劍麻纖維復合黏土基材與底面力學耦合特性試驗研究

盧洪寧， 胡國長， 朱曉勇， 劉 瑾*， 薛 建， 張發明， 王 梓

(1.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京211100；2.江蘇省山水資源開發集團有限公司，江蘇 南京 210001)

隨著我國基礎建設規模逐漸擴大，大量公路、鐵路、水利、礦業等工程在施工過程中，必然出現大量不合理挖填的現象，從而對天然邊坡造成不同程度的擾動[1-2]。在自然應力及工程荷載的共同作用下，此類邊坡極易誘發滑坡地質災害?？屯羾姴ゼ夹g通過高壓噴播設備將客土基材噴附于巖質邊坡表面，由于客土基材與巖體性質不同，在客土基材與巖體接觸處形成一個對邊坡穩定性起控制作用的薄弱面，在實際工程中客土基材沿此界面發生滑動、位移及脫落[3-4]。因此，對客土自身物理力學性質、客土-巖體接觸面剪切力學特性進行研究具有重要的工程指導意義。

土體-巖體接觸面常常是導致邊坡發生滑移錯動的薄弱面。徐彬等[5]通過直剪、三軸試驗研究含水量、試樣密度與發育裂隙等參數對膨脹土強度的影響。明成濤等[6]以某紅黏土邊坡為研究對象，分析其滑塌破壞的原因在于連續降水導致紅黏土的強度顯著降低。李鵬等[7]對某土巖界面滑坡體進行研究，分析其形成原因并得出土-巖分界面是這類堆積層滑坡主控滑動面的結論。因此，客土基材的選擇成為目前工程實際應用的熱點研究對象，已有大量學者就此問題展開廣泛研究。舒安平等[8]指出基材材料配置合理對客土噴播的生態恢復效果存在影響。呂宋等[9]認為纖維加筋作用及土壤團?；够|層能良好地附著于邊坡表面。呂大偉等[10]以木質纖維作為穩定劑，高分子材料作為粘結劑，提高客土基質層與邊坡坡面的黏附性能。王麗等[11]開展系列試驗得出植物發芽率、覆蓋度、基質孔隙率及抗沖刷性能呈現先上升后下降的變化趨勢。李廣信等[12]對纖維加筋土開展拉伸、剪切、斷裂韌度測定及水力劈裂等系列試驗，研究成果表明纖維加筋能大幅度提高黏土的抗剪強度、塑性及韌性[13-16]。

因此，本文基于纖維加筋技術，對纖維復合黏土與亞克力板界面耦合穩定性展開研究，采用室內試驗與微觀分析相結合的方法，研究不同含水率、劍麻纖維含量等變量對基材滑動過程的影響，根據對視頻圖像的分析處理和位移-時間曲線的擬合可得出臨界摩擦角與接觸界面動摩擦系數，運用掃描電鏡試驗觀察劍麻纖維與土顆粒間的相互作用，對探究劍麻纖維對黏土的改良作用及對基材-接觸界面耦合特性，進一步解決巖質邊坡表層客土的穩定性問題具有重要的指導意義。

1 試驗裝置與材料

1.1 試驗材料

本次試驗所選用的土樣為南京地區某邊坡的下蜀土(圖1)，呈黃褐色，質地均勻，屬于黏土，其基本物理性質見表1。黏土是由地表硅鋁酸鹽礦物經過長期風化作用形成，其顆粒大多呈片狀晶體或非晶體結構，由于蒙脫石、伊利石等黏土礦物的親水性，使黏土具有孔隙比大、弱膨脹性、可塑、觸變、失水易收縮開裂等特性，其中弱膨脹性主要表現在黏土遇水后體積發生膨脹，結構改變，抗剪切強度降低。黏土內部垂直節理發育，土體易沿垂直節理發生劈裂。另外，由于黏土含鈣質結核，對土體的結構強度影響較大，對土體的穩定性易產生不利影響。

