劍麻纖維/砂土復合材料三軸剪切強度特性

武立林，錢 衛，劉 瑾，張化鵬

(河海大學 地球科學與工程學院,江蘇 南京 211100)

砂土主要成分是疏松、未黏結的粒狀物質，具有黏聚力低，抗剪強度差，易液化等特點，易引起許多工程地質問題。法國工程師Henry于1963年首次提出加筋土概念，隨后加筋技術在世界各地蓬勃發展[1]。而短纖維加筋技術在近年來成為研究熱點，其將纖維與砂按比例混合成一種復合材料，短纖維易于攪拌，韌性高強度大，Diambra等[2]認為隨機分散的短纖維可有效改善各向異性。針對纖維加筋改善砂土復合材料的力學性質，國內外學者進行了大量研究，李廣信等[3]通過剪切和拉伸試驗對纖維加筋粘性土的特征進行研究發現，纖維加筋可以顯著增加粘性土抗剪強度及在拉力作用下的塑性與韌性；Michalowski等[4]通過對聚丙烯和聚酰胺等合成纖維加筋砂土進行三軸試驗，試驗表明加入少量合成纖維會增加復合材料的破壞應力；Yetimoglu等[5]通過直剪試驗研究發現復合材料中纖維的隨機分布可以有效減小峰后強度損失并改善砂土的脆性性能；唐朝生等[6-8]通過單纖維拉拔等試驗及從掃描電鏡微觀上分析土壤顆粒與聚丙烯纖維接觸面之間的相互力學作用，發現纖維表面與土顆粒間的黏結和摩擦可以增強土體強度；高磊等[9-10]研究表明玄武巖纖維加筋的黏土黏聚力與內摩擦角明顯增大；錢葉琳等[11]使用黃麻纖維對土體進行改良，并研究其強度特性和改良機理，改良效果良好。Sharma等[12]試驗發現纖維夾雜的復合材料抗剪強度和應力-應變響應顯著提高；馮巧等[13-14]通過無側限抗壓試驗研究表明劍麻纖維和高分子固化劑復合加固可明顯提高砂土力學性質。

上述研究都表明纖維加筋作為一種物理加固技術，可以有效增強土體強度，劍麻纖維與聚丙烯等合成纖維相比，彈性模量大，為天然可再生資源，與砂土混合形成的復合材料可廣泛應用于加固路基、邊坡等工程領域。本文以劍麻纖維/砂土復合材料為研究對象，通過一系列三軸剪切試驗研究了纖維摻量、纖維長度和干密度對非飽和砂土復合材料抗剪強度和變形特性的影響。從砂-筋界面作用的角度分析劍麻纖維加筋機制，本文取得的成果可為劍麻纖維加筋砂土在實際工程中的應用提供理論依據。

1 材料與方案

1.1 試驗儀器和材料

試驗采用的儀器為TSZ-1全自動三軸儀，主要由主機、壓力控制器、壓力傳感器、孔壓測量系統、壓力室及容器組成，可測試剪切過程中的應力應變、孔壓及變形特征。本次試驗采用UU試驗研究砂土復合材料的剪切強度特性。試驗所采用的砂土取自于江蘇省南京市江寧區，室內烘干并過2 mm篩備用。砂土的顆粒粒徑分布見圖1，其物理性質見表1，根據《土的工程分類標準》(GB/T 50145—2007)該砂土級配不良。

表1 砂土的物理性質

圖1 砂土的顆粒粒徑分布曲線Fig.1 The particle size distribution curve of the sand

試驗采用的劍麻纖維為天然麻類纖維(束纖維)，可采用NaOH溶液處理纖維去除纖維間的膠質使其分離為單纖維。與聚丙烯等化學合成纖維相比，劍麻纖維屬于可再生資源，具有可利用程度高、成本低、彈性模量大、抗拉效果好等優點。本試驗采用的劍麻纖維長度分別為6、12、18、24、30 mm(圖2)，其主要物理性質如表2所示。

