纖維加筋紅黏土強度特性試驗及微觀機理分析

顧展飛, 趙學文,2, 張明飛

(1.鄭州航空工業(yè)管理學院,河南 鄭州 450046; 2.廣州華磊建筑基礎工程有限公司,廣東 廣州 510403)

城市化進程的加快導致城市生活垃圾日益增加,如何正確有效處理城市垃圾,已成為現(xiàn)階段可持續(xù)和高質量發(fā)展的關鍵問題之一。當前采用較廣泛的垃圾處理方法是衛(wèi)生填埋法,填埋場工程中常選用黏性土作為垃圾填埋場頂、底部的防滲層材料,黏性土一般強度較低,當不均勻沉降發(fā)生時,土體易被拉斷導致垃圾滲濾液滲漏,污染城市地下水土環(huán)境[1]。為改善黏性土作為垃圾填埋場防滲材料時強度較低、易被拉斷的問題,需對其進行改良加固,使黏土具有一定的抗拉和抗剪強度。

紅黏土是典型的黏性土,屬于特殊性土,主要分布在湖南、貴州、云南及廣西等西南地區(qū)[2-3]。近年來,有許多學者針對紅黏土的改良展開了一系列研究,研究發(fā)現(xiàn):納米石墨粉摻入紅黏土中后,對土體的黏聚力影響十分明顯,但對內摩擦角的作用較小,抗剪強度隨著納米石墨粉摻入量的增加,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢[4-5]。將水泥摻進紅黏土中后,水泥紅黏土的黏聚力、內摩擦角隨水泥摻量的增大表現(xiàn)出正相關的變化規(guī)律[6-7]。微生物摻入紅黏土中后可提高土體的抗剪強度[8]?，F(xiàn)有的紅黏土改良研究主要是以化學方法為主,該方法雖在一定程度上可以改善土體的力學特性,但會提高土體的脆性,還會對土壤環(huán)境造成一定的污染,不符合綠色環(huán)保發(fā)展理念。

纖維加筋技術是近年來興起的一種有效改良土體力學特性的物理方法,其中比較常見的加筋材料是聚丙烯纖維。聚丙烯纖維具有抗拉和抗剪強度高、吸水性小、抗高(低)溫性能好、價格低廉、綠色環(huán)保、改良效果顯著等優(yōu)點,在工程實踐中得到廣泛應用,成為學術界研究的熱點。AL-MAHBASHI A M等[9]研究了表面形態(tài)不同的聚丙烯纖維對膨脹黏性土的水土特征曲線的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn),在土中摻入石灰后可以使纖維表面變得粗糙,加強了與土顆粒的黏結,從而改善了土體的力學性能。肖慶一等[10]通過劈裂強度試驗發(fā)現(xiàn),0.45%摻量的聚丙烯纖維可顯著提高二灰穩(wěn)定紅黏土的力學性能,可緩解廢棄紅黏土不可再利用造成的環(huán)境污染問題。張金良等[11]使用自主研發(fā)的試驗設備及新型固化劑,改良了黃土的抗沖刷性能。李軍發(fā)等[12]研究了凍融條件下聚丙烯纖維改良土的力學性質,得出了纖維改良土的最佳摻量為0.3%、最佳長度為9 mm的結論。陳樂等[13]通過一維固結試驗研究了聚丙烯纖維加筋高嶺土的壓縮特性及對固結系數(shù)的影響規(guī)律。安寧等[14]研究發(fā)現(xiàn),黃土中摻入聚丙烯纖維后,土體的抗剪強度、抗崩解性、滲透系數(shù)均得到提升或增大。沈飛凡等[15]通過室內試驗研究發(fā)現(xiàn),聚丙烯纖維摻入膨潤土中后,可有效抑制土體剪切破壞時裂縫的進一步發(fā)展,也可提高土體的抗剪強度,其中對土體黏聚力的影響遠大于對內摩擦角的影響。