圖1 試驗所用土樣制備流程Fig.1 Preparation process of soil samples used in the test

表1 試驗所用土樣基本物理性質

試驗中采用的纖維為劍麻纖維，經加工裁剪其長度約為2 cm，如圖2所示，其物理力學參數見表2。劍麻纖維是一種天然植物纖維，由劍麻葉片通過機械敲擊、高溫浸漬、沖洗、蒸煮等處理工藝后得到[17]。劍麻纖維色澤呈米白色，質地堅韌，彈性大，拉力強，耐摩擦性、耐腐蝕好，綠色環保無污染，在漁業、航海業、礦業、石油業、運輸業、冶金業等領域應用廣泛。

圖2 客土改良材料——劍麻纖維Fig.2 Improved material of guest soil-sisal fibers

表2 劍麻纖維物理力學參數

1.2 試樣制備及試驗過程

為深入研究黏土含水率、劍麻纖維及其摻量對黏土-邊坡界面耦合特性的影響，開展滑動摩擦試驗，分析含水率、劍麻纖維等對黏土試樣與接觸界面耦合特性的影響程度及作用規律。試樣制作過程制備純黏土、纖維加筋黏土共20樣，對其編號為S1—S20，其制備方法及步驟如下：

(1)純黏土試樣制備過程。首先，將取得的土樣放至烘箱在105 ℃條件下烘干，之后將干燥土樣碾碎，過2 mm篩備用。然后，將試樣制備模具內壁均勻涂抹凡士林，并放置在水平亞克力面板上一固定初始位置。在制備純黏土試樣(S1—S5)時，根據試驗方案設定的含水率參數，稱取定量烘干土樣，與蒸餾水混合后充分攪拌形成均勻的黏土泥漿。隨后，依據分層制樣原則，將一漏斗置于模具盒上部一定高度處，將所制得的質量為875 g的黏土泥漿通過這一漏斗分5次、緩慢地傾倒入模具盒中，使試樣在自身重力的作用下自然堆積，注意傾倒過程中應避免土樣內部產生較大孔隙。堆積結束后刮平試樣表面并封口靜置5 min，使土樣穩定且保證其底面與亞克力板充分接觸。

(2)改良黏土試樣制備過程。在開展纖維加筋黏土滑動摩擦試驗時，設定試樣含水率分別為25%、30%、35%、40%、45%，劍麻纖維含量分別為0%、0.4%、0.8%、1.2%。在制備纖維加筋黏土試樣(S6—S20)時，根據試驗設計的纖維含量稱取定量的劍麻纖維，將劍麻纖維、黏土及蒸餾水混合均勻后，再分5次、緩慢地通過模具上部一定高度處的漏斗傾倒入模具盒中。在堆積結束后刮平纖維加筋黏土試樣表面并封口靜置5 min，使得試樣穩定且保證其底面與亞克力面板充分接觸。

本試驗中，纖維含量(CF)定義為劍麻纖維質量與干黏土質量的比值，即：

(1)

式中：CF—纖維含量，MF—劍麻纖維質量，MS—黏土質量。

2 黏土與接觸面耦合特性影響分析

待土樣穩定后，從頂部緩慢移除制備模具，轉動螺旋千斤頂的搖桿使亞克力面板勻速緩慢抬升，直至試樣由靜止狀態轉為向傾斜方向滑動時，停止轉動，由電子測角儀讀取亞克力面板傾角，記為臨界摩擦角α。試驗中，用數碼攝像機對土樣的運動過程進行全程記錄。逐幀查閱得到的視頻資料，對每一幀影像中的位移S和時間t兩組數據分別記錄，并以二者作為縱、橫坐標，繪制散點分布圖，并選擇適宜的曲線類型對其進行擬合，從而得到不同試驗條件下土樣在二元接觸界面的滑動位移曲線S(t)。

對擬合所得函數S(t)求時間t的二階導數，可以計算得出土樣下滑過程中的擬合加速度a[18]。如圖3所示，土樣從A點開始下滑，根據牛頓第二定律F=ma，AB段的加速度a即為:

