棕櫚纖維加筋土強度特性試驗研究

張洪東，李海峰，李賀勇，劉瑾，胡恬靜，張化鵬，趙寧寧

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100；3.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

作為一種良好的天然防滲材料，黏土因具備成本低、易取材等特點，在垃圾填埋、礦山復綠、水利工程等領域得到了廣泛應用（楊倩，2016；韓貴雷和賈偉杰，2019）。同時，黏土存在壓縮性大、固結沉降周期長、遇水變形、失水收縮后產生干裂縫等不良工程特性。隨著各類工程建設項目的逐漸增多，土巖邊坡在強烈的構造活動及持續降雨、流水、自重應力場等內外營力作用的耦合下，常發生崩塌、滑坡、泥石流等地質災害，破壞了生態環境，造成了難以估量的經濟損失及人員傷亡，因此亟需對黏土的不良工程地質特性進行改良，以滿足工程實際需要，減少自然災害發生（王進，2016；張欣等，2018）。

目前已有大量的土體改良技術被付諸實踐，方法主要包括物理加固法和化學加固法。纖維加筋技術作為一種物理加固方法，是指將纖維材料以一定比例均勻分散至土體內部，形成一種新型的土工復合材料，即纖維加筋土，從而達到優化土體工程性能的目的。其中，天然纖維運輸方便、價格低廉，有利于降低施工成本。同時，天然纖維分散性好，能在土體中均勻分布，進而在各個方向上發揮加筋作用，克服了傳統土工合成材料須根據間距進行布設，導致土體存在軟弱結構面的缺點，與其他加固材料相比，發展前景廣闊。因此，纖維加筋技術在巖土工程領域不斷發展壯大，已成為常見的可持續土加固技術之一（何忠明等，2019；Fagone et al.,2017），也是近年來研究的熱門方向。

Aymerich et al.（2016）研究了靜載荷和沖擊彎曲載荷作用下大麻纖維加筋土的承載能力、抗裂性和能量吸收性能，試驗結果證實纖維的摻入可有效改善土體的強度指標；Hejazi et al.（2012）通過對不同種類的天然纖維加筋土進行與無側限抗壓與直剪試驗試驗發現，天然纖維提高了土體的峰值強度和殘余強度，使試樣應力應變關系由應變軟化轉為應變硬化型；劉建龍等（2018）發現棉纖維對黃土的變形破壞模式具有顯著影響，即素黃土存在明顯剪切破壞面，而部分纖維隨機分布的加筋土試樣沒有明顯破壞面，表現為“裂而不斷”的特點；李陳財等（2015）經研究得出麥秸稈通過與土體混合時通過摩擦作用與土體在受剪時協同變形而提高上海黏土的抗剪強度并顯著提高加筋土的黏聚力。

對于纖維加筋土體研究，加筋率和干密度等影響著纖維的加筋效果，因而一直被研究者重點關注，并對二者的作用效果進行了一系列系統研究。曹智民和璩繼立（2019）指出，棕櫚纖維可顯著提高上海黏土的無側限抗壓強度與延性，且其提高幅度與加筋率密切相關；李貝貝等（2014）通過研究不同纖維摻入量下土樣的直剪試驗強度與抗壓試驗強度，得出加筋黏土的最佳加筋率；Wang et al.（2016）研究了干密度與加筋率對膨脹土抗剪性能的影響，證明干密度與加筋率均能顯著影響土體內聚力大小，而土體抗剪強度在加筋率達到峰值后逐漸減弱；劉思奇等（2016）根據極差分析方法，研究了不同因素對木質纖維加筋土抗剪強度的影響，試驗結果表明含水率>壓實度>加筋率。

棕櫚纖維作為一種天然材料，具有產量大、易獲取，同時具備分散性佳、防腐性好、抗拉裂性能好、內部結構疏松多孔等特點（張有等，2016）。因此分布于土體內部的棕櫚纖維除了可以起到良好的抗壓與抗變形作用外，其自身結構還能長期維持完整性及透氣性，保證了土體加固的可靠性與持久性，降低了施工后的維護成本。因此，本文以棕櫚纖維為加筋材料，基于無側限抗壓強度試驗與直接剪切試驗，研究了干密度和加筋率對纖維加筋土強度特性的影響，并分析了其固土機理，以期研究結果為棕櫚纖維加固土體的理論研究與工程實踐提供參考依據。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