圖2 不同長度的劍麻纖維Fig.2 The sisal fiber of different lengths

表2 劍麻纖維的物理性質

1.2 試驗方案

為研究纖維摻量(Cf)、纖維長度(Lf)以及砂的干密度(ρ)變化對復合材料強度特性的影響，在不同條件下進行UU試驗。試驗采用質量比制備試樣，其中纖維摻量定義為纖維質量與干砂質量百分比：

其中Cf(%)為纖維摻量，Mf(g)為纖維質量，Ms(g)為干砂質量。根據Diambra等[2]研究表明試樣在采用分層夯實法制樣時，會使纖維的水平方向分布占優勢；并且當Cf≥1%時，纖維聚集成團不易與砂土很好地混合從而導致試樣的局部不均勻性。因此，本次研究中選Cf=0.0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%。

本次研究用劍麻纖維/砂土復合材料的制備是依據《土工試驗方案標準》(GB/T50123—2019)進行的。首先稱取適量水(控制試樣含水率為10%)與適量砂土(ρ=1.40、1.45、1.50、1.55 g·cm-3)混合均勻；然后將準備好的纖維加入砂土中攪拌均勻；再將準備好的砂土/纖維混合物的質量分三等分，壓力室底座依次將每份試樣裝入直徑39.1 mm，高80.0 mm的對開圓模，填至并分層擊實達到指定高度完成制備(圖3)。選取的纖維長度為Lf=6、12、18、24、30 mm。

圖3 劍麻纖維/砂土復合材料試樣Fig.3 The specimen of sisal fiber/sand composite material

本次研究中共制備如表3所示的30組砂樣，每組試樣在100、200、300、400 kPa 4個不同圍壓下進行剪切。研究在剪切速率為0.8 mm/min，以最大應變ε=20%的條件下對砂樣的抗剪強度及變形特征進行測試。在本次研究中，取峰值強度或應變15%時的偏應力為破壞點，記錄數據。繪制4個圍壓(σ3)下試樣破壞時的應力莫爾圓及強度包線，計算得出砂樣的黏聚力c和內摩擦角φ。

表3 試樣基本參數

2 結果與分析

通過UU試驗研究Cf、Lf及ρ對纖維/砂土復合材料強度特性的影響，記錄偏應力與應變關系，繪制偏應力(σ1-σ3)與應變ε關系曲線。圖4為ρ=1.50 g·cm-3、Cf=0.4%試樣在不同圍壓下(σ1-σ3)-ε關系曲線。由圖4應力應變曲線斜率分析得出，應變增大過程中，由應力應變曲線斜率分析得出σ1-σ3迅速增加，而后曲線斜率降低表明σ1-σ3增速速率降低至趨于平緩。σ3由100 kPa增加至400 kPa時，初始應變時的σ1-σ3增加速率變大，試樣峰值偏應力不斷增加，表明σ3增加可提升砂樣的初始剛度及抗剪強度。

圖4 加筋砂樣在不同圍壓下(σ1-σ3)-ε曲線Fig.4 The(σ1-σ3)-ε curves of reinforced specimens with different confining pressures

2.1 纖維摻量對試樣強度特性的影響

Lf和σ3一定，試樣的偏應力(σ1-σ3)隨Cf提高不斷增加。圖5為Lf=18 mm砂樣在不同Cf下的(σ1-σ3)-ε曲線，由應力應變曲線斜率可看出，試樣在ε為0～2%時，σ1-σ3迅速增加，曲線的初始斜率基本不變，即纖維加筋對砂土的初始剛度基本沒有影響。未加筋砂樣在出現峰值后，σ1-σ3有明顯下降過程，試樣屈服表現為應變軟化，隨后曲線趨于水平。較純砂在ε約3%時試樣達到峰值偏應力，Cf=0.8%的砂樣在ε約為3%時發生屈服，而后偏應力仍然不斷增加，ε約為17%時達到其峰值偏應力，為典型的應變硬化型。隨Cf增加，纖維/砂土復合材料的破壞應力明顯增加且對應達到破壞應力的ε也增大，表明纖維摻量對復合材料的抗變形能力有重要影響。

