棕櫚纖維加筋粉質黏土力學性能試驗研究*

吳靖江，潘世起，陳小羊，張 鵬，沈笑秋，鄭元勛

(1.中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450004； 2.鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引言

自Henri Vidal于1969年發現土體內部摻加加筋材料可提高土體抗剪強度后，加筋土技術在世界范圍內引起廣泛討論和關注，起初的加筋材料多為土工膜和土工布等土工合成材料，直至20世紀80年代，纖維才被用作加筋材料引入加筋土技術中[1]。

目前，已有學者對纖維加筋土進行了研究，如高磊等[2]通過三軸固結不排水試驗研究了玄武巖纖維對土體抗剪強度的影響，并給出了使抗剪強度提升效果最優的纖維摻量；Botero等[3]在粉土中摻加再生滌綸樹脂纖維，并進行不固結不排水試驗，結果表明再生滌綸樹脂纖維可有效改善加筋土抗變形能力；安寧等[4]以聚丙烯纖維作為加筋材料，研究了加筋后黃土抗剪強度和抗崩解性。此外，部分學者研究了聚乙烯纖維[5]、聚酯纖維[6-7]、玻璃纖維[7-10]及碳纖維[11]等對土體的加筋效果，結果表明摻加纖維材料可提高土體抗剪性能、抗壓性能、抗拉性能、脹縮性能和承載力等。植物纖維多由植物廢料經簡單加工制成，材料成本較低，其中黃麻纖維、秸稈纖維等應用較多。Wang等[12]將黃麻纖維作為加筋材料，通過室內三軸試驗，探討了不同加筋條件下加筋土性能變化；武立林等[13]研究了劍麻纖維對砂土和黏土的加筋效果，結果表明劍麻纖維可提高土體性能；彭麗云等[14]研究了玉米秸稈對粉土的加筋效果。

綜上所述，合成纖維和植物纖維均可對土體起較好的加筋效果。但目前對植物纖維加筋材料的研究相對較少，對于臨時加固工程而言，如基坑開挖時的臨時性地基處理、隧道施工期開挖面周圍土體的臨時加固等，由于植物纖維具有可降解性，無須考慮加固材料長期存在對環境的影響，且由于粉質黏土具有多孔隙性、水敏感性強等特點，顆粒間水分不易揮發，使土顆粒之間的結構性連接減弱，導致土體承載力下降，易造成工程安全問題。

基于此，本文采用棕櫚纖維作為粉質黏土加筋材料，通過開展三軸固結不排水試驗，研究棕櫚纖維對粉質黏土的加筋作用，并結合掃描電子顯微鏡(SEM)，從微觀角度解釋棕櫚纖維加筋機理。

1 試驗概況

1.1 原材料

試驗用土最大干密度為1.86g/cm3，最優含水率為14.0%，粒徑≥0.075mm的土粒含量為18.54%，粒徑<0.075mm的土粒含量為81.46%，液限為27.5%，塑限為17.1%，塑性指數為10.4。

棕櫚纖維類型為束狀單絲，截面為圓形，直徑為0.3～0.5mm，抗拉強度為89～222MPa，楊氏模量為0.44～1.99GPa。

1.2 試驗方案

采用TSZ-3型應變控制式三軸儀開展固結不排水試驗。為研究相同圍壓下纖維摻量、長度對加筋效果的影響，本試驗設計5種纖維摻量(0.1%，0.3%，0.5%，0.7%，0.9%)和4種纖維長度(5，10，15，20mm)。設置素土組進行對照，為獲取應力包絡線，每種試驗工況下設置4種圍壓(100，200，300，400kPa)。試驗剪切速率為0.08mm/min，以應力-應變曲線峰值應力作為破壞點應力，若無峰值，則選用15%應變處的應力作為破壞點應力。

1.3 試件制備

根據JTG 3430—2020《公路土工試驗規程》中擾動土制樣方法制備試件。將纖維材料切成所需長度后與土樣干拌均勻，加水拌合至土樣最優含水率，密封保存24h后進行試件制備，拌合過程中對于出現的纖維纏繞成團現象，進行人工分散，確保纖維在拌合物中的均勻性。

采用直徑39.1mm、高80mm的三瓣模，分5層加料、擊實，進一步確保纖維分布的均勻性，上下層間刮毛，以保證咬合緊密，擊實時確保擊實錘每次下落高度一致，使試件每層密實度相同，擊實度控制在90%。試件制備完成后，采用真空抽氣飽和方式，使試件飽和。

2 試驗結果與分析

2.1 試件破壞形態

試件破壞時表現為中間大、兩端小的鼓脹狀態(見圖1)，且由兩端向中間均勻過渡，這是因為剪切過程中三軸儀與試件兩端的摩擦力對土體兩端變形起一定限制作用。試件未出現明顯的裂縫和破壞面，外形整體較勻稱，發生塑性變形。

圖1 試件破壞形態

由經處理后試件中心至上部的外輪廓線可知，加筋土試件橫向變形較素土小，這說明在受到外力作用時，土體內部土顆粒之間發生滑動，從而使纖維材料與土顆粒之間產生摩擦力，限制了土顆粒的橫向位移，起到約束土體變形、提高土體強度的作用。

