剑麻纤维长度对海砂力学性能的影响

王 成，刘春辉，刘翔宁，张 俊，卢龙玉，张梦子

(1.烟台大学土木工程学院，山东 烟台 264005；
2.天津大学建筑工程学院，天津 300350)

目前常用的加固砂土的方法有生物、化学和物理三种。生物方法需要控制的变量因素较多，在实际工程中操作困难；
化学方法是利用化学溶液或胶结剂灌入土中，使土颗粒胶结，提高土体强度，通常会造成地下水污染等环境问题；
物理方法是在砂土中添加土工织物、土工格栅及土工布等材料，通过人工或机械方式将其拌和均匀进行加固。纤维加固是物理加固中常见的一种方法，将纤维以分散形式随机分布于土体中, 纤维与砂土之间盘互交错，彼此相连，互成网络，纤维土表现出各向同性的性质，备受国内外学者的关注。近年来，国内外学者就纤维加筋砂土进行深入研究。BABU等[1]对纤维增强砂土进行三轴压缩试验，发现纤维能够提高砂土的抗剪强度。MARANDI等[2]研究随机分布棕榈纤维影响粉砂土强度和延性，结果显示纤维加入能够提高试样的峰值强度和残余强度，但棕榈纤维在提高粉砂土延性的同时会降低其刚度。TANG等[3]采用无侧限抗压强度(UCS)试验研究聚丙烯短纤维增强水泥稳定黏性土的强度和力学性能，利用扫描电镜(SEM)对土壤基质和表面进行分析,结果表明，影响纤维土性能提高的因素主要是土中的结合材料、纤维体周围的法向应力、界面的有效接触面积和纤维表面粗糙度等。有研究报道[4-6]用聚丙烯纤维分别处理膨胀土、石灰土、软土，结果显示土体力学性能均有提高。王宏胜等[7]研究纤维加筋市政污泥的剪切强度特性，分析在不同固结压力下纤维掺量对污泥排水固结后的含水率及干密度的影响。唐朝生等[8]发现在黏性土中的含砂量对纤维加筋土的强度有重要影响，添加砂的纤维土，在受到荷载时，砂的存在会增大土样受到剪切破坏时破坏面的粗糙程度，增加纤维与土之间的相对滑动阻力，进而提高土的力学性能。赵莹莹等[9]对内蒙古风沙土进行纤维加固并测试其强度特性，发现纤维掺入的风沙土内摩擦角几乎不变,但黏聚力与纤维长度和纤维掺量成正比。钟汉林等[10]研究随机分布纤维影响烟台海砂土力学性能，发现纤维长度、纤维掺量、围压及密实度对砂土的抗剪强度在一定范围内均有不同程度的影响。

上述研究成果展示了纤维加固各种土质均取得较好的进展，充分表明纤维加筋是一种优良的土质改良技术。但需要指出的是，已有研究基本上都是以内陆砂土为研究对象，针对海洋砂土研究较少。本文将重点针对纤维长度对海砂力学参数的影响进行讨论。

本研究所选的天然剑麻纤维属于绿色纤维材料，具有质地坚硬、弹性强、拉伸性好和耐摩擦等优点之外, 还具有耐腐蚀性和耐低温性能。良好的性能使得剑麻纤维已广泛地应用于海上港口和海岸堤防等众多工程的地基处理中。

通过标准三轴试验，得到海砂应力-应变曲线、轴向应变5%时偏应力值作为破坏点应力路径下的莫尔应力圆、纤维长度与弹性模量、割线模量的关系，对纤维加筋在海砂工程应用具有较大的参考价值。

1.1 海砂性质

本文使用的海砂取自于烟台大学东门海水浴场，粒径主要分布在0.1～2 mm之间。按照土工试验方法标准[11]，计算不均匀系数和曲率系数。砂样筛分数据见表1。

表1 海砂的筛分数据

1.2 剑麻纤维的特性

本研究使用的剑麻纤维长度(FL)分别为0、6、12、18 mm，平均直径约为0.18 mm，密度为 0.014 g/cm3，拉伸强度为537 MPa，拉伸模量为22 GPa,断裂伸长率为2.5%,具有很大的柔韧性。

2.1 试样的制备

将烟台海砂过筛放入烘箱烘烤8 h，试验选取的纤维含量为0.6%，对应的FL分别是0(未加入纤维)、6、12、18 mm。试验过程中，根据确定好的相对密度60%，称量干砂157.2 g，纤维0.94 g，水15.72 g，准备好的干砂在加入纤维之前先用水拌和均匀，此时砂土含水率达到10%。根据现有研究，砂土含水率为10%时，纤维在拌和过程中能够较为均匀地分布在砂土中，且能够防止试样在转移过程中出现纤维漂浮[12]。为保证试验在砂样装入三轴仪的过程中不受干扰变形，本次试验直接将拌和好的海砂倒入直径39.1 mm、高度80 mm的三轴仪上制备，分3层击实。研究开展12组试验，方案数据见表2。