圖5 不同纖維摻量試樣在σ3=100 kPa下(σ1-σ3)-ε曲線 (Lf =18 mm、ρ=1.50 g/cm3)Fig.5 The (σ1-σ3)-ε curves of specimens for different fiber contents with σ3=100 kPa(Lf =18 mm、ρ=1.50 g/cm3)

不同纖維摻量(Cf=0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%)的砂樣試驗結果見圖6，從圖6(a)中看出，ρ一定，c隨Cf增加逐漸增加，當Cf=0.4%時，c達到峰值，對應ρ=1.45、1.50和1.55 g·cm-3，砂樣c=44.11、53.14和76.47 kPa，與未加筋砂樣c=16.67、21.74和36.67 kPa相比，c值分別提升264%、244%和208%。由Cf=0.4%增至Cf=0.8%，c值開始下降至33.77、36.49和42.47 kPa，仍大于未加筋砂樣的黏聚力。圖6(b)表明同一ρ下，內摩擦角φ隨Cf增加不斷增加，當Cf增加至0.8%時，φ相較于未加筋試樣提升10.25°～12.81°。

圖6 抗剪強度參數隨纖維摻量變化曲線 (Lf=18 mm)Fig.6 The variation of shear strength parameter with fiber contents (Lf=18 mm)

2.2 纖維長度對試樣強度特性的影響

圖7為加筋砂樣ρ=1.50 g·cm-3、Cf=0.4%、Lf=6、12、18、24、30 mm在σ3=100 kPa下的(σ1-σ3)-ε曲線。根據應力應變曲線斜率分析得出，在ε為0～2%，σ1-σ3提升較快，不同Lf試樣初始剛度基本相同。Lf=6 mm纖維加筋砂樣，在到達破壞應力后，偏應力明顯下降而后趨于平穩，表現出明顯的屈服階段，與未加筋砂樣(σ1-σ3)-ε曲線基本一致。σ3不同時，Lf增加峰值偏應力都具有一個先增后減的趨勢，在18 mm處偏應力增加達到峰值595.25 kPa，對比未加筋砂樣破壞應力343.19 kPa提升了73%，對砂土力學性質具有明顯改善效果。6 mm加筋試樣的破壞應力為375.87 kPa對比未加筋砂樣僅提升9%，對砂土性能沒有明顯改善效果。

圖7 不同纖維長度試樣在σ3=100 kPa下(σ1-σ3)-ε曲線 (Cf=0.4%、ρ=1.50 g/cm3)Fig.7 The (σ1-σ3)-ε curves of specimens for different fiber lengths with σ3=100 kPa (Cf=0.4%、ρ=1.50 g/cm3)

圖8給出了不同纖維長度Lf砂樣試驗結果，圖8(a)表明Cf相同，黏聚力c隨Lf增加具有先增后減的趨勢，c值在Lf=18 mm達到峰值，隨后c開始降低。Lf=18 mm、Cf=0.2%、0.4%和0.6%時，cmax分別為35.07、53.14和45.01 kPa，較未加筋試樣c值分別提升了61%、144%和107%，其中Cf=0.4%時，c值要普遍高于Cf=0.2%與0.6%的試樣的黏聚力。從圖8(b)看出加筋砂樣內摩擦角φ隨Lf增加同樣為先增后減的趨勢，當Cf=0.6%、Lf=18 mm時，φ最大為44.54°，φ在Lf大于18 mm后開始下降。Lf從12 mm增加到18 mm時，內摩擦角提升的效果最為明顯。Lf=6 mm時，c、φ隨纖維摻量的改變沒有明顯變化，說明6 mm纖維對于砂土抗剪強度的提升沒有影響。

圖8 抗剪強度參數隨纖維長度變化曲線 (ρ=1.50 g/cm3)Fig.8 The variation of shear strength parameter with fiber lengths (ρ=1.50 g/cm3)

