摘 要：通過在海砂中摻入不同長度（0、6、12、18mm）的劍麻纖維，研究隨機分布纖維對海砂力學(xué)性能的影響。試驗結(jié)果顯示，纖維能顯著提高海砂的抗剪強度；隨著摻入纖維長度的增加，纖維加筋砂土的偏應(yīng)力會進一步增大，且提高幅度愈加顯著；圍壓會顯著提高纖維加筋砂的彈性模量與割線模量；隨著纖維長度的增大，纖維加筋砂的彈性模量與割線模量稍有增大。
關(guān)鍵詞：劍麻纖維；纖維長度；海砂；力學(xué)性能
目前常用的加固砂土的方法有生物、化學(xué)和物理三種。生物方法需要控制的變量因素較多，在實際工程中操作困難；化學(xué)方法是利用化學(xué)溶液或膠結(jié)劑灌入土中，使土顆粒膠結(jié)，提高土體強度，通常會造成地下水污染等環(huán)境問題；物理方法是在砂土中添加土工織物、土工格柵及土工布等材料，通過人工或機械方式將其拌和均勻進行加固。纖維加固是物理加固中常見的一種方法，將纖維以分散形式隨機分布于土體中,纖維與砂土之間盤互交錯，彼此相連，互成網(wǎng)絡(luò)，纖維土表現(xiàn)出各向同性的性質(zhì)，備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。近年來，國內(nèi)外學(xué)者就纖維加筋砂土進行深入研究。BABU等[1]對纖維增強砂土進行三軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)纖維能夠提高砂土的抗剪強度。MARANDI等[2]對隨機分布棕櫚纖維影響粉砂土強度和延性做了研究，結(jié)果顯示纖維加入能夠提高試樣的峰值強度和殘余強度，但棕櫚纖維在提高粉砂土延性的同時會降低其剛度。TANG等[3]采用了無側(cè)限抗壓強度（UCS）試驗研究了聚丙烯短纖維增強水泥穩(wěn)定黏性土的強度和力學(xué)性能，利用電鏡掃描（SEM）對土壤基質(zhì)和表面進行分析。結(jié)果表明，影響纖維土性能提高的因素主要是土中的結(jié)合材料、纖維體周圍的法向應(yīng)力、界面的有效接觸面積和纖維表面粗糙度等。吳繼玲等[4,5,6]用聚丙烯纖維分別處理膨脹土、石灰土、軟土，結(jié)果顯示土體力學(xué)性能均有提高。王宏勝等[7]研究了纖維加筋市政污泥的剪切強度特性，分析了在不同固結(jié)壓力下纖維摻量對污泥排水固結(jié)后的含水率及干密度的影響。施斌等[8]發(fā)現(xiàn)在黏性土中的含砂量對纖維加筋土的強度有重要影響，添加砂的纖維土，在受到荷載時，砂的存在會增大土樣受到剪切破壞時破壞面的粗糙程度，增加了纖維與土之間的相對滑動阻力，進而提高土的力學(xué)性能。趙瑩瑩等[9]對內(nèi)蒙古風(fēng)沙土進行纖維加固并測試其強度特性，發(fā)現(xiàn)纖維摻入的風(fēng)沙土內(nèi)摩擦角幾乎不變,但黏聚力與纖維長度和纖維摻量成正比。鐘漢林等[10]對隨機分布纖維影響煙臺海砂土力學(xué)性能做了研究，發(fā)現(xiàn)纖維長度、纖維摻量、圍壓及密實度對砂土的抗剪強度在一定范圍內(nèi)均有不同程度的影響。
上述研究成果展示了纖維加固各種土質(zhì)均取得較好的進展，充分表明纖維加筋是一種優(yōu)良的土質(zhì)改良技術(shù)。但需要指出的是，已有研究基本上都是以內(nèi)陸砂土為研究對象，針對海洋砂土研究較少。本文將重點針對纖維長度對海砂力學(xué)參數(shù)的影響進行討論。
文中所選的天然劍麻纖維屬于綠色纖維材料，具有質(zhì)地堅硬、彈性強、拉伸性好和耐摩擦等優(yōu)點之外, 還具有耐腐蝕性和耐低溫性能。良好的性能使得劍麻纖維已廣泛地應(yīng)用于海上港口和海岸堤防等眾多工程的地基處理中。
通過標(biāo)準(zhǔn)三軸試驗，得到海砂應(yīng)力-應(yīng)變曲線、軸向應(yīng)變5%時偏應(yīng)力值作為破壞點應(yīng)力路徑下的莫爾應(yīng)力圓、纖維長度與彈性模量、割線模量的關(guān)系，對纖維加筋在海砂工程應(yīng)用具有較大的參考價值。