目前,關于聚丙烯纖維加筋土的研究對象僅限于膨潤土、黃土、高嶺土、二灰紅黏土等土體,對素紅黏土的研究鮮有報道,已有報道多關注對土體力學性能指標變化規(guī)律的研究[16],對纖維加筋土的微觀作用機理研究不夠深入。本文以聚丙烯纖維為改良材料,以纖維長度和摻量為變量,開展聚丙烯纖維加筋紅黏土(以下均簡稱纖維紅黏土)的抗剪強度特性研究;結合掃描電子顯微鏡測試,從微觀角度揭示纖維對紅黏土強度特性的微觀作用機理,采用SPSS軟件模擬分析,建立纖維長度、纖維摻量與纖維紅黏土的c(黏聚力)和φ(內摩擦角)的函數(shù)關系模型,以期為紅黏土地區(qū)的垃圾填埋場防滲層設計提供理論參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗土樣取自湖南省衡陽市某大學新建教學樓的施工場地,土體的物理參數(shù)指標見表1。纖維選取聚丙烯纖維,物理力學參數(shù)見表2。

表1 紅黏土的基本物理性質

表2 聚丙烯纖維的參數(shù)

1.2 纖維紅黏土強度特性試驗

1.2.1 試驗方案

以黏聚力c和內摩擦角φ作為直剪試驗的考核指標,纖維長度、纖維摻量(纖維質量與干土質量的百分比)為變量,各土樣的編號、纖維長度及纖維摻量見表3。

表3 單因素抗剪強度試驗方案

1.2.2 試樣制備

1)直接剪切試驗試樣制備:①取適量土樣放入 100～110 ℃烘箱中烘干,按最優(yōu)含水率及纖維摻量計算出所需水和纖維的質量,然后稱取合適的水、干土和纖維,拌和均勻。②制樣過程中先噴灑一定的水分,以避免土樣太干燥纖維出現(xiàn)抱團。③然后將纖維分散均勻撒入土中,最后將剩余水分全部灑入,充分攪拌。④土樣制好后,裝入塑料袋里,養(yǎng)護24 h,稱取適量土體放入環(huán)刀中,采用千斤頂壓實土樣。直剪試驗的每組試驗中壓制4個土樣,每組因素水平下設置2組平行試驗。

2)電鏡掃描試樣制備:選取各試樣剪切面上具有代表性的部位制成1 cm3大小的方塊放于制樣臺上,對其進行噴金處理后備用。

1.2.3 試驗儀器

直剪試驗采用應變控制式四聯(lián)直剪儀,剪切速率為0.8 mm/min。電鏡掃描試驗采用的電鏡是型號為S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡。

2 試驗結果與分析

2.1 直剪試驗結果與分析

試驗得到素紅黏土黏聚力c值為20.18 kPa、內摩擦角φ值為17.26°。根據(jù)試驗結果繪制不同纖維長度、不同纖維摻量條件下抗剪強度指標的變化規(guī)律,如圖1—4所示。

圖1 纖維紅黏土黏聚力c隨纖維長度變化的關系曲線

2.1.1 纖維長度對紅黏土黏聚力c的影響

由圖 1 可看出,各纖維摻量下纖維紅黏土的黏聚力c值均大于素紅黏土的,且隨纖維長度增加先增大后減小:在纖維長度為 3～9 mm 范圍內,各纖維紅黏土c值均隨著纖維長度的增大而增大;在纖維長度為6～9 mm范圍內,c值的增大幅度較明顯,最大增加值為10.22 kPa;當纖維長度持續(xù)增大至12 mm時,c值的變化曲線出現(xiàn)拐點,此時纖維紅黏土c值隨纖維長度的增加而減小,且減小幅度較接近,說明并不是纖維長度越長,纖維加筋效果就越顯著。在纖維長度為9 mm時,各摻量纖維紅黏土的c值出現(xiàn)了峰值。各纖維紅黏土在纖維長度為9 mm、纖維摻量為0.5%時c值達到最大值,為60.58 kPa,較素紅黏土的提高了200.20%。

2.1.2 纖維長度對紅黏土內摩擦角φ的影響

由圖2可知:在0.2%、0.5%纖維摻量下φ值變化規(guī)律呈現(xiàn)出較好的同步性;纖維摻量分別為0.1%、0.3%土體的φ值變化規(guī)律較一致。整體而言,纖維長度對纖維紅黏土φ影響較小,纖維紅黏土φ值與素紅黏土φ值非常接近,纖維紅黏土φ值隨纖維長度變化無明顯變化規(guī)律。

