海洋環境下玄武巖纖維加筋砂土抗液化性能的試驗研究

楊 易，許成順，楊鈺榮，岳 沖

（1.北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124；2.北京工業大學城市建設學部，北京 100124）

在海洋工程領域，眾多學者針對海域砂土的液化分析進行了一系列研究。程占云等[1]對海洋工程場地的砂土液化判別方式進行了分析總結，提出了更為適用于實際工程的標準，綜合評價中室內試驗是分析海域砂土液化的重要方式。紀文棟等[2]進行了一系列應變控制下的三軸試驗，通過分析孔隙水壓力和應力應變關系提出了海域砂土的液化特性。李騰等[3]總結了海洋環境下砂土在復雜應力條件下的動力特性，提出了波浪荷載作用下海域砂土的動力特性研究具有重要意義。王曉麗等[4]通過一系列循環單剪試驗，提出了不同初始應力下鈣質砂的強度歸一化表達式，對海洋環境下砂土的動強度研究具有重要意義。

“加筋土”概念自20世紀Henri Vidal提出后迅速引起了學者和工程界的高度關注[5]，并作為一項地基處理技術廣泛應用于實際工程中[6-8]。纖維增強土是一種典型的加筋土，通過將一定比例的纖維加入土體中獲得，可用于提高土體強度和穩定性[9]。工程中常用天然纖維和合成纖維，其中，天然纖維種類繁多、易獲取，但增強效果不如合成纖維[10]，合成纖維的選材主要為玄武巖纖維、聚酯纖維和玻璃纖維等。目前在海域砂土研究領域，有部分學者已證明纖維加筋土相對于改良前砂土強度更高，不易變形。DIAMBRA A等[11]認為分散放置的纖維可以增強砂土的整體性，使各向受力更加均勻。LIU J等[12]通過一系列試驗發現不同密實度砂土的抗液化性能在摻入纖維后得到了不同程度的提升。KUMAR A等[13-14]使用聚丙烯纖維對粉煤灰—膨脹土混合物進行了壓實試驗、無側限壓縮試驗和分體拉伸強度試驗，發現纖維摻入后對砂土的抗拉強度提升較為明顯。MAHESHWARI B K等[15]使用土工格柵作為加筋材料在振動臺上進行測試，通過觀察超靜孔隙水壓力特征發現了纖維加筋技術能有效提高砂土的抗液化能力。NOORZAD R等[16]通過分析未增強和增強砂土試樣的剪切模量證實了纖維對砂土橫向位移的限制作用。MICHALOWSKI R L等[17]建立了三軸壓縮失效應力預測模型，引入宏觀內摩擦角的概念來描述纖維增強砂的破壞準則。KARAKAN E等[18]通過一系列三軸試驗研究了不同相對密實度下砂土的抗液化強度，試驗結果表明：纖維含量對低密實度下砂土的抗液化強度影響并不明顯。SONMEZER Y B等[19]通過一系列剪切試驗研究了聚丙烯纖維物理性質對砂土液化性能的影響，通過對循環單剪試驗結果的回歸分析，提出了相對密度為30%時，砂土液化趨勢隨纖維含量、纖維長度和有效應力變化的函數表達式。張俊等[20]通過一系列室內三軸試驗，分析了不同纖維含量下海洋沙土的力學性能，發現隨機分布的纖維可以提高砂土的抗剪強度，且強度受纖維含量變化影響，最優摻量在1.2%附近。王涵等[21]利用纖維加筋技術改良了微生物固化后的海洋砂土，發現試樣的初始彈性模量和和割線模量受纖維含量的影響。