1試驗步驟
1.1海砂性質(zhì)
本文使用的海砂取自于煙臺大學(xué)東門海水浴場，粒徑主要分布在0.1~2mm之間。按照土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[11]，計算不均勻系數(shù)為4.42，曲率系數(shù)為0.42。本次試驗砂樣篩分數(shù)據(jù)見表1。
表1海砂的篩分數(shù)據(jù)
1.2劍麻纖維的特性
本研究使用的劍麻纖維長度(FL)分別為0、6、12、18 mm，平均直徑約為0.18mm。具有很大的柔韌性，密度為0.014g/cm3，拉伸強度為537MPa，拉伸模量為22GPa以及斷裂伸長率為2.5%。
2試驗方案
2.1試樣的制備
將煙臺海砂過篩放入烘箱烘烤8h，試驗選取的纖維含量為0.6%，對應(yīng)的FL分別是0（未加入纖維）、6、12、18mm。試驗過程中，根據(jù)確定好的相對密度60%，稱量干砂157.2g，纖維0.94g，水15.72g，準(zhǔn)備好的干砂在加入纖維之前先用水拌和均勻，此時砂土含水率達到10%。根據(jù)現(xiàn)有研究，砂土含水率為10%時，纖維在拌和過程中能夠較為均勻地分布在砂土中，且能夠防止試樣在轉(zhuǎn)移過程中出現(xiàn)纖維漂浮[12]。為保證試驗在砂樣裝入三軸儀的過程中不受干擾變形，本次試驗直接將拌和好的海砂倒入直徑39.1mm、高度80mm的三軸儀上制備，分3層擊實。研究開展了12組試驗，每組試驗所得數(shù)據(jù)見表2。
表2試驗方案
2.2試驗方法
試驗采用TCK-1型應(yīng)變控制式三軸儀（如圖1）進行三軸壓縮試驗，加載速率為0.80mm/min。選取的劍麻纖維如圖2。試驗中采取100、200和300kPa的圍壓，試驗破壞點的取值以偏應(yīng)力（σ1σ1-σ3σ3）的峰值點作為破壞點，無峰值點時，按5%軸向應(yīng)變相應(yīng)的偏應(yīng)力作為破壞強度值。
圖1TCK-1型應(yīng)變控制式三軸儀
圖2劍麻纖維
3試驗結(jié)果與討論
3.1應(yīng)力應(yīng)變曲線
圖3為各個圍壓下不同FL的應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖3（a）可知，當(dāng)FL=0 mm時（未摻入纖維）時，隨著軸向應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力逐漸增大，在應(yīng)變達到4%時，對應(yīng)圍壓為100kPa的試樣偏應(yīng)力達到峰值。而圍壓為200、300kPa的試樣，在軸向應(yīng)變到達4%時，偏應(yīng)力尚未達到峰值，隨著軸向應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力進一步增大，且圍壓為300kPa時對應(yīng)下的偏應(yīng)力比圍壓為200kPa時對應(yīng)的偏應(yīng)力提高幅度更為明顯，說明圍壓能夠提高純砂樣的峰值強度。
分析圖3(b)—(d)可知，當(dāng)軸向應(yīng)變達到5%時，試樣對應(yīng)（FL=6、12、18 mm）的偏應(yīng)力表現(xiàn)出繼續(xù)增長趨勢，這一結(jié)果表明海砂中加入劍麻纖維能夠提高海洋砂土偏應(yīng)力的峰值點。
對比圖3(a)～(d)可以觀察到，隨著FL的增加，砂土的應(yīng)力幅值有著顯著變化，不同圍壓下，試樣的強度隨著圍壓的增大而增大，當(dāng)軸壓較小時，圍壓對強度的影響也比較小，這是因為較小軸向應(yīng)變下，纖維與土之間還沒有相對滑動趨勢或相對滑動，劍麻纖維還沒有發(fā)揮其作用。隨著軸向應(yīng)變的增大，纖維與砂土之間的摩擦力成為傳力路徑，軸向變形越大，圍壓對偏應(yīng)力的影響也越大。