2.2 應力-應變曲線

以摻加10mm長棕櫚纖維加筋土試件為例，不同圍壓下應力-應變曲線如圖2所示。由圖2可知，各圍壓下試件應力-應變曲線變化趨勢基本相同，為較弱的應力強化型曲線；隨著應變的發展，偏應力達一定數值后，其增長速度明顯減緩，且逐漸趨于穩定，取15%應變處對應的應力作為峰值應力，可看出峰值應力隨著圍壓的增加而增大；不同圍壓下的加筋土試件應力-應變曲線基本在素土之上，表明棕櫚纖維的摻加可提高土體強度。

圖2 摻加10mm長棕櫚纖維加筋土試件應力-應變曲線

摻加5，15，20mm長棕櫚纖維加筋土試件應力-應變曲線變化規律與摻加10mm長棕櫚纖維加筋土試件相似，不再贅述。

2.3 纖維摻量的影響

由試驗結果可知，棕櫚纖維的摻加可提升土體性能，且提升效果與纖維摻量有關。以偏應力峰值和抗剪強度指標作為對比依據，研究纖維摻量對土體性能的影響。

1)偏應力峰值

為更好地分析棕櫚纖維摻加后對土體偏應力峰值的影響，引入加筋效果系數Rσ[15]：

(1)

不同纖維長度下加筋效果系數隨纖維摻量的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，偏應力峰值隨著纖維摻量的增加基本表現為先增大后減小的趨勢；以纖維長度為10mm、圍壓為200kPa的加筋土試件為例，當纖維摻量由0.1%增至0.7%時，加筋效果系數由1.13升至1.25，當纖維摻量進一步增至0.9%時，加筋效果系數下降至1.14。

圖3 加筋效果系數隨纖維摻量的變化曲線

2)抗剪強度指標

根據試驗得到的偏應力峰值，可繪制棕櫚纖維加筋土試件在各圍壓下的Mohr-Coulomb應力圓及其強度包絡線，從而得到相應的抗剪強度指標，如圖4所示。

圖4 抗剪強度指標隨纖維摻量的變化曲線

由圖4可知，棕櫚纖維加筋土試件黏聚力較素土試件有所提高；隨著纖維摻量的增大，加筋土試件黏聚力整體表現為先增大后減小的趨勢；當纖維長度為5，10，15，20mm時，纖維摻量為0.7%時的加筋效果最優，黏聚力分別提高了24%，31%，22%，10%；纖維摻量對土體內摩擦角的影響較小，內摩擦角變化幅度在2°以內。

3)纖維摻量影響機制

由試驗結果可知，棕櫚纖維的摻加可提高土體偏應力峰值和黏聚力，且隨著纖維摻量的增加，偏應力峰值和黏聚力基本表現為先增大后減小的趨勢，這表明對于棕櫚纖維加筋土力學性能提升而言，纖維摻量存在最優值。

在纖維長度一定的情況下，摻入土體的纖維會隨機分布在土顆粒骨架之間，由于土顆粒對纖維具有包裹作用，使纖維與土顆粒之間產生黏結和摩擦作用，這種作用的強弱主要取決于纖維與土顆粒的有效接觸面積。

當纖維摻量較低時，纖維與土顆粒的有效接觸面積較小，纖維對土體性能的提升作用不明顯。隨著纖維摻量的增加，纖維與土顆粒的接觸面積增大，黏結力與摩擦力增大，纖維之間相互搭接交織成網的概率增大，纖維網受剪時產生的拉筋作用使土體性能得到進一步提升。當纖維摻量超過最優摻量時，此時由于纖維過多，導致其無法均勻分散在土體內部，且纖維之間互相纏繞成團的概率增大，無法形成有效的纖維網而限制土顆粒在外荷載作用下的位移，導致土體強度降低。纖維纏繞而成的纖維團會在土體內部形成不利界面，當受外荷載作用時，在不利界面處可能產生滑移、塌陷等，也會導致土體偏應力降低。

試驗結果表明，使土體性能提升效果最優的纖維摻量為0.7%。

2.4 纖維長度的影響

纖維長度對試驗結果有一定影響，為此，通過對比偏應力峰值和抗剪強度變化，研究纖維長度對土體性能提升的影響。

1)偏應力峰值

同樣引入加筋效果系數Rσ對偏應力峰值進行對比分析，結果如圖5所示。

圖5 加筋效果系數隨纖維長度的變化曲線

由圖5可知，偏應力峰值隨纖維長度的增加基本表現為先增大后減小的趨勢，以0.7%纖維摻量、200kPa圍壓下的加筋土試件為例，當纖維長度由5mm增至10mm時，加筋效果系數由1.16升至1.25，偏應力峰值隨著纖維長度的增加而增大；隨著纖維長度的繼續增加，加筋效果系數逐漸降至1.12，偏應力峰值逐漸減小。短纖維的加筋效果隨著纖維摻量的增加而增強。

