纖維長度與摻量對加筋水泥土直剪特性的影響研究*

黃毫春，昌 鄭，吳春鵬，姚嘉敏，熊 勃，劉飛禹

(1.中國建筑第五工程局有限公司，廣東 珠海 519000； 2.上海大學土木工程系，上海 200072；3.廣東華固工程有限公司，廣東 廣州 510010)

0 引言

軟土在珠海地區大面積分布，具有含水率高、壓縮性高、孔隙比高、靈敏度高、滲透系數低、承載力低等特點[1-2]，其處置方法是工程建設關注的重點問題之一[3]。目前，水泥土被廣泛地應用于軟土地基處理中，可有效減小地基沉降，提高土體強度[4-5]。多位學者對水泥土靜力特性進行了研究，如劉鑫等[6]通過三軸試驗研究了水泥砂漿固化土剪切強度特性，結果表明，摻砂量和水泥摻入比的增加能夠大幅度改善固化土的力學性能；Yao等[7]通過無側限壓縮試驗研究了水泥含量、總含水量和養護齡期對水泥土無側限抗壓強度的影響，并提出了考慮水泥土配合比和養護齡期的強度預測模型。同時，隨著水泥土在工程中的應用越來越廣泛，有關動力作用下水泥土力學特性的研究日益增多，如李普等[8]采用動單剪試驗，研究了水泥摻入比和循環應力比對水泥土動強度、動變形及軟化特性的影響，并建立了水泥土軟化指數模型；馬冬冬等[9]通過一系列試驗，研究了地聚合物水泥土在不同偏高嶺土摻量和養護時間下內部孔隙和動態抗壓強度的變化規律。

然而，水泥土復合地基抗拉強度低，易發生脆性破壞，而纖維作為高分子材料，具有較高的抗拉強度，向水泥土中加入纖維能夠提高其力學性能[10]。目前已有多位國內外學者開展了有關纖維加筋水泥土強度及變形特性的研究，如Liu等[11]進行了無側限抗壓和抗拉試驗，發現纖維在聚合物穩定砂破壞過程中表現為拉伸和斷裂，而非在土壤中滑動；牛雷等[12]研究了水泥土無側限抗壓強度受纖維摻量和纖維長度的影響，結果表明，纖維分布密度與均勻性對強度的影響較大；王閔閔等[13]通過動三軸試驗，研究了不同纖維種類和纖維摻量下水泥土動強度、動彈性模量變化規律；Lv等[14]研究發現，纖維彈性模量較低和質地較軟是造成集束的主要原因，同時纖維集束的存在會導致薄弱區域的形成，使土體強度降低；馬芹永等[15]認為纖維摻量對水泥土吸收能、分形維數有較大影響，合適的纖維摻量能夠提高水泥土動態力學性能。

目前，國內外學者對纖維加筋水泥土的研究主要集中在抗壓強度和抗拉強度方面[16]，綜合考慮纖維摻量及長度對水泥土剪切特性的影響研究較少。本文以廣東省珠海市橫琴新區常見淤泥為研究對象，以聚丙烯纖維和水泥為加固材料，通過直剪試驗，研究不同纖維摻量及纖維長度對水泥土直剪特性的影響，以期為纖維加筋水泥土在珠海地區的應用與推廣提供參考。

1 試驗材料

本試驗采用的土樣取自珠海市橫琴新區某基坑，取土深度約為10m。所取土樣為淤泥，呈流塑狀，局部夾砂質，天然含水率為57.1%，天然密度為1.61g/cm3，相對密度為2.64，孔隙比為1.58，液限為47.41%，塑限為26.39%，壓縮模量為1.20MPa，有機質含量為4.80%。本試驗采用的纖維為聚丙烯纖維，束狀單絲，形態如圖1所示，長度分別為3，6，9，12mm，直徑為0.018～0.048mm，密度為0.91g/cm3，纖維抗拉強度≥486MPa，彈性模量≥4 800MPa，無吸水性，抗酸堿性極強，分散性極好。水泥采用P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥。

