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(xué)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(qū)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(shù)低、承載力低等特點(diǎn)[1-2]，其處置方法是工程建設(shè)關(guān)注的重點(diǎn)問題之一[3]。目前，水泥土被廣泛地應(yīng)用于軟土地基處理中，可有效減小地基沉降，提高土體強(qiáng)度[4-5]。多位學(xué)者對水泥土靜力特性進(jìn)行了研究，如劉鑫等[6]通過三軸試驗(yàn)研究了水泥砂漿固化土剪切強(qiáng)度特性，結(jié)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(xué)性能；Yao等[7]通過無側(cè)限壓縮試驗(yàn)研究了水泥含量、總含水量和養(yǎng)護(hù)齡期對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，并提出了考慮水泥土配合比和養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度預(yù)測模型。同時(shí)，隨著水泥土在工程中的應(yīng)用越來越廣泛，有關(guān)動力作用下水泥土力學(xué)特性的研究日益增多，如李普等[8]采用動單剪試驗(yàn)，研究了水泥摻入比和循環(huán)應(yīng)力比對水泥土動強(qiáng)度、動變形及軟化特性的影響，并建立了水泥土軟化指數(shù)模型；馬冬冬等[9]通過一系列試驗(yàn)，研究了地聚合物水泥土在不同偏高嶺土摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間下內(nèi)部孔隙和動態(tài)抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。

然而，水泥土復(fù)合地基抗拉強(qiáng)度低，易發(fā)生脆性破壞，而纖維作為高分子材料，具有較高的抗拉強(qiáng)度，向水泥土中加入纖維能夠提高其力學(xué)性能[10]。目前已有多位國內(nèi)外學(xué)者開展了有關(guān)纖維加筋水泥土強(qiáng)度及變形特性的研究，如Liu等[11]進(jìn)行了無側(cè)限抗壓和抗拉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)纖維在聚合物穩(wěn)定砂破壞過程中表現(xiàn)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(cè)限抗壓強(qiáng)度受纖維摻量和纖維長度的影響，結(jié)果表明，纖維分布密度與均勻性對強(qiáng)度的影響較大；王閔閔等[13]通過動三軸試驗(yàn)，研究了不同纖維種類和纖維摻量下水泥土動強(qiáng)度、動彈性模量變化規(guī)律；Lv等[14]研究發(fā)現(xiàn)，纖維彈性模量較低和質(zhì)地較軟是造成集束的主要原因，同時(shí)纖維集束的存在會導(dǎo)致薄弱區(qū)域的形成，使土體強(qiáng)度降低；馬芹永等[15]認(rèn)為纖維摻量對水泥土吸收能、分形維數(shù)有較大影響，合適的纖維摻量能夠提高水泥土動態(tài)力學(xué)性能。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對纖維加筋水泥土的研究主要集中在抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(qū)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(yàn)，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(qū)的應(yīng)用與推廣提供參考。

1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用的土樣取自珠海市橫琴新區(qū)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(zhì)，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(jī)質(zhì)含量為4.80%。本試驗(yàn)采用的纖維為聚丙烯纖維，束狀單絲，形態(tài)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(qiáng)度≥486MPa，彈性模量≥4 800MPa，無吸水性，抗酸堿性極強(qiáng)，分散性極好。水泥采用P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

本次纖維加筋水泥土直剪試驗(yàn)采用HM-5760型氣動直剪儀完成。參照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]，將試驗(yàn)剪切速率設(shè)定為1mm/min，剪切位移設(shè)定為6mm。剪切力、位移等相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)由與HM-5760型氣動直剪儀相匹配的自動采集系統(tǒng)讀取、記錄并生成報(bào)告。每組試驗(yàn)測試3個(gè)試樣，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)舍去異常數(shù)據(jù)，取正常試驗(yàn)結(jié)果平均值。

本試驗(yàn)采用控制變量法，考慮纖維摻量、纖維長度和豎向應(yīng)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(yīng)力分別為100，200，300kPa。直剪試驗(yàn)共分為27組，每組3個(gè)試樣。纖維加筋水泥土試樣配合比參照J(rèn)GJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[18]執(zhí)行，試驗(yàn)控制水灰比為1.25，水泥摻入比為25%。

