土骨架的新概念與泥炭土及纖維加筋土的結構

蒙理明，張 風

(海南科技職業大學，海口 571126)

泥炭土物質組成與其他土的主要區別是含有大量分解不充分的植物殘體，包括殘存纖維。2007年，張留俊[1]等對泥炭土的微觀結構及工程性質做了分析。2013年，王方中等[2]對西湖泥炭質土微觀結構和礦物組成進行了分析。2014年，劉渝[3]做了滇池泥炭土物質組分和微觀結構對力學強度影響研究；周喬勇等[4]做了石家莊環城公路泥炭土微觀結構及工程特性研究。2015年，李斗[5]做了滇池泥炭土微觀結構特征及工程力學模型研究。

纖維加筋土的特點是在土中加入纖維。1995年，李廣信等[6]做了纖維加筋粘性土的試驗研究。2011年，蔣正國[7]做了纖維紅黏土力學特性試驗研究。2020年，王成成[8]做了基于最優含水率的纖維加筋土的強度變化研究；潘建勛[9]做了纖維混摻加筋土力學性能研究；臧天寶[10]做了纖維加筋生活垃圾焚燒底渣混合土性能研究；李良勇[11]等做了天然椰殼纖維加固的紅粘土的力學性質研究。2016年，李廣信[12]提出了土骨架的新概念。2017年，筆者用土力學的新概念改善和細化了土骨架理論[13]：“土骨架的3要素有：土顆粒，包括其結合水；接觸(點或面)；聯接(收縮膜，公共結合水膜)”。還用土骨架的新概念分析了土的動力特性[14]，還分析了黃土[15]、膨脹土[16]、紅粘土[17]、沿海軟土及海洋土[18]的結構。下面，用土骨架的新概念，對泥炭土及纖維加筋土(簡稱纖維土)的結構進行分析。

1 纖維土的結構模型

我國規范[19]第4.1.12條規定：“含有大量未分解的腐殖質，有機質含量大于60%的土為泥炭，有機質含量大于或等于10%且小于或等于60%的土為泥炭質土”。該文所指泥炭土包括泥炭和泥炭質土，其天然土的結構模型見圖1。微結構單元為團粒，由土顆粒、有機質、殘余纖維組成；團粒間的大孔隙，在接觸處主要為類似于上述組成的小團粒，其他部位有更小的團粒或帶有有機質包皮的土顆粒；殘余纖維可以連接大小團粒，軸向提供抗拉強度。纖維加筋土主要有2種制作方法：第一種見圖2，纖維加筋紅粘土由實驗室做法得到[7]:將紅粘土在攪拌機中制備成泥漿(含水量接近液限)，邊攪拌邊加入纖維，讓其均勻散布至泥漿，然后將試樣移到固結儀固結。這樣得到的加筋土改變了原紅粘土的結構(粘聚體加鏈狀連結[17])，粘聚體及鏈狀連結在液態時被攪拌機打碎，形成單個土顆粒或極小粘聚體均勻分布的紅粘土結構。第二種見圖3，探討在現場施工時使用[7]。將天然紅粘土晾干粉碎，加水配到最優含水量，邊加土加纖維邊攪拌。這樣得到的加筋土，鏈狀連接被粉碎成為單個并伴有游離氧化鐵的土顆粒[17](鐵膠粘土)，成為粘聚體間大孔隙的填充，粘聚體沒有或者只被粉碎成小些，加入纖維沒有進入粘聚體，但大大提高最不利位置(a-a水平投影截面)大孔隙中鐵膠粘土結構的強度。

2013年，筆者[20]提出非飽和土有五相：土顆粒、結合水膜、表面張力收縮膜、自由水、孔隙氣。擴展至泥炭土及纖維加筋土(如圖1～圖3)有六相：廣義土顆粒(砂粒、粉粒、粘粒、可溶性鹽類、有機質[21])、纖維、結合水膜、表面張力收縮膜、自由水、孔隙氣。