2)抗剪強度指標

纖維長度對抗剪強度指標的影響如圖6所示。由圖6可知，當纖維摻量一定時，棕櫚纖維加筋土試件黏聚力隨著纖維長度的增加總體表現為先增大后減小的趨勢，但整體均大于素土試件；當纖維摻量為0.1%，0.3%，0.5%，0.7%，0.9%時，纖維長度為10mm時的加筋效果最優，試件黏聚力分別提高了10%，14%，26%，31%，7%；纖維長度對內摩擦角的影響較小。

圖6 抗剪強度指標隨纖維長度的變化曲線

3)纖維長度影響機制

對于纖維長度而言，同樣存在最優值。在一定纖維摻量下，當纖維過短時，由于纖維之間難以形成網狀結構，纖維對土體性能的提升基本依靠纖維表面與土顆粒之間的摩擦力，而由于纖維過短，其與土顆粒的接觸面積有限，因此對土體性能的提升作用有限。由于纖維自身較柔軟，纖維過長時易凝聚成團，且不會因纖維長度的增加而增大其與土顆粒的接觸面積。另外，當纖維以團狀聚合體出現時，同樣無法形成有效的纖維網，因此纖維過短、過長均不利于加筋土性能提升。

當纖維摻量較低時，短纖維(長5mm)加筋效果較差，但隨著纖維摻量的增加，其加筋效果逐漸提升，甚至超過長纖維(長20mm)的加筋效果。這是因為隨著纖維摻量的增加，短纖維形成的有效纖維網雖有限，但短纖維與土顆粒之間的有效接觸面積不斷增大，彌補了纖維過短的缺陷，使纖維與土顆粒之間的摩擦力不斷增大，從而使土體抗剪強度不斷增大。

由研究結果可知，使土體性能提升效果最優的纖維長度為10mm。

2.5 微觀分析

SEM下棕櫚纖維表面特征如圖7所示。由圖7可知，與合成纖維[16]表面不同，棕櫚纖維表面存在大量孔室及凹槽，可使土顆粒更易嵌入纖維表面，增強土體與纖維之間的黏結和摩擦作用，從而使植物纖維作為土體加筋材料在理論上具有更好的可靠性。

圖7 棕櫚纖維表面特征

當纖維摻量較低時，纖維對土體的加筋作用主要依靠自身與土顆粒之間的一維黏結和摩擦作用。當纖維摻量為0.1%時，視野范圍內的纖維材料較少，且被周圍的土體緊緊包圍，如圖8a所示。當受外荷載作用時，由于纖維和土體的彈性模量不同，土體變形會使纖維和土顆粒之間形成相對運動，需通過摩擦力抵抗相對運動趨勢，從而對土體抗剪強度等起一定提升作用，這種作用的強弱主要取決于纖維與土顆粒的有效接觸面積。

圖8 綜櫚纖維增強粉質黏土作用機理

隨著纖維摻量的增加，視野范圍內的纖維材料雖逐漸增多，但纖維之間的離散程度較高，因此少有纖維相互搭接現象，如圖8b所示。由于纖維摻量的增加，纖維與土顆粒的有效接觸面積增大，從而使纖維的黏結和摩擦作用增大，可進一步提升土體性能。

當纖維摻量進一步提高時，纖維在土體內隨機分布，使纖維之間相互搭接，形成三維網狀結構，如圖9所示。當有外荷載作用時，纖維產生的相對運動趨勢會被相互搭接的纖維阻攔，進而將纖維與土顆粒之間的摩擦力分散至周圍纖維上，提高其受力上限。此外，由于纖維摻量的增加，纖維與土顆粒的有效接觸面積進一步增大，使纖維一維作用能力增強。同時網狀結構的形成會增強其對土顆粒位移的限制作用，提升加筋土抗變形能力。

圖9 棕櫚纖維局部抱團

當纖維摻量繼續增大時，此時由于纖維摻量過高，在土體內部難以分散均勻，會出現局部抱團現象，反而不利于土體性能的提升。

3 結語

通過開展室內三軸固結不排水試驗，研究了不同纖維摻量和長度下的棕櫚纖維加筋土三軸剪切特性，主要得出以下結論。

1)棕櫚纖維加筋粉質黏土后，其應力-應變曲線為較弱的應力強化型曲線，偏應力峰值及黏聚力均較素土有所提升，且在低圍壓作用下提升現象更明顯。

2)加筋土偏應力峰值及黏聚力隨著棕櫚纖維摻量的增加基本表現為先增大后減小的趨勢，當纖維摻量為0.7%時，纖維加筋效果最優。相比之下，纖維摻量對內摩擦角的影響較小。

3)棕櫚纖維長度對土體性能提升具有一定影響。加筋土偏應力峰值及黏聚力隨著纖維長度的增加基本表現為先增大后減小的趨勢，當纖維長度為10mm時，纖維加筋效果最優。相比之下，纖維長度對內摩擦角的影響較小。

4)通過對棕櫚纖維及加筋土的SEM微觀分析，進一步闡述了棕櫚纖維作為土體加筋材料的可行性，同時從微觀角度解釋了棕櫚纖維對土體一維、三維加筋作用機理。

5)在本試驗范圍內，使粉質黏土加筋效果最優的棕櫚纖維摻量為0.7%，長度為10mm。