2.3 干密度對試樣強度特性的影響

圖9為加筋試樣Lf=18 mm、Cf=0.4%、ρ=1.40、1.45、1.50和1.55 g·cm-3在σ3=400 kPa下的(σ1-σ3)-ε曲線。由應力應變曲線斜率可看出，σ1-σ3隨ε先迅速增加至一定值后繼續緩慢增加后趨于平緩，符合一般規律。而σ1-σ3及破壞應力隨ρ增加而緩慢增加，增幅較小，當ρ由1.50 g·cm-3增至1.55 g·cm-3時，σ1-σ3明顯增大。

圖9 不同密度試樣在σ3=400 kPa下(σ1-σ3)-ε曲線(Lf =18 mm、Cf=0.4 %)Fig.9 The (σ1-σ3)-ε curves of specimens for different densities with σ3=400 kPa (Lf=18 mm、Cf=0.4 %)

圖10給出了18 mm各纖維摻量Cf砂樣在不同干密度ρ的剪切試驗結果，Cf和Lf一定時，ρ提高可以有效改善砂樣的抗剪強度。從圖10(a)中可看出，ρ=1.40～1.55 g·cm-3，c隨ρ增大而增大，且在1.50～1.55 g·cm-3區間內增加最快。Cf=0、0.2%和0.4%，c在ρ=1.55 g·cm-3處最大分別為36.67、56.84和76.47 kPa，較ρ=1.40 g·cm-3處c=16.07、22.0和36.20 kPa提升了128%、157%和111%。Cf不同的砂樣，砂樣越密實c越高。圖10(b)表明未加筋與加筋砂樣的φ在1.40～1.55 g·cm-3區間內均隨ρ增大而增大，但增幅有所區別，未加筋砂樣φ從33.06°增長至36.73°，增幅約4°，Cf=0.2%試樣φ從37.16°增至38.46°，Cf=0.4%試樣φ從39.20°增至40.87°，增幅較小，但加筋砂樣φ仍遠大于同等條件下未加筋砂樣φ。

3 機制分析

3.1 纖維摻量對試樣強度特性影響的機制分析

在試樣含水率為10%的情況下，Cf為0～0.4%時，由于纖維加筋占據砂土顆粒之間的孔隙，使其孔隙率減小，土/土與土/筋之間毛細水作用增強，使其黏聚力增加。Cf超過0.4%時，顆粒間的孔隙過低，且纖維本身吸收水分，反而使得毛細水作用力減小，c降低，但仍大于未加筋砂樣。Cf較低時，較少纖維散布在砂土顆粒間，受力變形時，砂土顆粒與纖維之間的咬合摩擦力和滑動摩擦力起主要作用，φ增加。Cf增加，纖維不僅提供單根拉筋作用，較多的纖維組成三維結構，土-筋間咬合摩擦力和滑動摩擦力顯著提高，使φ隨Cf增加不斷增加。

在試樣壓縮變形過程中，試樣內砂粒重新排布，纖維重新定向，對于圍壓和纖維含量較高的纖維，峰后偏應力沒有明顯下降。試驗結果表明，纖維加筋能使砂土的脆性行為發生改變，使其具有一定的延展性，即增加了纖維加筋砂樣的韌性，加入纖維后，砂土的抗剪強度增強。說明纖維加筋對較小軸向應變作用不大，隨著軸向應變的增大，顆粒間相互錯動，土-筋間咬合摩擦力和滑動摩擦力限制纖維相對于顆粒的滑動，分布在孔隙間纖維被逐漸拉伸至繃直狀態，由于其彈性模量高達450～700 MPa，承受了較大拉力，顆粒重新排布的阻力變大，限制了砂體的徑向形變，說明纖維加筋有效地改善了砂土的力學性質。圖11展示了未加筋砂樣與Cf=0.8%加筋砂樣達到破壞應力時的對比，根據Hatibu等[15]的破壞模式判定，未加筋試樣具有明顯剪切面，而纖維加筋具有明顯的韌性破壞模式，說明纖維加筋可以有效地增強砂樣的韌性和抗變形的能力。