2 纖維土有效應力的大氣張力公式

2014年，筆者[22]提出了抗剪極限狀態非飽和土有效應力的大氣張力公式

(1)

見圖1～圖3，纖維土比非飽和土多了一項纖維。纖維在土中提供拉力，用σ′l表示，得到抗剪極限狀態纖維土有效應力的大氣張力公式

(2)

3 兩個要點

3.1 土的結構連結

土的結構連結有四類。1990年，高國瑞指出，土的結構連結指基本單元體[21](也叫微結構單元，包括碎屑顆粒、外包顆粒、集粒、凝塊、粘聚體[8](包括疊片、疊聚體、絮凝體、聚集體、復合體))之間的連結，主要有如下三類形式：

一是接觸連結：見圖4～圖6，有三種。圖4是直接接觸連結。接觸處幾乎沒有粘結物質，但在非飽和土中存在毛細水提供表面張力，有一定連結強度，但在土飽和時會喪失。這種連結在濕陷性黃土、輕亞黏土和其他近代沉積土中較為普遍存在。圖5是結合水膜接觸連結。微結構單元尤其是粘聚體之間的接觸處，其表面的粘粒(包括膠粒)通過公共結合水膜粘(膠)結在一起。這種連結在一般粘性土中普遍存在。圖6是同相接觸連結。由硅鋁酸鹽物質組成的微結構單元之間的接觸處，同相固體分子或原子發生化學鍵連結(冷焊)，或在高溫下發生互相滲透(熱滲)，或硅鋁氧化物在接觸面上形成“同質增生”。這種連結一般發生在老粘性土或粘土頁巖中[21]。

二是膠結連結[21](圖7)：這種連結主要指微結構單元之間存在許多膠結物質，產生比較牢固的連結強度。見圖8～圖10，有三種。圖8是粘質膠結連結，以粘土為膠結劑具有塑性性質。圖9是鹽晶膠結連結。如果是鈣質或鈉質的鹽晶，其膠結強度是暫時的，水量增加，鹽晶溶解，強度消失。圖10是無定形物質膠結連結。如果是無定形鐵、鋁或硅質，膠結強度比較穩定，不受水量變化的影響。

三是鏈條連結[21]：有二種，圖11是長鏈連結，圖12是短鏈連結。鏈條由粘土疇或還和有機質、無定形物質集聚在一起形成連接體，連接微結構單元。這種連結常見于淤泥及淤泥質土[18]。

還有第四類是纖維連結：見圖1的泥炭土，微結構單元除了其他連結方式，還有殘余纖維連結。纖維可以在接觸處連結，也可以在接觸外連結。人工加入纖維一般不連結微結構單元，但通過與土顆粒接觸或聯接獲得錨固，見圖2、圖3。

3.2 廣義土顆粒

廣義土顆粒，即土的物質組成[21]，包括砂粒、粉粒、粘粒、可溶性鹽類、有機質。砂粒、粉粒粗大強度高，但沒有粘性。粘粒(包括膠粒)有次生粘土礦物和非晶質粘土礦物，前者通常帶有負電荷，后者是凝膠物質，都是帶有結合水膜的顆粒。可溶性鹽類包括難溶鹽(主要為碳酸鹽)、中溶鹽(常見的為硫酸鹽)、易溶鹽(鉀鹽、氯鹽、芒硝)。溶鹽類礦物通常以離子狀態存在于土孔隙中，有陽離子和陰離子，影響土中離子交換作用的方向和雙電層作用的范圍，當土中含水量降低或介質酸堿度發生變化，便會結晶析出在土顆粒表面(即結合水膜還包括包裹在粘粒外部的鹽類薄膜)，給土結構帶來暫時的強度。難溶的鹽類礦物有離子態(使粘粒凝聚)、溶膠態和無定形凝膠態(包裹土顆粒，然后顆粒膠結)、微晶態(與粘土籌、粉粒等生成凝聚體，如黃土集粒)。土中有機質是動植物殘骸和微生物以及它們的各種分解和合成產物，如碳水化合物、氨基酸、蛋白質、脂蠟、有機酸、纖維素、木質素等等。通常稱分解不完全的植物殘骸為泥炭，其主要成分為纖維素，木質素等；完全分解的動植物殘骸為腐殖質，在一定程度上有膠體的性質，帶負電。腐殖質很少單個存在，絕大部分與礦物粒子(如碳酸鈣、活性鋁、游離鐵)結合形成有機-無機復合體，這種復合體一般也帶負電。注意在飽和土中，由有機質(其實是有機-無機復合體)包裹的砂粒，其接觸的黏聚力幾乎為0，無類似結合水膜的聯接能力；另外內摩擦角比普通砂土的小；其原因是接觸部位被有機質及有機質包裹的細粒軟化[17]。