3 試樣制備

試驗(yàn)?zāi)＞咧睆綖?0mm，高度為20mm，試樣成型前向模具內(nèi)壁均勻涂抹白凡士林，分別稱取相應(yīng)質(zhì)量的風(fēng)干土、水泥、水和纖維，再向混合料中加水?dāng)嚢杈鶆颉韬衔锓?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(fā)，靜置48h后拆模，拆模后的試樣在室溫水中養(yǎng)護(hù)28d。

4 試驗(yàn)結(jié)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(yīng)力-剪切位移關(guān)系

本文將剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線中的峰值剪切應(yīng)力定義為抗剪強(qiáng)度，纖維長度為9mm時(shí)水泥土剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)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(qiáng)度隨著纖維摻量的增大而增大，素水泥土(未摻纖維)剪切應(yīng)力在剪切初期快速增大，達(dá)峰值后剪切應(yīng)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(yīng)力在剪切初期的增長速率較素水泥土快，達(dá)峰值后有較小幅度的回落，表現(xiàn)為塑性破壞，可知纖維加筋水泥土地基力學(xué)特性優(yōu)于素水泥土地基，在破壞前能夠產(chǎn)生預(yù)兆，危險(xiǎn)性較小。

在纖維摻量不同的情況下，水泥土達(dá)峰值剪切應(yīng)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(shí)所需的剪切位移增大，當(dāng)未摻纖維時(shí)，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(fā)生剪切破壞；當(dāng)纖維摻量為0.4%時(shí)，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(fā)生剪切破壞；當(dāng)纖維摻量為0.8%時(shí)，水泥土達(dá)峰值剪切應(yīng)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?yàn)槔w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(nèi)部裂縫的發(fā)展，宏觀表現(xiàn)為纖維加筋水泥土達(dá)峰值剪切應(yīng)力的剪切位移較素水泥土大。

2)抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)

為更加直觀地反映聚丙烯纖維對水泥土抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用，引入抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)α，表達(dá)式為：

(1)

式中：τPF為纖維加筋水泥土破壞剪切應(yīng)力；τP為素水泥土破壞剪切應(yīng)力。

纖維加筋水泥土抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)隨纖維摻量與豎向應(yīng)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(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)均>1.0，且隨著纖維摻量的增加，不同豎向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)呈增大趨勢，纖維摻量越大，加筋效果越明顯。

不同豎向應(yīng)力下，纖維摻量為0.4%，0.8%時(shí)的水泥土平均抗剪強(qiáng)度較素水泥土分別提高了1.293，1.509倍，這是因?yàn)槔w維在水泥土內(nèi)部形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更緊密，在外力作用下可抑制裂縫的發(fā)展，最終表現(xiàn)為纖維加筋水泥土抗剪強(qiáng)度的提高。

為更好地反映纖維摻量(纖維長度)增加時(shí)水泥土抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，引入相對增長率Ka，表達(dá)式為：

(2)

水泥土纖維摻量為0.4%，0.8%時(shí)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(fā)揮的加筋效果越好。當(dāng)水泥土纖維摻量為0.4%時(shí)，抗剪強(qiáng)度較素水泥土提高了29.30%；當(dāng)水泥土纖維摻量由0.4%增至0.8%時(shí)，抗剪強(qiáng)度僅提高了16.71%。由此可知，水泥土抗剪強(qiáng)度不會隨著纖維摻量的增加持續(xù)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(yīng)力-剪切位移關(guān)系

纖維摻量為0.8%時(shí)水泥土剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)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(qiáng)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(yīng)力為300kPa的情況下，纖維長度為3，6，9，12mm時(shí)對應(yīng)的峰值剪切應(yīng)力分別為630.24，703.28，777.99，740.99kPa。由于纖維加筋水泥土抗剪強(qiáng)度受纖維與土體之間黏結(jié)作用和摩擦作用的影響，當(dāng)纖維長度較小時(shí)，在外力作用下纖維與土體之間易發(fā)生滑動；當(dāng)纖維長度較大時(shí)，同等拌合情況下長纖維更易出現(xiàn)分布不均、彎折、聚集等現(xiàn)象，纖維的加筋作用無法充分發(fā)揮，最終使水泥土抗剪強(qiáng)度降低。

在豎向應(yīng)力為100kPa的情況下，纖維長度為3，6，9，12mm時(shí)對應(yīng)的峰值剪切應(yīng)力分別為338.08，378.68，422.57，403.55kPa，殘余剪切應(yīng)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(yīng)力與峰值剪切應(yīng)力的比值可知，纖維長度為9mm時(shí)的水泥土延性最好，這表明在實(shí)際工程中應(yīng)用纖維加筋水泥土?xí)r，需提前進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，找到符合具體工程的最佳纖維長度，然后進(jìn)行大規(guī)模工程施工。