圖3 土樣滑動加速度分析示意圖Fig.3 Analysis diagram of sliding acceleration of soil sample

a=g(sinα-μcosα)

(2)

式中：α為亞克力面板傾角，即臨界摩擦角；g為重力加速度，取9.8 m/s2；μ為黏土試樣與亞克力面板面之間的動摩擦系數，根據式(2)可以得出：

(3)

滑動摩擦試驗得到位移S和時間t兩組數據，根據所得數據點繪制S-t散點分布圖，由于S-t圖像明顯存在非線性關系，因此，本文利用函數繪圖軟件Origin2021對實測數據點進行3階多項式函數擬合。對得到的各擬合函數S(t)進行二階求導，可以得到試樣下滑過程中的擬合加速度a，進而通過式(2)計算得到試樣下滑過程中的底面動摩擦系數μ。其試驗參數及試驗結果如表3所示。

2.1 含水率對黏土與接觸面耦合特性影響分析

從表3可以看出，當試樣含水率為25%、35%時，純黏土動摩擦系數-時間曲線的斜率為負值，說明試樣動摩擦系數隨時間的延長而逐漸減小；而當試樣含水率為30%、40%及45%時，試樣動摩擦系數-時間曲線的斜率為正值，說明試樣動摩擦系數隨時間的增長而增大，試樣下滑所需的力越大，越不容易發生下滑破壞。由表中數據可知，不同含水率下的試樣其動摩擦系數-時間曲線斜率的絕對值大小關系為S5>S4>S3>S1>S2，表明含水率45%的試樣其動摩擦系數隨時間變化速度最大，而含水率30%的試樣其動摩擦系數隨時間變化的速度相較而言更緩慢。隨試樣含水率的提高，純黏土試樣動摩擦系數平均值呈先升高后降低的變化趨勢；類似地，純黏土試樣臨界摩擦角隨含水率的增大呈先增大后減小的變化趨勢。

當試樣含水率為30%、45%時，纖維加筋試樣動摩擦系數隨時間的延長而逐漸減小，而當試樣含水率為25%、35%及40%時，試樣動摩擦系數-時間曲線的斜率為正值，試樣動摩擦系數隨時間的增長而增大。表明含水率值在液限及塑限附近時，纖維加筋黏土對動摩擦系數的影響更顯著，其原因是黏土含水率在接近液限時，水的表面張力使得試樣與接觸面之間的黏附力增加，并且黏土顆粒在塑限附近時有更大的摩擦阻力，因此動摩擦系數隨時間的增長而逐漸增大。由表3數據可知，當含水率為25%、35%、45%時，動摩擦系數-時間曲線斜率的絕對值大小關系分別為S6>S7，S10>S11，S14>S15，即纖維含量為0.4%的試樣的動摩擦系數-時間曲線斜率均大于纖維含量0.8%試樣，表明纖維含量0.4%的試樣在25%、35%及45%含水率下其動摩擦系數隨時間變化速度較纖維含量0.8%的試樣大。當含水率為30%和40%時，動摩擦系數-時間曲線斜率的絕對值大小關系分別為S9>S8，S13>S12，即纖維含量為0.8%的試樣的動摩擦系數-時間曲線斜率均大于纖維含量0.4%試樣，表明纖維含量0.8%的試樣在30%、40%含水率下其動摩擦系數隨時間變化速度較纖維含量0.4%的試樣大。在同一含水率下，試樣動摩擦系數平均值隨纖維添加含量的增加而提高，同樣，試樣臨界摩擦角隨纖維添加含量的提高而呈增大趨勢。