圖2 纖維紅黏土內摩擦角φ隨纖維長度變化的關系曲線

2.1.3 纖維摻量對紅黏土黏聚力c的影響

由圖3可看出:聚丙烯纖維摻入到土體中后,纖維紅黏土土體的c值均遠高于素紅黏土的。纖維紅黏土c值隨纖維摻量的增加,其變化曲線整體均表現(xiàn)出雙峰型的變化規(guī)律。纖維摻量由0.1%增大至0.2%時,不同長度纖維紅黏土c值均小幅度增加,而后隨著纖維摻量增大至0.3%～0.4%時,c值均先小幅度減小后趨于穩(wěn)定,在纖維摻量為0.2%時,各長度纖維紅黏土c值達到第一個峰值;當纖維摻量持續(xù)增大至0.5%,各長度纖維紅黏土c值均增大,且增大幅度明顯,最大增大值為18.23 kPa;當纖維摻量持續(xù)增大至0.7%時,c值變化曲線出現(xiàn)拐點,此時纖維紅黏土c值隨纖維摻量的增加而減小,且下降幅度較一致,在纖維摻量為0.5%時,纖維紅黏土的c值出現(xiàn)了第2個峰值。

圖3 纖維紅黏土黏聚力c隨纖維摻量變化的關系曲線

2.1.4 纖維摻量對內摩擦角φ的影響

從圖4中可以看出:纖維紅黏土的內摩擦角φ值隨纖維摻量的增加無明顯變化規(guī)律,隨纖維摻量的增加,纖維紅黏土的φ值在素紅黏土的φ值附近上下波動。整體來看,纖維摻量對φ的影響較小。在纖維摻量分別為0.1%、0.2%、0.5%時,各纖維紅黏土的φ值均低于素紅黏土的;在纖維長度為9 mm、纖維摻量為0.3%時,纖維紅黏土的φ值達到峰值19.20°。

圖4 纖維紅黏土內摩擦角φ值隨纖維摻量變化的關系曲線

2.1.5 纖維紅黏土黏聚力與纖維長度、纖維摻量的二元非線性回歸模型的建立

綜上所述:纖維長度和摻量對抗剪強度指標c的影響較大,對φ的影響較小且無規(guī)律。基于上述試驗結果,運用SPSS軟件分別對纖維長度與c值、纖維摻量與c值進行曲線估計,最后進行非線性回歸建立纖維紅黏土c的二元非線性回歸模型,如下:

式中:x1表示纖維長度;x2表示纖維摻量。

通過回歸分析得出c的非線性模型的相關系數(shù)為0.962,接近1,表明該模型的擬合效果極佳,可為相關的工程應用提供理論參考。

2.2 掃描電鏡試驗結果與分析

不同纖維長度、不同纖維摻量的纖維紅黏土筋-土作用界面的微觀形態(tài)特征圖像及纖維在紅黏土中的排列分布特征見圖5。從圖5中可看出:

圖5 纖維紅黏土筋-土作用界面的微觀形態(tài)特征SEM圖

1) 當纖維較短(3 mm)、摻量較少(0.1%～0.2%)時,纖維在紅黏土中呈隨機散亂的無定向分布排列,纖維相互間未見相交現(xiàn)象(如圖5(a)所示);在外力作用下,土顆粒會鑲嵌在纖維中(如圖5(b)所示),此時纖維與土體的接觸面積較小。當土體在荷載作用下發(fā)生剪切位移或破壞時,因纖維的變形剛度大于黏土顆粒的,使得纖維的剪切位移小于黏土顆粒的,兩者間的相對位移使得筋-土接觸界面產(chǎn)生了作用力,可將此類界面作用描述為筋-土界面的鑲嵌作用,此作用方式在纖維長度較小時容易出現(xiàn)。

2) 隨著纖維長度增長至6 mm、摻量適中 (0.3%～0.4%)時,纖維在紅黏土中主要以平行或垂直于土體的方式分布于紅黏土中(如圖5(c)所示),與黏土顆粒充分接觸,筋-土界面纖維與土顆粒接觸面積增多,在外力作用下可起到單向包圍的作用(如圖5(d)所示);纖維間開始出現(xiàn)定向排列分布現(xiàn)象,但仍未出現(xiàn)明顯的相交現(xiàn)象。