2 試驗設備及方案

本次纖維加筋水泥土直剪試驗采用HM-5760型氣動直剪儀完成。參照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[17]，將試驗剪切速率設定為1mm/min，剪切位移設定為6mm。剪切力、位移等相關試驗數據由與HM-5760型氣動直剪儀相匹配的自動采集系統讀取、記錄并生成報告。每組試驗測試3個試樣，試驗結果應舍去異常數據，取正常試驗結果平均值。

本試驗采用控制變量法，考慮纖維摻量、纖維長度和豎向應力對纖維加筋水泥土剪切特性的影響。纖維摻量分別為0，0.4%，0.8%，纖維長度分別為3，6，9，12mm，豎向應力分別為100，200，300kPa。直剪試驗共分為27組，每組3個試樣。纖維加筋水泥土試樣配合比參照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設計規程》[18]執行，試驗控制水灰比為1.25，水泥摻入比為25%。

3 試樣制備

試驗模具直徑為50mm，高度為20mm，試樣成型前向模具內壁均勻涂抹白凡士林，分別稱取相應質量的風干土、水泥、水和纖維，再向混合料中加水攪拌均勻。將拌合物分2次裝入模具中，每次裝料高度相等，并通過振搗棒按螺旋方向從邊緣向中心均勻插搗15次，然后將試模固定在振動臺上振動2min，將頂部多余的水泥土刮除、抹平后覆蓋塑料薄膜，防止水分蒸發，靜置48h后拆模，拆模后的試樣在室溫水中養護28d。

4 試驗結果與分析

4.1 纖維摻量對水泥土剪切特性的影響

1)剪切應力-剪切位移關系

本文將剪切應力-剪切位移關系曲線中的峰值剪切應力定義為抗剪強度，纖維長度為9mm時水泥土剪切應力-剪切位移關系曲線如圖2所示。由圖2可知，在纖維長度不變的情況下，水泥土抗剪強度隨著纖維摻量的增大而增大，素水泥土(未摻纖維)剪切應力在剪切初期快速增大，達峰值后剪切應力快速減小，這表明素水泥土在剪切過程中的破壞模式為脆性破壞。纖維加筋水泥土(纖維摻量為0.4%，0.8%)剪切應力在剪切初期的增長速率較素水泥土快，達峰值后有較小幅度的回落，表現為塑性破壞，可知纖維加筋水泥土地基力學特性優于素水泥土地基，在破壞前能夠產生預兆，危險性較小。

在纖維摻量不同的情況下，水泥土達峰值剪切應力所需的剪切位移不同，隨著纖維摻量的增大，水泥土破壞時所需的剪切位移增大，當未摻纖維時，水泥土在剪切位移約為3.06mm(約為剪切面長度的51%)的情況下發生剪切破壞；當纖維摻量為0.4%時，水泥土在剪切位移約為3.30mm(約為剪切面長度的55%)的情況下發生剪切破壞；當纖維摻量為0.8%時，水泥土達峰值剪切應力所需的剪切位移約為4.11mm(約為剪切面長度的68.5%)。這可能是因為纖維具有較好的抗拉性能，在水泥土受外界動荷載影響的情況下，能夠抑制土體內部裂縫的發展，宏觀表現為纖維加筋水泥土達峰值剪切應力的剪切位移較素水泥土大。

2)抗剪強度增強系數

為更加直觀地反映聚丙烯纖維對水泥土抗剪強度的增強作用，引入抗剪強度增強系數α，表達式為：

(1)

式中：τPF為纖維加筋水泥土破壞剪切應力；τP為素水泥土破壞剪切應力。

纖維加筋水泥土抗剪強度增強系數隨纖維摻量與豎向應力的變化如圖3所示。由圖3可知，各纖維摻量下，水泥土抗剪強度增強系數均>1.0，且隨著纖維摻量的增加，不同豎向應力下抗剪強度增強系數呈增大趨勢，纖維摻量越大，加筋效果越明顯。