表3 纖維加筋黏土試樣滑動摩擦試驗結果

2.2 劍麻纖維摻量對黏土滑移過程的影響分析

在試樣沿接觸面下滑的過程中，試樣與接觸界面的耦合特性可以通過其滑移過程的位移-時間曲線來反映。圖4是不同含水率下不同纖維摻量試樣的位移-時間擬合曲線。從圖4中可以看出，試樣在滑移過程中一般經歷加速下滑階段和減速下滑階段。在初始啟動階段，試樣在重力、摩擦力等的作用下加速下滑，曲線隨時間變化的趨勢較陡，而隨著時間的延長，試樣在下滑過程中逐漸發生變形破壞，其底面與接觸界面間的接觸面積逐漸增大，且裂隙、微小型斷裂面逐漸發育，導致試樣底面的粗糙度逐漸提高，位移隨時間變化的趨勢逐漸趨于平緩，反映出試樣底面的黏附力逐漸增強。當試樣含水率不變，且下滑時間相同時，纖維加筋土試樣比純黏土試樣滑移的距離更小，且試樣的滑動位移隨劍麻纖維摻量的增加呈先減小后增大趨勢，其中纖維摻量為0.8%時，試樣下滑過程的整體時間延長，說明在該纖維摻量下，試樣的位移隨下滑時間的增長變化較緩。試樣含水率為45%時，當試樣下滑時間達到6 s時，純黏土試樣已結束滑移，位移達到59.69 cm，而S18(纖維摻量0.4%)試樣的滑移距離達到28.81 cm，S20(纖維摻量1.2%)試樣下滑22.81 cm，S19(纖維摻量0.8%)試樣則僅滑移了17.9 cm。本文定義試樣滑出亞克力面板的時刻為滑移結束時間t，試樣在滑移過程中的最大速度為滑移峰值速度V，纖維加筋土試樣的滑移峰值速度和滑移結束時間與含水率的變化關系曲線如圖5所示。

圖4 不同纖維摻量試樣的位移-時間擬合曲線Fig.4 Displacement-time fitting curve of samples with different fiber content

圖5 不同含水率試樣的滑移停止位移和時間與纖維摻量的變化關系曲線Fig.5 The variation curve of the displacement and time of the sliding stop of the samples with different water content and the fiber content

結合圖5可知，劍麻纖維的摻入使得試樣的滑移峰值速度整體有所降低，試樣含水率不變的情況下，隨劍麻纖維摻量的增加，試樣滑移峰值速度呈先降低后升高的變化趨勢，其中當纖維摻量為0.8%時，試樣的滑移峰值速度隨含水率的提高分別為1.50、2.34、2.93、5.36、4.76 cm/s，在各纖維摻量梯度下呈最小值。從圖5中可以看出，當劍麻纖維摻入到黏土體中，滑移峰值速度顯著減小，在各含水率梯度下(25%～45%)分別減小了37%、46%、57%、49%及68%。當含水率為25%、30%、40%及45%時，試樣的滑移結束時間隨纖維摻量的提高呈先增加后減少趨勢；而當試樣含水率為35%時，試樣的滑移結束時間隨著纖維添加含量的增加呈持續增長的趨勢。由此可見劍麻纖維對改善黏土試樣底面的黏附特性具有一定效果，且纖維摻量為0.8%時，改善效果最優。

2.3 劍麻纖維摻量對滑動摩擦特征系數的影響分析

圖6是試樣動摩擦系數平均值與纖維含量的關系圖。從圖6可以看出，控制試樣含水率不變，隨著纖維摻量由0%增至0.8%，試樣的動摩擦系數平均值增大，而當纖維摻量由0.8%增至1.2%時，試樣的動摩擦系數平均值減小。其中當含水率值為30%時，纖維摻量0.8%試樣的動摩擦系數平均值為0.80，純黏土試樣的動摩擦系數平均值為0.64；當含水率為35%時，纖維摻量0.8%試樣的動摩擦系數平均值為0.73，純黏土試樣的動摩擦系數平均值為0.54，由此可知，在含水率為30%和35%梯度下，試樣動摩擦系數平均值隨纖維添加量的提高增幅較大，纖維摻量0.8%試樣較純黏土試樣動摩擦系數平均值分別提高約1.25倍與1.34倍，而其余含水率值試樣動摩擦系數平均值增加幅度較平緩。當試樣劍麻纖維添加量為0.4%時，各含水率梯度下試樣的動摩擦系數平均值的最大值為0.68，最小值為0.42，二者相差近1.62倍，而當試樣中劍麻纖維添加量達到0.8%時，各含水率梯度下試樣的最大動摩擦系數平均值為0.80，比最小值0.42大近1.88倍。這說明，劍麻纖維能有效提高試樣底面動摩擦系數，且隨著劍麻纖維含量的增加，提高試樣底面動摩擦系數的能力變強。但纖維摻量不是越多越好，存在一個最優劍麻纖維摻量0.8%使得纖維加筋黏土與接觸界面的耦合效果最佳。