表2 试验方案

2.2 试验方法

试验采用TCK-1型应变控制式三轴仪(图1)进行三轴压缩试验，加载速率为0.80 mm/min。选取的剑麻纤维如图2。试验中采取100、200和300 kPa的围压，试验破坏点的取值以偏应力(σ1-σ3)的峰值点作为破坏点，无峰值点时，按5%轴向应变相应的偏应力作为破坏强度值。

3.1 应力应变曲线

图3为各个围压下不同FL的应力应变曲线。由图3(a)可知，当FL=0 mm(未掺入纤维)时，随着轴向应变的增加，偏应力逐渐增大，在应变达到4%时，对应围压为100 kPa的试样偏应力达到峰值。而围压为200、300 kPa的试样，在轴向应变达到4%时，偏应力尚未达到峰值，随着轴向应变的增加，偏应力进一步增大，且围压为300 kPa时对应的偏应力比围压为200 kPa时对应的偏应力提高幅度更为明显，说明围压能够提高纯砂样的抗剪强度。

分析图3(b)—(d)可知，当轴向应变达到5%时，试样(FL=6、12、18 mm)对应的偏应力表现出继续增长趋势，这一结果表明海砂中加入剑麻纤维能够提高海洋砂土偏应力的峰值点。

对比图3(a)—(d)可以观察到，随着FL的增加，砂土的应力幅值有着显著变化，不同围压下，试样的强度随着围压的增大而增大，当轴压较小时，围压对强度的影响也比较小，这是因为较小轴向应变下，纤维与土之间还没有相对滑动趋势或相对滑动，剑麻纤维还没有发挥其作用。随着轴向应变的增大，纤维与砂土之间的摩擦力成为传力路径，轴向变形越大，围压对偏应力的影响也越大。

观察破坏后的试样，发现纤维没有出现断裂现象，可知，试样在破坏时纤维是被拔出而没有被拉断，因此只须考虑纤维与土的摩擦力与黏聚力，不必考虑纤维自身的抗拉断能力。

3.2 纤维长度与峰值强度关系

图4为纤维长度与峰值强度的关系图。由图可知，随着FL的增加，峰值强度随之增加。围压为300 kPa时，FL=18 mm的峰值强度是FL=6 mm的1.32倍，是FL=0 mm的1.57倍。原因是砂粒之间是松散的， 纤维可以很好地对砂粒起着固定作用，纤维越长，则固定的砂粒越多，减少了砂粒之间的滑动，所以FL的增加提高了整体抗剪强度。在FL=18 mm的纤维土中，围压为300 kPa的峰值强度是围压为200 kPa的1.41倍，是围压为100 kPa的1.93倍。在低围压下，砂土本身无黏聚力，随着围压的增加，砂样孔隙比降低，增加了砂颗粒间的咬合力，试样变得更密实,抗剪强度也得到相应的提高。

图4 峰值强度与纤维长度所对应的曲线

3.3 不同纤维长度对应的应力路径

应力路径下烟台海砂的莫尔应力圆如图5所示。将抗剪强度与法向应力的关系通过拟合可得表3中形式为y=ax+b的线性关系，其中a代表内摩擦角的正切值，b代表黏聚力。从表3中可得，FL的增加，黏聚力有了明显的提高。当FL为6 mm时，黏聚力提高了1.47%; FL为12 mm时，黏聚力提高了29.81%; FL为18 mm时，黏聚力提高了60.24%。可见FL为18 mm时对应的黏聚力要大于纤维含量为6、12 mm及不含纤维(FL=0 mm)时砂样所对应的黏聚力。

图5 不同纤维长度对应的标准三轴莫尔圆

表3 抗剪强度与法向应力关系

3.4 围压与弹性模量E0、割线模量E50之间的关系

弹性模量E0为应力-应变曲线初始直线段的斜率，割线模量E50为50%峰值强度对应的割线模量。图6显示的是围压与E0和E50的关系，结果表明对于不同的FL，E0和E50都随着围压的增加而增大。同一围压下纤维加筋试样的E0和E50随着FL的增加呈现增加的趋势。

(1)剑麻纤维的加入提高了海洋砂土的抗剪强度，轴向应变较小时纤维并未发挥作用，此时纤维的长度对应力影响较小，随着轴向应变增大，纤维与土之间的摩擦力使得偏应力显著提高。

(2)试样的抗剪强度随FL的增加而增加，当围压控制在300 kPa时,FL为18 mm的试样的抗剪强度分别是不掺加纤维(FL=0 mm)和FL为6 mm时的1.57、1.32倍。FL对抗剪强度的影响特别显著。

(3)根据不同FL下的应力路径可知，随着FL的增加，砂土的黏聚力显著增大。

(4)在掺入FL尚未达到临界值时，FL不影响围压与弹性模量、割线模量之间关系。

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