3) 隨著纖維長度和纖維摻量的進一步增加,垂直和平行于土體的纖維發(fā)生彎曲變形,相互交叉(如圖5(e)所示),筋-土界面處土顆粒與纖維的接觸面積進一步增大,筋-土界面形成平面包裹在土體顆粒表面(如圖5(f)所示),使土顆粒間孔隙減小形成團聚體,有利于提高顆粒間的咬合摩擦力。

4) 在紅黏土中摻入較長、較多的纖維后,纖維與紅黏土的相對位置出現(xiàn)垂直、斜交、平行3種形式,且纖維由直線型變成彎曲型,纖維以無定向排列方式分布在土體中且相互交織(如圖5(g)所示)。纖維與纖維間明顯可見平行或相交現(xiàn)象,形成三維空間網(wǎng)狀結構(如圖5(h)所示),筋-土表面接觸面積顯著增大,且筋-土界面處產(chǎn)生的作用力呈多方向分布。

整體而言,纖維摻入紅黏土中后,與紅黏土間存在鑲嵌、單向包圍、平面包裹、三維空間網(wǎng)4種作用方式,隨著纖維長度和纖維摻量的變化,4種作用方式可相互間發(fā)生轉變。纖維在紅黏土中的排列分布隨纖維長度及纖維摻量的變化而變化。

3 纖維長度和摻量對纖維紅黏土強度的影響機理分析

基于不同長度、不同摻量纖維下纖維紅黏土筋-土作用界面的微觀形態(tài)特征及纖維在紅黏土中排列分布的微觀特征SEM圖像結果,對3、6、9、12 mm長度纖維在紅黏土中的微觀分布排列模型做出如圖6的假設,從微觀角度探討并揭示纖維紅黏土的力學性質。

圖6 不同長度纖維在紅黏土中的微觀分布排列模型

3.1 纖維長度對紅黏土黏聚力c的影響

從圖6(a)中可以看出:當纖維長度較短(3 mm)時,纖維以近似針型的形狀呈無固定方向填充于土顆粒間的活性孔隙中,在一定程度上間接增加了土體的結構性,此時在外力作用下,筋-土界面的作用方式為鑲嵌,鑲嵌作用產(chǎn)生的界面作用可以限制土顆粒的錯移,也使纖維發(fā)生拉伸變形,使得纖維分擔一部分的拉應力,對土體的強度提高有限。宏觀表現(xiàn)為纖維長度3 mm的纖維紅黏土黏聚力c較素紅黏土的有一定提高。

觀察圖6(b)可發(fā)現(xiàn),當纖維長度適中(6 mm)時,纖維以“平躺”的方式定向分布在土體中,纖維與土顆粒接觸面積較3 mm纖維長度時有所增大,纖維筋-土界面的單向包圍作用在一定程度上可有效限制土顆粒的位移,增大顆粒與顆粒間的咬合摩擦力,從而使c值得到進一步提高。

當纖維長度為 9 mm時,纖維自身易彎曲變形,形成平面包裹作用和三維空間纖維網(wǎng)結構(如圖6(c)所示),在荷載作用下,當某方向的一根纖維發(fā)生受拉變形,將會牽動其他多個方向與之相交的纖維同時發(fā)生位移來共同承擔外界破壞作用力,使荷載承受區(qū)域加大,形成三維空間受力網(wǎng),充分發(fā)揮三維拉筋作用,使得土體強度大幅度提高。

隨著纖維長度進一步增大至12 mm(如圖6(d)所示),纖維紅黏土c值不增反減。原因是:纖維長度過長容易使纖維相互間發(fā)生纏繞,形成架空的纖維網(wǎng),外力作用時,三維空間網(wǎng)內部的纖維還來不及發(fā)生受力變形,土體就已經(jīng)發(fā)生變形破壞,即三維空間網(wǎng)內部的纖維被動成為無效纖維,無法起到承擔一部分破壞力的作用,因此,相對9 mm長度纖維而言,盡管纖維長度有所增加,但是真正起到作用的纖維相對減少,從而造成黏聚力c值相對減小。