2)抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)

纖維加筋水泥土抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)隨纖維長度與豎向應(yīng)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(yīng)力下水泥土抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)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(yōu)纖維長度。各纖維長度下，抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)均>1，這表明纖維加筋水泥土抗剪性能優(yōu)于素水泥土。

不同豎向應(yīng)力下，纖維長度為3，6，9，12mm的水泥土平均抗剪強(qiáng)度較素水泥土分別提高了1.216，1.359，1.509，1.441倍。當(dāng)豎向應(yīng)力由100kPa增至300kPa時(shí)，相同纖維長度下水泥土抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)增大，這說明聚丙烯纖維加筋作用在較高的豎向應(yīng)力下更易發(fā)揮。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，可知纖維加筋水泥土可較好地應(yīng)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(shí)的相對增長率分別為21.59%，11.77%，11.06%，此時(shí)水泥土抗剪強(qiáng)度隨著纖維長度的增加而提高，但提高幅度逐漸減小。當(dāng)纖維長度為12mm時(shí)，相對增長率為-4.51%，可知纖維長度在9～12mm之間存在最優(yōu)值，使纖維能夠在水泥土中發(fā)揮最佳的加筋效果。

4.3 水泥土體變特性

纖維長度為9mm時(shí)，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(fù)。由圖6可知，在豎向應(yīng)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(yīng)力為300kPa的情況下，水泥土最終剪切位移均為負(fù)值。這說明隨著豎向應(yīng)力的增大，水泥土體變表現(xiàn)出壓縮趨勢。同時(shí)，在豎向應(yīng)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(xiàn)出膨脹趨勢。

纖維摻量為0.8%時(shí)，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(yīng)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(shí)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(shí)分別減小了0.107，0.068，0.018mm。同時(shí)，纖維長度增長初期對水泥土體變影響較大，在豎向應(yīng)力分別為100，200，300kPa的情況下，纖維長度由3mm增至6mm時(shí)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(qiáng)度

1)抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線

水泥土抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線如圖8所示。通過莫爾-庫侖準(zhǔn)則τ=c+σtanφ對水泥土抗剪強(qiáng)度進(jìn)行描述，其中c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角，τ為剪切應(yīng)力，σ為豎向應(yīng)力。在單調(diào)直剪的情況下，每組試驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)R2均>0.99，說明豎向應(yīng)力與水泥土峰值剪切應(yīng)力表現(xiàn)出良好的線性相關(guān)性。

2)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

水泥土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與纖維摻量、纖維長度的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，隨著纖維摻量的增加，水泥土內(nèi)摩擦角和黏聚力均有不同程度的提高。當(dāng)纖維長度為6mm時(shí)，纖維摻量為0，0.4%，0.8%的水泥土內(nèi)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(dān)，隨著纖維摻量的增加，試樣被分擔(dān)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(jié)力。隨著纖維長度的增加，水泥土內(nèi)摩擦角和黏聚力均先增大后減小。當(dāng)纖維摻量為0.4%時(shí)，纖維長度為3，6，9，12mm的水泥土內(nèi)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(shí)纖維集聚處易成為水泥土薄弱處，從而導(dǎo)致水泥土內(nèi)部孔隙率增大、密實(shí)度降低。

在實(shí)際工程中，需結(jié)合地質(zhì)條件與經(jīng)濟(jì)性選擇合適的纖維加筋方案。通過觀察抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)，選擇內(nèi)摩擦角及黏聚力更大的方案，有利于增強(qiáng)復(fù)合地基整體穩(wěn)定性，使地基加固效果更好。

5 結(jié)語

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

1)將聚丙烯纖維加入水泥土中可有效提高其抗剪強(qiáng)度，且可將水泥土破壞形式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐摹?/p>

2)增加纖維摻量能夠提高水泥土抗剪強(qiáng)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(dá)峰值剪切強(qiáng)度所需的剪切位移越大。

3)水泥土抗剪強(qiáng)度隨著纖維長度的增加呈先增大后減小的趨勢，存在最優(yōu)纖維長度，使纖維能夠在水泥土中發(fā)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(xiàn)出膨脹趨勢，黏聚力和內(nèi)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(xiàn)出先膨脹后壓縮的趨勢，黏聚力和內(nèi)摩擦角均先增大后減小。