綜上所述，經過諸多研究工作表明，纖維加筋技術是一種十分可靠、實用的土體加固方法。玄武巖纖維具有力學性能好，強度高的特點，且生產成本相對較低，是一種新型人工合成纖維[21]。目前，我國玄武巖的開采量豐富，玄武巖纖維易于加工獲得，具備廣泛應用于實際工程的潛質，值得進行進一步的試驗研究。另一方面，我國海洋資源豐富，海上空間的利用需求日益提升，但海洋構筑物受波浪荷載和海浪侵蝕作用的影響極易出現地基失穩問題，海洋環境下砂土液化后造成的破壞難以修復，因此海上工程建設的穩定性問題引起了眾多學者的重視。玄武巖纖維具有耐腐蝕的特性，非常適合應用于海洋工程中，并且相對于以往的化學加固法而言，該方法對環境的影響較小。然而目前關于使用玄武巖纖維加筋砂土在波浪等循環荷載作用下抗液化性能的研究還比較少?；诖?，本文通過一系列室內試驗，研究了玄武巖纖維對砂土抗液化性能的影響，可為玄武巖纖維加筋砂土在實際工程中的應用提供理論依據。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料及設備

試驗采用北京工業大學空心圓柱循環扭剪儀，進行了一系列各向均等固結條件下的循環扭剪試驗，研究純剪應力作用下玄武巖纖維摻量對砂土抗液化特征的變化規律、剪脹剪縮變形機制等的影響。試樣尺寸為外徑D=100 mm，內徑d=60 mm高度H=150 mm[22]，采用相對密實度Dr=50%的福建標準砂和細砂，顆粒級配曲線如圖1所示。

圖1 試驗用砂的顆粒級配曲線

1.2 試樣制備

本試驗采用分層干裝法制樣，砂土骨架相對密度Dr=50%。玄武巖纖維含量為Fc=0%、0.5%、1%和1.5%。首先根據設計的相對密度稱取砂土，再按照質量比計算出不同纖維含量下的纖維質量，并將玄武巖纖維與砂土進行充分混合，其中纖維含量（Fc）為纖維質量與純砂質量之比，試驗統一選取長度6 mm的玄武巖纖維。

1.3 試驗步驟

裝樣完成后依次通CO2、無氣水，并施加反壓進行試樣的飽和，測得試樣飽和度均在98%以上。本文共開展了40組均等固結不排水條件下的循環扭剪試驗，主要試驗工況及方案詳見表1，考慮到波浪荷載的作用頻率，本試驗荷載作用頻率為f=0.1 Hz和f=0.5 Hz。加筋材料采用玄武巖纖維，該纖維是一種價格低廉、極易獲取的高性能合成纖維，通過玄武巖加工制得，制作過程綠色環保、無污染，纖維的物理和力學特性見表2。

表1 砂土的物理性質指標及實驗方案

表2 纖維的物理和力學特性

2 試驗結果及分析

2.1 纖維加筋砂土的抗液化特征及變形機制分析

2.1.1 纖維加筋含量對砂土液化特征及變形機制的影響

圖2給出了荷載作用頻率f=0.1 Hz時，砂土相對密實度為Dr=50%、有效圍壓p′=100 kPa、玄武巖纖維絲含量分別為Fc=0%、0.5%、1%和1.5%的福建標準砂在荷載作用幅值σd=20 kPa下的超靜孔隙水壓力時程曲線、應力—應變曲線和有效應力路徑實測情況。由圖2可知，不同玄武巖纖維含量試樣的超靜孔隙水壓力增長模式、應力—應變關系，以及有效應力路徑等呈現相同的模式，均表現了顯著的剪脹剪縮特性，砂土在達到液化狀態后超靜孔隙水壓力波動較大，有效應力路徑呈現出蝴蝶翼型特征，液化后試樣變形仍在發展，說明玄武巖纖維含量對砂土變形機制不產生顯著影響。