本次試驗材料為黏土與棕櫚纖維。黏土取自于浙江省麗水市某基坑，棕櫚纖維采購自當地市場。將黏土烘干碾碎后過2 mm土工篩備用，過篩后的土見圖1a，其物理性質見表1。將當地市場購買的原始棕櫚纖維剔除雜質，剪成長度為20 mm的短切棕櫚纖維備用。棕櫚纖維見圖1b，棕櫚纖維物理力學參數見表2。

圖1 試驗材料浙江黏土（a）和棕櫚纖維（b）照片

表1 試驗用黏土的物理參數

表2 棕櫚纖維的物理性質

1.2 試樣制備

本文通過測試含水率一定時，不同干密度與加筋率下黏土的無側限抗壓強度以探究干密度與加筋率對棕櫚纖維改良黏土強度的影響。本次試驗設置了干密度與加筋率（纖維與干黏土質量百分比）兩個影響因素，采用土體最優含水率20%進行試驗。黏土的干密度（ρ）分別設置為1.55 g/cm3、1.6 g/cm3、1.65 g/cm3，棕櫚纖維率（WPF）分別置為0、0.2%、0.4%、0.6%。

在試樣制備過程中，首先取適量烘干過篩后的黏土加水，混合均勻后裝入塑料袋密封，靜置24 h后取出土樣，依照試驗方案加入不同含量的棕櫚纖維，混合均勻后倒入模具，壓實至指定尺寸并靜置一段時后脫除模具，在恒溫25℃下養護24 h后進行試驗。黏土與纖維拌合物及試樣見圖2。

圖2 纖維與土拌合物照片（a）；無側限抗壓強度試驗試樣照片（b）；直接剪切試驗試樣照片（c）

1.3 試驗方法

1.3.1 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度試驗采用的是南京寧曦土壤儀器有限公司生產的TSZ 全自動三軸儀，剪切速率為0.8 mm/min，采樣步長為5%，軸向應變達12%時停止試驗。試樣直徑為39.1 mm，高度為80 mm。

1.3.2 直接剪切試驗

直接剪切試驗采用南京土壤儀器廠生產的ZJ 型應變控制式直剪儀，試驗過程中施加的垂直四級荷載分別是100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，剪切過程中應變速率為2.4 mm/min，若未出現明顯峰值強度，則取剪切位移達到400 mm時的抗剪強度為峰值強度。試樣直徑為61.8 mm，高度為20 mm。

2 試驗結果與分析

2.1 無側限抗壓強度試驗

表3列出了不同干密度與加筋率下試樣的無側限抗壓強度（σc）。從表中可以看出，試樣抗壓強度隨黏土密度的增加而持續增強。當加筋率不超過0.4%時，試樣抗壓強度隨加筋率增大而增大，當加筋率超過0.4%時，試樣抗壓強度隨加筋率的增大而減小。

表3 不同密度和加筋率試樣的無側限抗壓強度

2.1.1 應力應變曲線分析

含水率下變密度與變加筋率條件下的應力應變曲線見圖3。從圖3可以看出，對于不同密度的試樣，其軸向應力與軸向應變曲線整體呈拋物線型，纖維土抗壓強度高于素土。在相同含水率與密度下，相比于素土，加筋率為0.2%的試樣無側限抗壓強度增量較小，加筋率為0.4%的試樣無側限抗壓強度卻有顯著提高；在達到峰值強度之前，相同含水率與干密度下，隨著加筋率的增大，素土與加筋土峰值強度均隨應變迅速增大，但素土在軸向應力到達峰值后，其應力應變曲線較棕櫚纖維加筋土下降更快，呈現出較小的殘余強度。說明棕櫚纖維在提升土體的強度的同時，還使試樣的應力應變特性由應變軟化型逐漸過渡為應變硬化型，即棕櫚纖維的摻入導致試樣呈現出壓硬性，試樣破壞多為變形控制而非強度控制，而素土一般表現為小應變下的強度破壞。

圖3 不同密度與加筋率下試樣的應力應變曲線

由于素土多表現為脆性破壞，而纖維摻入土體后，在黏土顆粒間相互連接形成類似于不規則的網狀結構。纖維間相互搭接，共同受力，使每根纖維受力更加均勻。當單根纖維在外荷載作用下產生位移趨勢時，必然受到臨近交接纖維的阻礙，外荷載通過相互交織的纖維不斷傳遞，由試樣內各個方向的棕櫚纖維共同承擔。纖維加筋土是土與纖維共同構成的復合體，二者通過摩擦力與黏結力結合，纖維具備較高的縱向彈性模量，在外荷載作用下與土體協同變形，增加了試樣的整體穩定性（彭麗云和王劍燁，2017；陸韜和璩繼立，2020）。纖維對土體的增強作用除了源于筋土間的摩擦力與黏結力，還與纖維在土體中彼此構成的網狀結構對土的約束作用相關（唐皓等，2020）。