宏觀地，廣義土顆粒包括：粗大無粘性的砂、粉粒，與結合水膜有關的粘粒、可溶性鹽類(含水量大時會溶解)，降低飽和土強度的有機質。

4 纖維土的土骨架

將土骨架理論[13]擴展到纖維土：土骨架的4要素：“廣義土顆粒，包括其結合水；纖維，包括其結合水；接觸(點或面，土顆粒之間、土顆粒與纖維之間、纖維之間)；聯接(纖維，公共結合水膜，表面張力收縮膜)”。土骨架的構成類型有：“土顆粒之間、土顆粒與纖維之間、纖維之間，相互接觸，或相互聯接，或即相互接觸又聯接”。土骨架潰散：“土顆粒之間、土顆粒與纖維之間、纖維之間即沒有接觸也沒有聯接”。土骨架的體積：“飽和土的土骨架體積，是包括結合水膜的土顆粒及纖維體積；非飽和土的土骨架體積，是包括結合水膜的土顆粒及纖維，加上收縮膜聯接的體積。”

其他土骨架理論[13]仍然適用纖維土：土骨架局部失去接觸或聯接為損傷，潰散或損傷的土骨架重新建立接觸或聯接為修復，還伴有加密的為增強。應該用絕對壓強分析廣義流體。有效應力的新概念：有效應力是土體中提供抗剪強度的點的集合所對應的應力；有效應力是土骨架的接觸和聯接所對應的應力。總應力由有效應力和廣義流體應力組成；有效應力的實質是廣義流體沒有抗剪能力，但具有抗壓能力；應該用總應力模式分析土的壓縮變形。土是由土骨架和廣義流體組成的，與纖維土有效應力的大氣張力公式相對應。

5 纖維土的大氣張力庫倫抗剪強度公式

2013年，筆者[24]提出了非飽和土的大氣張力庫倫抗剪強度公式。下面，擴展到纖維土：見圖13、圖14，是直接剪切試驗的示意圖,土樣自重忽略為零。設水平方向為X，豎直方向為Z。大氣壓強Pa=101 kPa,側面的大氣壓強未畫出(兩側大氣壓強對試樣的水平抗剪強度影響互相抵消為零)。θ→90°，所以sinθ=1，cosθ=0。抗剪強度由土骨架的接觸與聯接給出。

給式(2)加下標Z得

(3)

加下標X得

(4)

見圖13，直接抗剪強度是水平的，在無豎向荷載P作用時，首先是接觸提供水平摩擦抗剪強度。

注意σz=Pa,由(3)得接觸有效壓應力

由庫倫定律得，接觸的初始水平摩擦抗剪強度

(5)

聯接的X向的拉力，式(4)中的σ′cx+σFx+σ′lx直接提供水平抗剪強度(真粘聚力[24])

C0=σ′cx+σFx+σ′lx

初始抗剪強度

(6)