圖6 試樣動摩擦系數平均值與纖維含量的關系Fig.6 Relationship between average coefficient of dynamic friction and fiber content of sample

圖7是不同含水率下試樣臨界摩擦角隨纖維含量變化關系圖。結合圖7可知，在控制含水率條件下，試樣的臨界摩擦角α隨劍麻纖維摻量的增加呈先增大后減小的變化趨勢，但不同含水率條件下，試樣臨界摩擦角隨纖維摻量的增大幅度不盡相同。當含水率為25%時，隨纖維摻量的增加，試樣臨界摩擦角分別為24.52°、25.97°、26.14°、25.45°；當含水率為45%時，試樣臨界摩擦角隨纖維摻量的增加分別為22.20°、22.84°、23.18°及23.91°。由此可知，當含水率值為25%和45%時，臨界摩擦角α隨試樣纖維摻量的提高增大幅度較小，且25%含水率試樣在三個纖維含量梯度下的臨界摩擦角數值均大于45%試樣含水率。而當含水率為30%、35%、40%時，在0～0.8%的纖維摻量范圍內，每提高0.4%劍麻纖維的摻量，各試樣臨界摩擦角增大1倍左右。結合圖7可知，當含水率為30%時，加筋土在纖維摻量0%、0.4%、0.8%、1.2%的變化過程中臨界摩擦角值分別為32.89°、34. 35°、38.84°及35.28°，在各含水率梯度中呈最大值；相反，當含水率為45%時，試樣臨界摩擦角在各含水率梯度中最小。臨界角α反映物體最大靜滑動摩擦力值，表示試樣在粗糙傾斜面上恰好處于滑動的臨界狀態，此時其靜摩擦力達到最大值。因此試樣的臨界摩擦角與最大靜滑動摩擦力有直接聯系，臨界摩擦角越大，反映試樣抵抗下滑破壞的能力越強；反之，試樣抵抗下滑破壞的能力越弱。因此，劍麻纖維的加入能有效提高試樣抗滑破壞能力，且存在一個最優纖維摻量。

圖7 試樣臨界摩擦角隨纖維含量變化關系圖Fig.7 Relation diagram of critical friction angle of samples with fiber content

3 機理分析

滑動摩擦試驗中試樣滑移形態的變化可以很好地反映出纖維加筋黏土滑移、錯動的過程，圖8是含水率為45%時純黏土與纖維摻量0.8%試樣的滑動狀態記錄圖。從圖8中可以看出，隨著時間的發展，纖維加筋土試樣逐漸發生變形，試樣表面有微裂隙發育，但其錯切變形程度相比于純黏土試樣較小。隨著劍麻纖維摻量的增加，黏土樣發生錯切變形的起始時間逐漸變大。雖然試樣底部與亞克力面板接觸面存在摩擦作用與黏附作用，但由于劍麻纖維的摻入，有效改善了土體結構，增強了土體的強度與整體性，因此在滑移過程中，黏土體剝落現象不明顯，試樣能保持較完整的狀態，亞克力面板上殘余的剪切破壞土體較少。

圖8 含水率45%試樣滑動狀態記錄圖Fig.8 Sliding state of sample with 45% moisture content and 0.8% fiber content