不同豎向應力下，纖維摻量為0.4%，0.8%時的水泥土平均抗剪強度較素水泥土分別提高了1.293，1.509倍，這是因為纖維在水泥土內部形成了網狀結構，使土體內部結構更緊密，在外力作用下可抑制裂縫的發展，最終表現為纖維加筋水泥土抗剪強度的提高。

為更好地反映纖維摻量(纖維長度)增加時水泥土抗剪強度變化規律，引入相對增長率Ka，表達式為：

(2)

水泥土纖維摻量為0.4%，0.8%時的相對增長率分別為29.30%，16.71%。相對增長率越大，表明隨著纖維摻量(纖維長度)的增加，纖維在水泥土中發揮的加筋效果越好。當水泥土纖維摻量為0.4%時，抗剪強度較素水泥土提高了29.30%；當水泥土纖維摻量由0.4%增至0.8%時，抗剪強度僅提高了16.71%。由此可知，水泥土抗剪強度不會隨著纖維摻量的增加持續增長，增長趨勢會逐漸變緩。

4.2 纖維長度對水泥土剪切特性的影響

1)剪切應力-剪切位移關系

纖維摻量為0.8%時水泥土剪切應力-剪切位移關系曲線如圖4所示。由圖4可知，在纖維摻量相同的情況下，水泥土抗剪強度隨著纖維長度的增加基本呈先增大后減小的趨勢，這表明存在最佳纖維長度。在豎向應力為300kPa的情況下，纖維長度為3，6，9，12mm時對應的峰值剪切應力分別為630.24，703.28，777.99，740.99kPa。由于纖維加筋水泥土抗剪強度受纖維與土體之間黏結作用和摩擦作用的影響，當纖維長度較小時，在外力作用下纖維與土體之間易發生滑動；當纖維長度較大時，同等拌合情況下長纖維更易出現分布不均、彎折、聚集等現象，纖維的加筋作用無法充分發揮，最終使水泥土抗剪強度降低。

在豎向應力為100kPa的情況下，纖維長度為3，6，9，12mm時對應的峰值剪切應力分別為338.08，378.68，422.57，403.55kPa，殘余剪切應力分別為298.73，345.94，399.43，374.05kPa。通過對比4種纖維長度下殘余剪切應力與峰值剪切應力的比值可知，纖維長度為9mm時的水泥土延性最好，這表明在實際工程中應用纖維加筋水泥土時，需提前進行相關試驗，找到符合具體工程的最佳纖維長度，然后進行大規模工程施工。

2)抗剪強度增強系數

纖維加筋水泥土抗剪強度增強系數隨纖維長度與豎向應力的變化如圖5所示。由圖5可知，隨著纖維長度的增加，各豎向應力下水泥土抗剪強度增強系數呈先增大后減小的趨勢，這表明并不是纖維越長加筋效果越好，而是存在最優纖維長度。各纖維長度下，抗剪強度增強系數均>1，這表明纖維加筋水泥土抗剪性能優于素水泥土。

不同豎向應力下，纖維長度為3，6，9，12mm的水泥土平均抗剪強度較素水泥土分別提高了1.216，1.359，1.509，1.441倍。當豎向應力由100kPa增至300kPa時，相同纖維長度下水泥土抗剪強度增強系數增大，這說明聚丙烯纖維加筋作用在較高的豎向應力下更易發揮。結合工程經驗，可知纖維加筋水泥土可較好地應用于軟土深大基坑工程中，能夠有效提高軟土地基承載力。

纖維長度為3，6，9mm時的相對增長率分別為21.59%，11.77%，11.06%，此時水泥土抗剪強度隨著纖維長度的增加而提高，但提高幅度逐漸減小。當纖維長度為12mm時，相對增長率為-4.51%，可知纖維長度在9～12mm之間存在最優值，使纖維能夠在水泥土中發揮最佳的加筋效果。

4.3 水泥土體變特性

纖維長度為9mm時，水泥土最終剪切位移如圖6所示，水泥土體變以膨脹為正，壓縮為負。由圖6可知，在豎向應力為100，200kPa的情況下，水泥土最終剪切位移均為正值；在豎向應力為300kPa的情況下，水泥土最終剪切位移均為負值。這說明隨著豎向應力的增大，水泥土體變表現出壓縮趨勢。同時，在豎向應力分別為100，200，300kPa的情況下，纖維摻量為0.8%的水泥土最終剪切位移較素水泥土分別增長了0.247，0.180，0.168mm，可知纖維的加入會使水泥土體變表現出膨脹趨勢。