3.2 纖維長度對試樣強度特性影響的機制分析

當砂的顆粒粒徑與纖維長度接近時，對砂土強度特性不會起強化效果。纖維加筋的長度至少要比晶粒的尺寸大一個數量級，否則復合材料中沒有有效的砂-纖維相互作用，與Radoslaw等[16]提出的觀點一致。Lf增加，即使纖維數量減少，但較長纖維仍比短纖維對復合強度的貢獻更大，砂樣受力剪切過程中，纖維的軸向拉力與纖維與砂體間界面摩擦力相等(圖12)，更長的纖維可以提供更大應力，對復合材料的強度貢獻更大，試樣的c、φ均有明顯提升，但在Lf=18 mm時達到臨界值。纖維長度過長時，纖維數量減少，且在裝樣過程中纖維易貼于內壁，使在試樣中豎直分布的纖維數量增多。在砂樣中在三軸剪切過程中，纖維水平分布與砂體延伸方向一致對于砂體應力提升貢獻最大，砂體中豎直分布的纖維剪切過程中受到壓縮，對于應力的提升沒有作用。導致纖維長度從18 mm繼續增加使其抗剪強度反而降低。

圖12 纖維與砂粒局部作用力示意圖Fig.12 The schematic of local force between fibers and sand particles

3.3 干密度對試樣強度特性影響的機制分析

砂樣由松散到密實，其孔隙率降低，顯著提高砂-砂及砂-筋間有效接觸面積，且由于砂顆粒硬度遠遠大于纖維硬度，纖維未發生明顯形變，而隨著復合材料試樣密度增加，纖維被砂顆粒擠壓發生塑性形變(圖13)。說明在擊實制備干密度較大的砂樣過程中，砂顆粒擠壓纖維使其發生塑性形變，表面變得更加粗糙，砂顆粒對纖維體滲透深度變大，砂顆粒與纖維間更加契合。由于有效接觸面積的改變直接影響摩擦力與黏結力大小，兩種因素使得砂樣在受力變形過程中剪切阻力顯著提高。

圖13 不同密度試樣接觸關系微觀示意圖Fig.13 Microcosmic diagram of contact relationship of samples with different densities

4 結論

1)在砂性土中摻入纖維可以有效改善砂體的抗剪強度參數以及抗變形能力，100 kPa的圍壓條件下，隨著纖維摻量的增加，相較于純砂在ε約為3%時試樣達到峰值偏應力343.18 kPa，0.8%摻量的砂樣在ε約為3%時發生屈服后，偏應力仍然不斷增加，至ε約為17%時才達到峰值偏應力899.17 kPa，為典型的應變硬化型。有效提高了土體韌性，密度一定，黏聚力隨纖維摻量增加逐漸增加，當Cf=0.4%時，黏聚力達到峰值53.14 kPa，而內摩擦角φ隨纖維摻量增加不斷增加，當Cf增加至0.8%時，φ相較于未加筋試樣提升10.25°～12.81°。提升復合材料抗變形能力，纖維加筋對材料的初始剛度沒有影響。

2)隨著纖維長度增加，纖維/砂土復合材料的抗剪強度參數及峰值偏應力呈現一個先增后減的趨勢，纖維長度18 mm、纖維摻量0.4%時，黏聚力為53.14 kPa較未加筋試樣提升了144%，內摩擦角最大為44.54°，當Lf大于18 mm后開始下降。100 kPa圍壓下，偏應力增加達到峰值595.25 kPa，對比未加筋砂樣破壞應力343.19 kPa提升了73%，此時纖維長度18 mm為最優纖維加筋長度。同等纖維摻量的纖維數量與長度更適合形成有效的三維網狀結構，提升纖維在拉伸受力過程中的咬合摩擦力。

3)復合材料隨干密度增加變得密實，孔隙減小，纖維發生塑性形變，砂-筋間有效接觸面積增加，界面作用力提高，纖維長度18 mm、纖維摻量0.4%，當試樣密度由1.40 g·cm-3增加到1.55 g·cm-3時，100 kPa圍壓下偏應力由565.60 kPa增加至685.44 kPa，剪切變形過程中阻力增大，可以更加充分發揮纖維加筋作用，同時密度的增加對抗剪強度參數的提升較小。