在對破壞后的試樣做觀察時，纖維沒有出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，可以得出，試樣在破壞時纖維是被拔出而沒有被拉斷，因此只須考慮纖維與土的摩擦力與黏聚力，不必考慮纖維自身的抗拉斷能力。
圖3各個圍壓下不同纖維長度的應(yīng)力應(yīng)變曲線
3.2纖維長度與峰值強度關(guān)系
圖4為纖維長度與峰值強度的關(guān)系圖。由圖可知，隨著FL的增加，峰值強度隨之增加。圍壓強度為300kPa時，FL=18 mm的峰值強度是FL=6mm的1.32倍，是FL=0mm的1.57倍。原因是砂粒之間是松散的，纖維可以很好地對砂粒起著固定作用，纖維越長，則固定的砂粒越多，減少了砂粒之間的滑動，所以FL的增加提高了整體強度。在FL=18mm的纖維土中，圍壓為300kPa的峰值強度是圍壓為200kPa的1.41倍，是圍壓為100kPa的1.93倍。由于低圍壓下，砂土本身無黏聚力，隨著圍壓的增加，砂樣孔隙比降低，增加了砂顆粒間的咬合力，試樣變得更密實。
圖4峰值強度與纖維長度所對應(yīng)的曲線圖
3.3不同纖維長度對應(yīng)的應(yīng)力路徑
應(yīng)力路徑下煙臺海砂的莫爾應(yīng)力圓，如圖5所示。將抗剪強度與法向應(yīng)力的關(guān)系通過擬合可得表3中形式為y=ax+b的線性關(guān)系，其中a代表內(nèi)摩擦角的正切值，b代表黏聚力。從表3中可得，FL的增加，黏聚力有了明顯的提高。當(dāng)FL為6mm時，黏聚力提高了1.47%；FL為12mm時，黏聚力提高了29.81%；FL為18mm時，黏聚力提高了60.24%?？梢?span lang="EN-US">FL為18mm時對應(yīng)的黏聚力要大于纖維含量為6、12mm及不含纖維（FL=0 mm）時砂樣所對應(yīng)的黏聚力。
圖5不同纖維長度對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)三軸莫爾圓
3.4圍壓與彈性模量E0、割線模量E50之間的關(guān)系
彈性模量E0為應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始直線段的斜率，割線模量E50為50%峰值強度對應(yīng)的割線模量。圖6顯示的是圍壓與E0和E50的關(guān)系，結(jié)果表明對于
圖6不同纖維長度下彈性模量、割線模量與圍壓之間的關(guān)系
不同的FL，E0和E50都隨著圍壓的增加而增大。同一圍壓下纖維加筋試樣的E0和E50隨著FL的增加呈現(xiàn)增加的趨勢。
4結(jié)論
（1）劍麻纖維的加入提高了海洋砂土的抗剪強度，軸向應(yīng)變較小時纖維并未發(fā)揮作用，此時纖維的長度對應(yīng)力影響較小，隨著軸向應(yīng)變增大，纖維與土之間的摩擦力使得偏應(yīng)力顯著提高。
（2）試樣抗剪強度隨FL的增加而增加，當(dāng)圍壓控制在100、200、300kPa時。FL為18mm的試樣的抗剪強度分別是不摻加纖維（FL=0 mm）的2、1.57、1.52倍。FL對抗剪強度的影響特別顯著。
（3）根據(jù)不同FL下的應(yīng)力路徑可知，隨著FL的增加，砂土的黏聚力顯著增大。
（4）在摻入FL尚未達到臨界值時，FL不影響圍壓與彈性模量、割線模量之間關(guān)系。
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文章摘自：王成,劉春輝,劉翔寧,張俊,盧龍玉,張夢子.劍麻纖維長度對海砂力學(xué)性能的影響[J/OL].煙臺大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程版):1-6[2021-12-27].DOI:10.13951/j.cnki.37-1213/n.210602.