纖維摻量為0.8%時，水泥土最終剪切位移如圖7所示。由圖7可知，水泥土最終剪切位移隨著纖維長度的增大先增大后減小，在豎向應力分別為100，200，300kPa的情況下，纖維長度為9mm的水泥土最終剪切位移較長度為3mm時分別增大了0.189，0.130，0.111mm，纖維長度為12mm的水泥土最終剪切位移較長度為9mm時分別減小了0.107，0.068，0.018mm。同時，纖維長度增長初期對水泥土體變影響較大，在豎向應力分別為100，200，300kPa的情況下，纖維長度由3mm增至6mm時的最終剪切位移增長量分別占總增長量的56.08%，57.59%，81.98%。

4.4 水泥土抗剪強度

1)抗剪強度包絡線

水泥土抗剪強度包絡線如圖8所示。通過莫爾-庫侖準則τ=c+σtanφ對水泥土抗剪強度進行描述，其中c為黏聚力，φ為內摩擦角，τ為剪切應力，σ為豎向應力。在單調直剪的情況下，每組試驗的相關系數R2均>0.99，說明豎向應力與水泥土峰值剪切應力表現出良好的線性相關性。

2)抗剪強度指標

水泥土抗剪強度指標與纖維摻量、纖維長度的關系如圖9所示。由圖9可知，隨著纖維摻量的增加，水泥土內摩擦角和黏聚力均有不同程度的提高。當纖維長度為6mm時，纖維摻量為0，0.4%，0.8%的水泥土內摩擦角分別為47.84°，54.51°，58.36°，黏聚力分別為175.89，190.78，216.85kPa。纖維的存在使試樣在剪切過程中受到的部分剪切力被分擔，隨著纖維摻量的增加，試樣被分擔的剪切力越大，纖維提供的拉力主要來自于纖維與土體之間的摩擦力和黏結力。隨著纖維長度的增加，水泥土內摩擦角和黏聚力均先增大后減小。當纖維摻量為0.4%時，纖維長度為3，6，9，12mm的水泥土內摩擦角分別為52.98°，54.51°，57.07°，55.85°，黏聚力分別為182.59，190.78，206.36，196.61kPa。由于纖維過長集束難以充分打開，在相同的拌合情況下，長纖維的拌合性更差，纖維無法均勻地分散于水泥土中，同時纖維集聚處易成為水泥土薄弱處，從而導致水泥土內部孔隙率增大、密實度降低。

在實際工程中，需結合地質條件與經濟性選擇合適的纖維加筋方案。通過觀察抗剪強度指標相關數據，選擇內摩擦角及黏聚力更大的方案，有利于增強復合地基整體穩定性，使地基加固效果更好。

5 結語

本文以珠海地區某基坑工程為背景，采用直剪試驗，研究了素水泥土和纖維加筋水泥土抗剪強度及體變特性隨纖維摻量、纖維長度的變化規律。

1)將聚丙烯纖維加入水泥土中可有效提高其抗剪強度，且可將水泥土破壞形式由脆性破壞轉變為塑性破壞。

2)增加纖維摻量能夠提高水泥土抗剪強度，但提高幅度隨著纖維摻量的增加逐漸變緩。纖維摻量越大，水泥土達峰值剪切強度所需的剪切位移越大。

3)水泥土抗剪強度隨著纖維長度的增加呈先增大后減小的趨勢，存在最優纖維長度，使纖維能夠在水泥土中發揮最佳的加筋效果。

4)隨著纖維摻量的增加，水泥土體變呈現出膨脹趨勢，黏聚力和內摩擦角均有不同程度的增長。

隨著纖維長度的增加，水泥土體變呈現出先膨脹后壓縮的趨勢，黏聚力和內摩擦角均先增大后減小。