試樣變形較小時，加筋土受到外荷載作用較小，試樣未發生破壞，棕櫚纖維變形量較小，其加筋性能未能得到充分發揮，故此時加筋率對其應力-應變曲線影響偏小；棕櫚纖維因具有較高的延性，在外荷載作用下僅發生彎曲而不產生破壞，當試樣變形較大時，說明棕櫚纖維在較大的外荷載作用下發生了較大的變形，棕櫚纖維抗壓性能得到充分發揮。

加筋率較低時，試樣內的纖維排布較為分散，難以產生交織點，無法形成空間網絡結構，隨著加筋率以及外荷載的增加，大量隨機分布的纖維在試樣內部逐步交織纏繞并包裹土顆粒，形成空間網狀結構，纖維與纖維及纖維與土顆粒接觸點增多，摩擦力增大，限制了土顆粒位移與試樣變形，從而增強了土體抗壓強度。

2.1.2 峰值強度分析

圖4反應了試樣峰值強度變化與干密度和加筋率的關系。圖中可以看出，相同干密度下，加筋率為0.4%時，試樣峰值強度達到最高，當土體加筋率超過0.4%后，土體峰值強度反而隨加筋率增大而減小。而相同加筋率下，干密度為1.65 g/cm3時試樣峰值強度達到最大。

圖4 不同干密度與加筋率下試樣的抗壓強度

當素土在外荷載作用下產生變形時，土顆粒間的摩擦力為阻止土體變形而持續增大，阻礙了土顆粒位移，從而減小了試樣變形。隨著干密度的增大，單位體積內土顆粒數量增多，土顆粒排列更緊密，接觸點更多，試樣內孔隙減少。在外荷載作用下，土顆粒受相鄰顆粒阻礙，位移被限制，延緩了試樣的破裂變形過程，因此應力強度峰值逐漸增大。

不同加筋率下棕櫚纖維再試樣內部的分布存在較大差異（圖5）。加筋率過低時，纖維在試樣內部零散分布，纖維間無法形成交織點或交織點數目過少，不構成空間網狀結構，試樣中部分區域仍保持為素土狀態，纖維對土顆粒位移的阻擋作用受限。當加筋率超過0.4%時，試樣內單位體積內筋材的絕對數量相對較大，筋材在土中大量重疊甚至交織成團，由于筋材與土顆粒的摩擦力大于筋材與筋材的摩擦力，導致土與筋材的摩擦作用難以充分發揮。纖維的重疊纏繞，在土體內部形成局部薄弱面，同時將導致纖維部分裸露在試樣外部，無法保證筋材與土的有效接觸，減弱了土顆粒間的聯結，破壞試樣均勻性和整體性，削弱了加筋作用。在適宜加筋率下，棕櫚纖維與土的摩擦作用得到了最大程度的發揮，筋材間相互交織形成空間網絡但未交織成團，纖維與土顆粒緊密結合，使試樣保持了較大的完整性，進一步提高了試樣的抗壓強度和延展性能，使試樣的破壞模式由脆性破壞逐步過渡為韌性破壞。

圖5 不同加筋率下棕櫚纖維分布示意圖

2.2 直接剪切試驗

2.2.1 試驗結果

通過對干密度與不同加筋率的試樣進行直剪試驗，并依據庫倫定律得到不同條件下的抗剪強度參數，分析了干密度與加筋率對棕櫚纖維加固土體抗剪強度特性的影響。各組試樣的基本參數與直剪試驗結果如表4所示。

表4 各組試樣的基本參數和直剪試驗結果

2.2.2 抗剪強度參數分析

試樣黏聚力與內摩擦角隨干密度與加筋率的變化規律見圖6和圖7。從圖中可以看出，試樣在摻入纖維后，黏聚力有了明顯的提高，以干密度為1.65 g/cm3的試樣為例，未添加纖維時，其黏聚力為67.10 kPa，加筋率為0.6%時，其黏聚力為94.85 kPa，黏聚力增加了41.35%。但在干密度密度相同的條件下，試樣的內摩擦角隨加筋率的增大變化不明顯，僅在2.62°～4.19° 內波動，且內摩擦角不完全隨加筋率增加而增加，二者未表現出明顯的正相關或負相關。隨著干密度的增大，素土試樣的黏聚力產生了一定程度的增大。例如密度為1.65 g/cm3的素土與密度為1.55 g/cm3的素土相比，黏聚力增加了12.72%，但內摩擦角未隨試樣干密度增加而出現明顯變化規律。說明試樣干密度與加筋率主要對試樣的黏聚力產生作用，即加筋率與試樣干密度通過增大土顆粒間黏聚力以提高土體抗剪強度，加筋率與干土密度越大，越大黏聚力值越高，從而土體抗剪強度越大，反之亦然。