圖2 福建標準砂超靜孔隙水壓力時程曲線，應力—應變曲線和有效應力路徑（σd=20 kPa）

圖3給出了荷載作用頻率f=0.1 Hz時，砂土相對密實度為Dr=50%、有效圍壓p′=200 kPa、玄武巖纖維絲含量分別為Fc=0%、0.5%、1%和1.5%的福建標準砂在荷載作用幅值σd=20 kPa下的超靜孔隙水壓力時程曲線、應力—應變曲線和有效應力路徑實測情況。由圖3可知，在0.1 Hz循環荷載作用下，玄武巖纖維含量對不同有效圍壓的砂土試樣的變形機制幾乎沒有影響，纖維加筋砂土與純砂均表現出了相同的超靜孔隙水壓力增長模式，但不同玄武巖纖維含量的加筋砂土在有效圍壓p′=200 kPa的條件下，試樣顆粒排布更為緊密，顆粒間相互作用更為突出，液化變形出現較晚。液化后出現相同的剪脹特性，有效應力路徑呈現出蝴蝶翼型特征，與有效圍壓p′=100 kPa時相同。

圖3 不同有效圍壓下玄武巖纖維加筋砂土的液化特性曲線（σd=20 kPa）

2.1.2 荷載作用頻率對纖維加筋砂土液化特征及變形機制的影響

圖4給出了荷載作用頻率f=0.5 Hz時，砂土相對密實度為Dr=50%、有效圍壓p′=100 kPa、玄武巖纖維絲含量分別為Fc=0%、0.5%、1%和1.5%的福建標準砂在荷載作用幅值σd=20 kPa下的超靜孔隙水壓力時程曲線、應力—應變曲線和有效應力路徑實測情況。

由圖4可知，該荷載作用頻率下，纖維加筋砂土的液化模式與f=0.1 Hz循環荷載作用下不同，在達到初始液化后，呈現逐漸縮小的“蝴蝶翼型”有效應力路徑，最終穩定在一定范圍內規律變化。添加玄武巖纖維后，纖維含量的變化對福建標準砂液化模式并無顯著影響。

圖4 不同循環荷載頻率下玄武巖纖維加筋砂土的液化特性曲線（σd=20 kPa）

2.2 纖維加筋砂土的動強度曲線分析

本文以砂土超靜孔隙水壓力達到有效圍壓作為破壞標準，探討砂土的動強度規律。得到破壞時振次Nf與作用動應力σd間的關系，表示為σd/σ3c～lgNf曲線，圖中CSR表示砂土試樣的動強度。圖5給出了砂土相對密實度為Dr=50%、玄武巖纖維絲含量分別為Fc=0%、0.5%、1%和1.5%的福建標準砂的動強度曲線發展規律。由圖5可知，纖維加固砂的動強度總體大于純砂，砂土試樣的動強度隨著纖維含量的增加而提高，但這種相關性存在一定閾值，當玄武巖纖維含量Fc＞1%時，隨著纖維含量的增加，砂土試樣的動強度出現了減小的趨勢，當有效圍壓為100 kPa、破壞振次為20次時，相較于純砂，0.5%摻量的纖維增強砂土動強度提高了38%，1%摻量的纖維增強砂土較純砂提高了66.7%，當玄武巖纖維摻量提高到1.5%時，其相對于福建標準砂的動強度僅提高了11%。試驗結果表明，玄武巖纖維加筋砂土的最優摻量在Fc=1%附近。

圖5 不同玄武巖纖維含量下福建標準砂的動強度曲線

本文認為玄武巖纖維加筋砂土的動強度提升是由于纖維具有較強的抗拉特性，砂土試樣受力后，纖維繃緊，在砂土顆粒間形成了約束，隨機分布的纖維在試樣中形成立體網狀結構，提高了土體的強度。在一定纖維含量內（Fc=0%～1%），纖維占據了砂土顆粒之間的孔隙，試樣在受力變形時砂土顆粒與纖維之間的作用效果充分體現，玄武巖纖維與砂土顆粒間的摩擦力作用形成的相互約束，使得一個循環周期內的砂土位移變小，隨著液化進程不斷深入，砂粒與纖維重新排列，二者接觸面積增加，纖維再次繃緊，纖維的結構作用充分體現。當玄武巖纖維摻量超過1%時，玄武巖纖維與砂土顆粒間的作用效果減弱，纖維聚集成團后對砂土的約束效果減弱，結構整體性下降。因此，纖維含量的進一步提升不再對砂土動強度具有顯著的提升效果，但是玄武巖纖維加筋砂土的動強度仍然大于未加筋砂土。

