙氣。擴展至泥炭土及纖維加筋土(如圖1～圖3)有六相：廣義土顆粒(砂粒、粉粒、粘粒、可溶性鹽類、有機質(zhì)[21])、纖維、結(jié)合水膜、表面張力收縮膜、自由水、孔隙氣。

2 纖維土有效應(yīng)力的大氣張力公式

2014年，筆者[22]提出了抗剪極限狀態(tài)非飽和土有效應(yīng)力的大氣張力公式

(1)

見圖1～圖3，纖維土比非飽和土多了一項纖維。纖維在土中提供拉力，用σ′l表示，得到抗剪極限狀態(tài)纖維土有效應(yīng)力的大氣張力公式

(2)

3 兩個要點

3.1 土的結(jié)構(gòu)連結(jié)

土的結(jié)構(gòu)連結(jié)有四類。1990年，高國瑞指出，土的結(jié)構(gòu)連結(jié)指基本單元體[21](也叫微結(jié)構(gòu)單元，包括碎屑顆粒、外包顆粒、集粒、凝塊、粘聚體[8](包括疊片、疊聚體、絮凝體、聚集體、復(fù)合體))之間的連結(jié)，主要有如下三類形式：

一是接觸連結(jié)：見圖4～圖6，有三種。圖4是直接接觸連結(jié)。接觸處幾乎沒有粘結(jié)物質(zhì)，但在非飽和土中存在毛細水提供表面張力，有一定連結(jié)強度，但在土飽和時會喪失。這種連結(jié)在濕陷性黃土、輕亞黏土和其他近代沉積土中較為普遍存在。圖5是結(jié)合水膜接觸連結(jié)。微結(jié)構(gòu)單元尤其是粘聚體之間的接觸處，其表面的粘粒(包括膠粒)通過公共結(jié)合水膜粘(膠)結(jié)在一起。這種連結(jié)在一般粘性土中普遍存在。圖6是同相接觸連結(jié)。由硅鋁酸鹽物質(zhì)組成的微結(jié)構(gòu)單元之間的接觸處，同相固體分子或原子發(fā)生化學(xué)鍵連結(jié)(冷焊)，或在高溫下發(fā)生互相滲透(熱滲)，或硅鋁氧化物在接觸面上形成“同質(zhì)增生”。這種連結(jié)一般發(fā)生在老粘性土或粘土頁巖中[21]。

二是膠結(jié)連結(jié)[21](圖7)：這種連結(jié)主要指微結(jié)構(gòu)單元之間存在許多膠結(jié)物質(zhì)，產(chǎn)生比較牢固的連結(jié)強度。見圖8～圖10，有三種。圖8是粘質(zhì)膠結(jié)連結(jié)，以粘土為膠結(jié)劑具有塑性性質(zhì)。圖9是鹽晶膠結(jié)連結(jié)。如果是鈣質(zhì)或鈉質(zhì)的鹽晶，其膠結(jié)強度是暫時的，水量增加，鹽晶溶解，強度消失。圖10是無定形物質(zhì)膠結(jié)連結(jié)。如果是無定形鐵、鋁或硅質(zhì)，膠結(jié)強度比較穩(wěn)定，不受水量變化的影響。

三是鏈條連結(jié)[21]：有二種，圖11是長鏈連結(jié)，圖12是短鏈連結(jié)。鏈條由粘土疇或還和有機質(zhì)、無定形物質(zhì)集聚在一起形成連接體，連接微結(jié)構(gòu)單元。這種連結(jié)常見于淤泥及淤泥質(zhì)土[18]。

還有第四類是纖維連結(jié)：見圖1的泥炭土，微結(jié)構(gòu)單元除了其他連結(jié)方式，還有殘余纖維連結(jié)。纖維可以在接觸處連結(jié)，也可以在接觸外連結(jié)。人工加入纖維一般不連結(jié)微結(jié)構(gòu)單元，但通過與土顆粒接觸或聯(lián)接獲得錨固，見圖2、圖3。