圖6 黏聚力與干密度和加筋率的關系

圖7 內摩擦角與干密度和加筋率的關系

對于素土，隨著試樣干密度增大，土體孔隙比減小，在剪應力作用下，土顆粒咬合作用增大，膠結程度增大，更難以產生相對移動，不易被剪壞，因此抗剪強度隨干密度增大而增大。對于加筋土，試樣干密度不僅影響粒間作用，還影響土顆粒與纖維的相互作用。由于制備干密度較大的土樣需要較大的壓實功，使土顆粒施加在筋材表面的正壓力相應增大，即棕櫚纖維與土顆粒的接觸面積增加，界面摩擦力亦隨之增大（柴壽喜和石茜，2013）。因此，棕櫚纖維加筋土的抗剪強度隨試樣的干密度增加而增加。

附著于纖維的土顆粒達到一定數量時，纖維端部被土顆粒緊密包裹，在外力作用下，纖維被緊密包裹的部位形成錨固區而不易被拔出。當試樣在外荷載作用下發生剪切變形或破壞時，棕櫚纖維的錨固作用（圖8）對試樣抵抗變形破壞產生了正向影響。即棕櫚纖維四周被大量土顆粒包裹，錨固于試樣內部棕櫚纖維與土彈性模量的差異導致二者存在相互錯動的趨勢，隨著剪切盒的持續移動進而產生摩擦力，錨固于土體的纖維在試樣發生破壞時將承受一定的拉力，起到分擔部分外部荷載的作用。

圖8 錨固作用纖維示意圖

當試樣持續發生剪切破壞，需克服土顆粒對纖維的黏結和土顆粒與纖維摩擦力的雙重作用，使土體中纖維被拉動或拔出。隨著加筋率的增大，土顆粒與纖維接觸點增多，接觸面積增大，筋/土界面作用增強。當加筋率較低時，纖維與土顆粒點數量接觸較少，承擔外荷載作用的纖維數量較少，筋/土界面作用效果不明顯。

土體的內摩擦角主要受礦物成分，顆粒大小與級配、顆粒形狀和排列、黏性土的離子和膠結物種類等內部因素及加載速率、應力狀態等外部因素影響（李廣信，2016；奚靈智等，2019）。而棕櫚纖維加筋屬于物理作用，其存在不改變土體自身屬性與外部環境作用，即纖維未能在試樣內部形成更大的土團粒，也不能增加土顆粒間的咬合力，因此棕櫚纖維土內摩擦角未發生顯著變化。

與抗壓破壞不同的是，試樣的剪切破壞主要發生于剪切破裂面而非試樣整體破壞，因此加筋率越大，單位剪切破壞面上纖維分布數量越多，由于纖維彈性變形能力較好，在剪應力作用下產生彎曲變形而不產生破壞，承擔了部分外力作用，同時，其彎曲的凹側面部分阻擋了土顆粒位移，外荷載作用越大，纖維彎曲程度越大，彎曲的纖維數量越多，更多的土顆粒位移被阻礙，使試樣難以產生剪切破壞。因此加筋率與土體抗剪強度呈正相關。

3 結論

本文采用無側限抗壓強度與直接剪切試驗對不同密度的棕櫚纖維加筋土與未加筋土進行測試，研究了加筋率與干密度對棕櫚纖維加筋黏土的影響，得出如下結論。

（1）在相同壓實狀態（含水率和干密度相同）下，當棕櫚纖維加筋率范圍為0～0.4%時，試樣的無側限抗壓強度隨棕櫚加筋率的增加而增加，且逐漸由脆性破壞轉變為韌性破壞。當棕櫚加筋率超過0.4%時，試樣無側限抗壓強度隨加筋率增大而減小。該現象表明，在加筋率不超過0.4%時，較高的加筋率有利于提高土體抗壓強度與穩定性。但超過最優加筋率，試樣中大量分布的纖維對加筋效果造成不利影響。

（2）相同密度和含水率條件下，纖維主要通過提高試樣黏聚力來增大試樣抗剪強度，加筋率對試樣內摩擦角大小影響較小。

（3）隨著干密度的增大，單位體積的土顆粒排列更緊密，土顆粒摩擦作用也隨之增大，顆粒在外荷載作用下的位移受到限制，提升了土體的抗壓強度、抗剪強度與抗變形能力。