式中，第一項為真粘聚力(聯接在水平方向提供的拉力)，第二項為聯接的水平摩擦抗剪強度貢獻(聯接捆綁土顆粒，在接觸處產生豎向壓應力，摩擦產生水平抗剪強度)，第三項為水氣不抵大氣壓強自重應力水平摩擦抗剪強度貢獻[24](土中自由水、孔隙氣壓力主要由于結合水膜、收縮膜、纖維占據計算截面面積而導致小于地面大氣壓強，在接觸處產生豎向壓應力，摩擦產生水平抗剪強度)。

見圖14，與圖13的初始工況相比，多了豎向荷載P,由庫倫定律得水平抗剪強度

τ=C+σtanφ

(7)

其中，σ=P/A,A為土樣的水平截面積。

注意，見圖15，一般情況下，纖維以受拉為主，在最不利截面處，主要作為聯接；但粗大纖維不僅提供拉力，還能在開裂處摩擦產生抗剪強度，因此即是聯接也是接觸。

6 土顆粒或子土骨架漂浮

見圖1，在飽和土中，大團粒之間的大孔隙中，常有單個土顆粒、帶包皮土顆粒和小團粒(子土骨架[15])“漂浮”。可以這樣定義，在飽和土中，土顆粒或子土骨架(帶其結合水)，幾乎被自由水包裹，稱為土顆粒或子土骨架漂浮。這種現象也常見于飽和的淤泥質土及淤泥中[25]，帶有機質包皮的粘粒或小粘聚體，在結構的大孔隙中漂浮，降低土的滲透性，排水固結后加強總土骨架。

7 結 論

用土骨架的新概念，對泥炭土及纖維加筋土(以下簡稱纖維土)進行分析，得到以下結論：

a.提出纖維土有六相：廣義土顆粒、纖維、結合水膜、表面張力收縮膜、自由水、孔隙氣。

b.提出了抗剪極限狀態纖維土有效應力的大氣張力公式。

c.將土骨架理論擴展到纖維土：土骨架的4要素：“廣義土顆粒，包括其結合水；纖維，包括其結合水；接觸；聯接(纖維，表面張力收縮膜，公共結合水膜)”。土骨架的構成類型有：“土顆粒之間、土顆粒與纖維之間、纖維之間，相互接觸，或相互聯接，或即相互接觸又聯接”。土骨架潰散：“土顆粒之間、土顆粒與纖維之間、纖維之間即沒有接觸也沒有聯接”。土骨架的體積：“飽和土的土骨架體積，是包括結合水膜的土顆粒及纖維體積；非飽和土的土骨架體積，是包括結合水膜的土顆粒及纖維，加上收縮膜聯接的體積。”

d.其他土骨架理論仍然適用于纖維土：包括土骨架的損傷、修復、增強；應該用絕對壓強分析廣義流體；有效應力的新概念：有效應力是土體中提供抗剪強度的點的集合所對應的應力；有效應力是土骨架的接觸和聯接所對應的應力；總應力由有效應力和廣義流體應力組成；有效應力的實質是廣義流體沒有抗剪能力，但具有抗壓能力；應該用總應力模式分析土的壓縮變形。土是由土骨架和廣義流體組成的，與纖維土有效應力的大氣張力公式相對應。

e.抗剪強度由土骨架的接觸與聯接給出。提出了纖維土的大氣張力庫倫抗剪強度公式。其中，初始抗剪強度C包括三項：真粘聚力、聯接的摩擦抗剪強度貢獻、水氣不抵大氣壓強自重應力摩擦抗剪強度貢獻。

f.提出土顆粒或子土骨架漂浮的概念：在飽和土中，土顆粒或子土骨架(帶其結合水)，幾乎被自由水包裹，稱為土顆粒或子土骨架漂浮。

g.普通土(無纖維土)是纖維土的特例。上述結論去掉與纖維有關的部分可以用于普通土。