3.2 廣義土顆粒

廣義土顆粒，即土的物質(zhì)組成[21]，包括砂粒、粉粒、粘粒、可溶性鹽類、有機質(zhì)。砂粒、粉粒粗大強度高，但沒有粘性。粘粒(包括膠粒)有次生粘土礦物和非晶質(zhì)粘土礦物，前者通常帶有負電荷，后者是凝膠物質(zhì)，都是帶有結(jié)合水膜的顆粒。可溶性鹽類包括難溶鹽(主要為碳酸鹽)、中溶鹽(常見的為硫酸鹽)、易溶鹽(鉀鹽、氯鹽、芒硝)。溶鹽類礦物通常以離子狀態(tài)存在于土孔隙中，有陽離子和陰離子，影響土中離子交換作用的方向和雙電層作用的范圍，當(dāng)土中含水量降低或介質(zhì)酸堿度發(fā)生變化，便會結(jié)晶析出在土顆粒表面(即結(jié)合水膜還包括包裹在粘粒外部的鹽類薄膜)，給土結(jié)構(gòu)帶來暫時的強度。難溶的鹽類礦物有離子態(tài)(使粘粒凝聚)、溶膠態(tài)和無定形凝膠態(tài)(包裹土顆粒，然后顆粒膠結(jié))、微晶態(tài)(與粘土籌、粉粒等生成凝聚體，如黃土集粒)。土中有機質(zhì)是動植物殘骸和微生物以及它們的各種分解和合成產(chǎn)物，如碳水化合物、氨基酸、蛋白質(zhì)、脂蠟、有機酸、纖維素、木質(zhì)素等等。通常稱分解不完全的植物殘骸為泥炭，其主要成分為纖維素，木質(zhì)素等；完全分解的動植物殘骸為腐殖質(zhì)，在一定程度上有膠體的性質(zhì)，帶負電。腐殖質(zhì)很少單個存在，絕大部分與礦物粒子(如碳酸鈣、活性鋁、游離鐵)結(jié)合形成有機-無機復(fù)合體，這種復(fù)合體一般也帶負電。注意在飽和土中，由有機質(zhì)(其實是有機-無機復(fù)合體)包裹的砂粒，其接觸的黏聚力幾乎為0，無類似結(jié)合水膜的聯(lián)接能力；另外內(nèi)摩擦角比普通砂土的小；其原因是接觸部位被有機質(zhì)及有機質(zhì)包裹的細粒軟化[17]。

宏觀地，廣義土顆粒包括：粗大無粘性的砂、粉粒，與結(jié)合水膜有關(guān)的粘粒、可溶性鹽類(含水量大時會溶解)，降低飽和土強度的有機質(zhì)。

4 纖維土的土骨架

將土骨架理論[13]擴展到纖維土：土骨架的4要素：“廣義土顆粒，包括其結(jié)合水；纖維，包括其結(jié)合水；接觸(點或面，土顆粒之間、土顆粒與纖維之間、纖維之間)；聯(lián)接(纖維，公共結(jié)合水膜，表面張力收縮膜)”。土骨架的構(gòu)成類型有：“土顆粒之間、土顆粒與纖維之間、纖維之間，相互接觸，或相互聯(lián)接，或即相互接觸又聯(lián)接”。土骨架潰散：“土顆粒之間、土顆粒與纖維之間、纖維之間即沒有接觸也沒有聯(lián)接”。土骨架的體積：“飽和土的土骨架體積，是包括結(jié)合水膜的土顆粒及纖維體積；非飽和土的土骨架體積，是包括結(jié)合水膜的土顆粒及纖維，加上收縮膜聯(lián)接的體積。”

其他土骨架理論[13]仍然適用纖維土：土骨架局部失去接觸或聯(lián)接為損傷，潰散或損傷的土骨架重新建立接觸或聯(lián)接為修復(fù)，還伴有加密的為增強。應(yīng)該用絕對壓強分析廣義流體。有效應(yīng)力的新概念：有效應(yīng)力是土體中提供抗剪強度的點的集合所對應(yīng)的應(yīng)力；有效應(yīng)力是土骨架的接觸和聯(lián)接所對應(yīng)的應(yīng)力。總應(yīng)力由有效應(yīng)力和廣義流體應(yīng)力組成；有效應(yīng)力的實質(zhì)是廣義流體沒有抗剪能力，但具有抗壓能力；應(yīng)該用總應(yīng)力模式分析土的壓縮變形。土是由土骨架和廣義流體組成的，與纖維土有效應(yīng)力的大氣張力公式相對應(yīng)。

5 纖維土的大氣張力庫倫抗剪強度公式

2013年，筆者[24]提出了非飽和土的大氣張力庫倫抗剪強度公式。下面，擴展到纖維土：見圖13、圖14，是直接剪切試驗的示意圖,土樣自重忽略為零。設(shè)水平方向為X，豎直方向為Z。大氣壓強Pa=101 kPa,側(cè)面的大氣壓強未畫出(兩側(cè)大氣壓強對試樣的水平抗剪強度影響互相抵消為零)。θ→90°，所以sinθ=1，cosθ=0。抗剪強度由土骨架的接觸與聯(lián)接給出。

給式(2)加下標Z得

(3)

加下標X得

(4)

見圖13，直接抗剪強度是水平的，在無豎向荷載P作用時，首先是接觸提供水平摩擦抗剪強度。

注意σz=Pa,由(3)得接觸有效壓應(yīng)力

由庫倫定律得，接觸的初始水平摩擦抗剪強度

(5)