3.2 纖維摻量對紅黏土黏聚力c的影響

已有研究表明,纖維提高土體的抗剪強度的程度受纖維方向(纖維與剪切作用面的夾角)的影響,具體提高程度取決于纖維與剪切面夾角大小的隨機程度,纖維隨機均勻分布于土體中是最好的布置方式;當纖維摻量較少時(摻量為0.1%),分布在剪切面上的纖維相對較少,纖維方向的隨機程度有限,土體的抗剪強度受纖維方向的影響程度較小;當纖維摻量增大至0.2%時,纖維數(shù)量增多,纖維方向的隨機程度較纖維摻量0.1%時有所提高,故c值進一步增大。但隨著纖維摻量進一步增大至0.3%～0.4%后,理論上應為纖維數(shù)量增多,筋-土界面接觸面積增大,界面摩擦力增大,c值會持續(xù)增大,但試驗結果顯示為c值減小。分析其原因為:纖維摻量增大為0.3%～0.4%時,在剪切面上平行于剪切面方向排列的纖維數(shù)量增多,即各纖維與剪切面夾角較接近,間接減小了纖維方向的隨機程度,故出現(xiàn)隨纖維摻量增大c值反而減小的現(xiàn)象;當纖維摻量增大到0.5%時,在剪切面上纖維隨機分布的增加程度遠大于纖維定向分布的增加程度,從而纖維紅黏土c值大幅度增加;當纖維摻量增大至0.7%時,纖維數(shù)量增多后導致纖維定向平行排列的機會增大,此時纖維對土體的作用以平面包裹作用為主,三維空間網(wǎng)狀結構較0.5%纖維摻量的相對弱化,宏觀表現(xiàn)為c值相對減小。

3.3 纖維長度和摻量對紅黏土內摩擦角φ的影響

一方面纖維與土顆粒接觸面積隨著纖維長度和摻量的變化而變化,即當纖維長度和摻量越大時,此時土顆粒間的接觸被纖維與顆粒、纖維與纖維間的接觸代替的越多,間接減小了土顆粒間的接觸面積,且纖維表面比土顆粒光滑,使得土體的整體咬合摩擦系數(shù)減小,易引起φ值減小;另一方面纖維摻入紅黏土后形成的平面包裹作用和三維空間網(wǎng)狀作用可對土體產(chǎn)生包圍作用,此作用可增強土體顆粒相互之間的咬合摩擦,引起φ值增加。但由于土顆粒間的接觸面被替代引起φ值減小的程度與纖維包圍作用引起的φ值增加的程度無法定量描述,故不能定量解釋φ與纖維長度和摻量間的影響關系,宏觀表現(xiàn)為隨纖維長度和摻量的變化φ值無明顯變化規(guī)律。

4 結論

1)纖維紅黏土的黏聚力c隨纖維長度的增加先增大后減小,變化規(guī)律較一致且均高于素紅黏土的;纖維紅黏土黏聚力c值隨纖維摻量的增加,整體均表現(xiàn)出雙峰型的變化規(guī)律;纖維紅黏土內摩擦角φ受纖維長度和摻量的影響較小,纖維紅黏土內摩擦角φ值與素紅黏土內摩擦角φ值十分接近。纖維摻入紅黏土中可有效提高土體的抗剪強度,纖維的最優(yōu)長度為9 mm、最優(yōu)摻量為0.5%。

2)纖維長度和摻量與黏聚力c的多元非線性回歸模型的相關系數(shù)為0.962,接近1,表明該模型的擬合效果佳,可為相關工程實踐及應用提供參考。

3)通過掃描電鏡SEM圖像分析可知:纖維摻入紅黏土中后,與紅黏土筋-土界面存在鑲嵌、單向包圍、平面包裹、三維空間網(wǎng)4種作用方式。各作用方式對土樣強度的提高能力滿足:鑲嵌作用<單向包圍作用<平面包裹作用<三維空間網(wǎng)作用。

4)從微觀角度對纖維加筋紅黏土強度特性的作用機理進行了分析,隨著纖維長度和摻量的變化,筋-土界面作用方式及纖維在土中的排列分布均發(fā)生改變,從而引起纖維紅黏土強度指標黏聚力c值、內摩擦角φ值的改變。該研究成果可為紅黏土地區(qū)的垃圾填埋場防滲設計提供理論參考。