圖6給出了砂土相對密實度為Dr=50%、玄武巖纖維絲含量分別為Fc=0%、0.5%、1%和1.5%的細砂的動強度曲線發展規律。由圖6可知，纖維加筋細砂的動強度總體依然大于純砂，這說明玄武巖纖維也能增強細砂的動強度，提升砂土的抗液化性能。細砂試樣中玄武巖纖維含量與砂土的動強度影響與標準砂的規律相同，針對細砂試樣進行玄武巖纖維加固時，纖維含量同樣存在一定閾值，最優含量為Fc=1%左右。此外，對比福建標準砂和細砂在不同玄武巖纖維含量下的動強度曲線可以看出，玄武巖纖維對福建標準砂的增強效果更為明顯，纖維加固后的標準砂動強度更高，抗液化性能更強。

圖6 不同玄武巖纖維含量下細砂的動強度曲線

2.3 玄武巖纖維加筋砂土的相轉換線和臨界狀態線分析

圖7（a）和圖7（b）分別是相對密實度為Dr=50%、玄武巖纖維摻量Fc=0%、0.5%、1%和1.5%下福建標準砂試樣的相變應力比與臨界狀態應力比隨纖維含量的變化關系曲線，從圖中可以看出，同一相對密實度下，不同纖維含量的加筋砂土相變應力比相對恒定，幾乎不受玄武巖纖維摻入的影響，但隨著玄武巖纖維含量的提升，臨界狀態應力比先增加后減小，在一定范圍內（Fc=0%～1%），玄武巖纖維含量越大，臨界狀態應力比越大，超過一定閾值時（Fc＞1%）臨界狀態應力比減小。說明玄武巖纖維的摻入會影響砂土的臨界狀態，纖維含量在Fc=1%附近時，臨界狀態應力比達到最大值，此時土體的強度最高。

圖7 不同纖維含量下福建標準砂的相變應力比與臨界狀態應力比（σd=20 kPa）

3 結論

本文重點研究了福建標準砂、細砂在不同玄武巖纖維含量下的抗液化特征，通過分析玄武巖纖維對砂土的超靜孔隙水壓力、應力—應變關系及有效應力路徑的影響規律及其作用機理，得到如下研究結論。

（1）纖維加筋技術不會影響砂土的抗液化特征，在荷載作用頻率為f=0.1 Hz時，不同玄武巖纖維含量砂土的超靜孔隙水壓力、應力—應變關系和有效應力路徑等呈現相同的模式，均呈現出了硬化型的液化模式。在荷載作用頻率為f=0.5 Hz時，纖維加筋砂土達到初始液化后，超靜孔隙水壓力波動變小，表現出與0.1 Hz循環荷載作用下顯著不同，呈現形態不同的硬化型的液化模式。

（2）纖維的摻入可以顯著提升飽和砂土的動強度，但存在纖維的最優摻量在Fc=1%左右。當纖維摻量Fc＜1%時，纖維含量越高，纖維加筋砂土的動強度越高，抗液化性能越強；當纖維摻量Fc＞1%時，纖維的增強效果會降低，且加固后砂土的抗液化強度普遍優于未加筋砂土。細砂的抗液化強度也受纖維加筋作用影響，符合上述規律。

（3）玄武巖纖維加筋砂土的相變應力比幾乎不受玄武巖纖維加筋效果的影響，該特征值只與砂土的骨架密實度有關；臨界狀態應力比變化隨著纖維含量的增加而增加，且同樣具有一定閾值，當纖維含量大于1%時，臨界狀態應力比隨纖維含量的增加而減小。試樣砂土的臨界狀態應力比變化規律與動強度變化規律相似，最優摻量為Fc=1%左右。