聯(lián)接的X向的拉力，式(4)中的σ′cx+σFx+σ′lx直接提供水平抗剪強度(真粘聚力[24])

C0=σ′cx+σFx+σ′lx

初始抗剪強度

(6)

式中，第一項為真粘聚力(聯(lián)接在水平方向提供的拉力)，第二項為聯(lián)接的水平摩擦抗剪強度貢獻(聯(lián)接捆綁土顆粒，在接觸處產(chǎn)生豎向壓應(yīng)力，摩擦產(chǎn)生水平抗剪強度)，第三項為水氣不抵大氣壓強自重應(yīng)力水平摩擦抗剪強度貢獻[24](土中自由水、孔隙氣壓力主要由于結(jié)合水膜、收縮膜、纖維占據(jù)計算截面面積而導(dǎo)致小于地面大氣壓強，在接觸處產(chǎn)生豎向壓應(yīng)力，摩擦產(chǎn)生水平抗剪強度)。

見圖14，與圖13的初始工況相比，多了豎向荷載P,由庫倫定律得水平抗剪強度

τ=C+σtanφ

(7)

其中，σ=P/A,A為土樣的水平截面積。

注意，見圖15，一般情況下，纖維以受拉為主，在最不利截面處，主要作為聯(lián)接；但粗大纖維不僅提供拉力，還能在開裂處摩擦產(chǎn)生抗剪強度，因此即是聯(lián)接也是接觸。

6 土顆粒或子土骨架漂浮

見圖1，在飽和土中，大團粒之間的大孔隙中，常有單個土顆粒、帶包皮土顆粒和小團粒(子土骨架[15])“漂浮”。可以這樣定義，在飽和土中，土顆粒或子土骨架(帶其結(jié)合水)，幾乎被自由水包裹，稱為土顆粒或子土骨架漂浮。這種現(xiàn)象也常見于飽和的淤泥質(zhì)土及淤泥中[25]，帶有機質(zhì)包皮的粘粒或小粘聚體，在結(jié)構(gòu)的大孔隙中漂浮，降低土的滲透性，排水固結(jié)后加強總土骨架。

7 結(jié) 論

用土骨架的新概念，對泥炭土及纖維加筋土(以下簡稱纖維土)進行分析，得到以下結(jié)論：

a.提出纖維土有六相：廣義土顆粒、纖維、結(jié)合水膜、表面張力收縮膜、自由水、孔隙氣。

b.提出了抗剪極限狀態(tài)纖維土有效應(yīng)力的大氣張力公式。

c.將土骨架理論擴展到纖維土：土骨架的4要素：“廣義土顆粒，包括其結(jié)合水；纖維，包括其結(jié)合水；接觸；聯(lián)接(纖維，表面張力收縮膜，公共結(jié)合水膜)”。土骨架的構(gòu)成類型有：“土顆粒之間、土顆粒與纖維之間、纖維之間，相互接觸，或相互聯(lián)接，或即相互接觸又聯(lián)接”。土骨架潰散：“土顆粒之間、土顆粒與纖維之間、纖維之間即沒有接觸也沒有聯(lián)接”。土骨架的體積：“飽和土的土骨架體積，是包括結(jié)合水膜的土顆粒及纖維體積；非飽和土的土骨架體積，是包括結(jié)合水膜的土顆粒及纖維，加上收縮膜聯(lián)接的體積。”

d.其他土骨架理論仍然適用于纖維土：包括土骨架的損傷、修復(fù)、增強；應(yīng)該用絕對壓強分析廣義流體；有效應(yīng)力的新概念：有效應(yīng)力是土體中提供抗剪強度的點的集合所對應(yīng)的應(yīng)力；有效應(yīng)力是土骨架的接觸和聯(lián)接所對應(yīng)的應(yīng)力；總應(yīng)力由有效應(yīng)力和廣義流體應(yīng)力組成；有效應(yīng)力的實質(zhì)是廣義流體沒有抗剪能力，但具有抗壓能力；應(yīng)該用總應(yīng)力模式分析土的壓縮變形。土是由土骨架和廣義流體組成的，與纖維土有效應(yīng)力的大氣張力公式相對應(yīng)。

e.抗剪強度由土骨架的接觸與聯(lián)接給出。提出了纖維土的大氣張力庫倫抗剪強度公式。其中，初始抗剪強度C包括三項：真粘聚力、聯(lián)接的摩擦抗剪強度貢獻、水氣不抵大氣壓強自重應(yīng)力摩擦抗剪強度貢獻。

f.提出土顆粒或子土骨架漂浮的概念：在飽和土中，土顆粒或子土骨架(帶其結(jié)合水)，幾乎被自由水包裹，稱為土顆粒或子土骨架漂浮。

g.普通土(無纖維土)是纖維土的特例。上述結(jié)論去掉與纖維有關(guān)的部分可以用于普通土。