劍麻纖維與黏土顆粒相互作用，增大了纖維與土顆粒間的接觸面積(圖9)，增強了纖維與土顆粒間相互交織的程度，纖維-黏土復合基材受外荷載發生變形時，因纖維與土顆粒間發生錯動而產生摩阻力，這使得筋土接觸界面的摩擦力提高，進而在一定程度上提高了筋土接觸界面的粘聚力，使得加筋黏土強度有所提高；同時，纖維摻入黏土體中充填黏土顆粒間的孔隙，增大黏土顆粒有效接觸面積，因此纖維加筋土在受外荷載過程中，應力傳遞及擴散路徑受到影響發生變化，對土體變形起了阻礙作用，增強土體整體的穩定性，從而對土體下滑傾向產生抑制作用，增強土體與接觸界面間的黏附作用。

圖9 纖維加筋土掃描電鏡圖Fig.9 Scanning electron microscope image of fiber reinforced clay

當劍麻纖維含量較少時，絕大部分劍麻纖維以相互搭接的形式存在于土體中，見圖10(a)，而隨著纖維含量的增多，劍麻纖維隨機分布于土體中，相鄰的劍麻纖維相互交織接觸，形成骨架般的三維立體纖維土網包裹土顆粒，見圖10(b)，更多的黏土骨架顆粒與劍麻纖維接觸，通過三維纖維網格的拉筋作用，黏土顆粒充分靠攏集中，阻礙了黏土顆粒的相對滑動，減小其位移和變形，增強土體的整體穩定性。當摻入黏土體中的纖維含量較高時，相互接觸的劍麻纖維間存在多處交錯點，當加筋土體受外荷載作用，一處交錯點受力產生相對滑動，單根纖維發生位移，此時其他與之交織的劍麻纖維可傳遞并分散受到的作用力，這種傳遞作用在各個交錯點間持續擴張分散，可減少外荷載在土體中分布不均引起的應力集中現象，提高加筋土的整體強度。另外，由于劍麻纖維具有良好的柔韌性，因此在受外荷載時可以產生拉伸形變抵抗外力破壞[19-21]，能夠像“橋梁”一樣連接相互錯動的黏土顆粒，起到“橋接”的效果，有利于提高土體結構的整體穩定性和安全性。然而，纖維摻量并不是越高越好，當纖維摻量高于0.8%時，纖維加筋黏土試樣與接觸界面的耦合程度逐漸變差，這主要是由于纖維摻量過多時，劍麻纖維易相互糾結纏繞，產生重復的交叉、交織，形成團聚現象，導致其與黏土顆粒間的直接接觸減少，纖維自身之間的作用力增加，纖維之間的相互作用力明顯小于纖維與黏土顆粒間的相互作用力，加之成團的劍麻纖維在黏土體內部分布不均勻，加筋黏土結構易發生破壞，影響纖維加筋土試樣與界面間的耦合特性。

圖10 纖維加筋土示意圖Fig.10 Schematic diagram of fiber reinforced clay

4 結論

1)試樣含水率的變化會對黏土試樣滑動過程產生較大影響。隨含水率的增加，試樣的動摩擦系數平均值呈先增大后減小的變化趨勢；臨界摩擦角α均隨試樣含水率的提高先增大到最大值，而后呈減小的趨勢。當試樣含水率介于塑限、液限之間時，存在最優含水率值使動摩擦系數與臨界摩擦角達到最大值，此時黏土試樣的黏附效果有明顯提升。

2)劍麻纖維及其摻量會對黏土-接觸面耦合特性產生較大影響?？刂圃嚇雍什蛔?，隨著纖維摻量由0%增至0.8%，試樣的動摩擦系數平均值及臨界摩擦角α呈逐漸增大趨勢；而隨著劍麻纖維摻量的繼續增加，試樣的動摩擦系數平均值及臨界摩擦角α均有所減小。劍麻纖維的摻入能有效提高試樣的抗滑破壞能力，但纖維摻量過多也會有負效果，存在一個最優劍麻纖維摻量0.8%，使得纖維加筋黏土與接觸面的耦合效果最佳。

3)劍麻纖維的摻入在黏土體中形成三維立體網格，增大了筋土界面的黏結和咬合摩擦作用，使黏土-黏土與黏土-接觸面間的聯結更為充分、緊密，進而提高黏土-接觸面的黏附效果。