棕榈纤维加筋土强度特性试验研究

张洪东，李海峰，李贺勇，刘瑾，胡恬静，张化鹏，赵宁宁

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2.河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 211100；3.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

作为一种良好的天然防渗材料，黏土因具备成本低、易取材等特点，在垃圾填埋、矿山复绿、水利工程等领域得到了广泛应用（杨倩，2016；韩贵雷和贾伟杰，2019）。同时，黏土存在压缩性大、固结沉降周期长、遇水变形、失水收缩后产生干裂缝等不良工程特性。随着各类工程建设项目的逐渐增多，土岩边坡在强烈的构造活动及持续降雨、流水、自重应力场等内外营力作用的耦合下，常发生崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，破坏了生态环境，造成了难以估量的经济损失及人员伤亡，因此亟需对黏土的不良工程地质特性进行改良，以满足工程实际需要，减少自然灾害发生（王进，2016；张欣等，2018）。

目前已有大量的土体改良技术被付诸实践，方法主要包括物理加固法和化学加固法。纤维加筋技术作为一种物理加固方法，是指将纤维材料以一定比例均匀分散至土体内部，形成一种新型的土工复合材料，即纤维加筋土，从而达到优化土体工程性能的目的。其中，天然纤维运输方便、价格低廉，有利于降低施工成本。同时，天然纤维分散性好，能在土体中均匀分布，进而在各个方向上发挥加筋作用，克服了传统土工合成材料须根据间距进行布设，导致土体存在软弱结构面的缺点，与其他加固材料相比，发展前景广阔。因此，纤维加筋技术在岩土工程领域不断发展壮大，已成为常见的可持续土加固技术之一（何忠明等，2019；Fagone et al.,2017），也是近年来研究的热门方向。

Aymerich et al.（2016）研究了静载荷和冲击弯曲载荷作用下大麻纤维加筋土的承载能力、抗裂性和能量吸收性能，试验结果证实纤维的掺入可有效改善土体的强度指标；Hejazi et al.（2012）通过对不同种类的天然纤维加筋土进行与无侧限抗压与直剪试验试验发现，天然纤维提高了土体的峰值强度和残余强度，使试样应力应变关系由应变软化转为应变硬化型；刘建龙等（2018）发现棉纤维对黄土的变形破坏模式具有显著影响，即素黄土存在明显剪切破坏面，而部分纤维随机分布的加筋土试样没有明显破坏面，表现为“裂而不断”的特点；李陈财等（2015）经研究得出麦秸秆通过与土体混合时通过摩擦作用与土体在受剪时协同变形而提高上海黏土的抗剪强度并显著提高加筋土的黏聚力。

对于纤维加筋土体研究，加筋率和干密度等影响着纤维的加筋效果，因而一直被研究者重点关注，并对二者的作用效果进行了一系列系统研究。曹智民和璩继立（2019）指出，棕榈纤维可显著提高上海黏土的无侧限抗压强度与延性，且其提高幅度与加筋率密切相关；李贝贝等（2014）通过研究不同纤维掺入量下土样的直剪试验强度与抗压试验强度，得出加筋黏土的最佳加筋率；Wang et al.（2016）研究了干密度与加筋率对膨胀土抗剪性能的影响，证明干密度与加筋率均能显著影响土体内聚力大小，而土体抗剪强度在加筋率达到峰值后逐渐减弱；刘思奇等（2016）根据极差分析方法，研究了不同因素对木质纤维加筋土抗剪强度的影响，试验结果表明含水率>压实度>加筋率。

棕榈纤维作为一种天然材料，具有产量大、易获取，同时具备分散性佳、防腐性好、抗拉裂性能好、内部结构疏松多孔等特点（张有等，2016）。因此分布于土体内部的棕榈纤维除了可以起到良好的抗压与抗变形作用外，其自身结构还能长期维持完整性及透气性，保证了土体加固的可靠性与持久性，降低了施工后的维护成本。因此，本文以棕榈纤维为加筋材料，基于无侧限抗压强度试验与直接剪切试验，研究了干密度和加筋率对纤维加筋土强度特性的影响，并分析了其固土机理，以期研究结果为棕榈纤维加固土体的理论研究与工程实践提供参考依据。

1 试验方案

1.1 试验材料

本次试验材料为黏土与棕榈纤维。黏土取自于浙江省丽水市某基坑，棕榈纤维采购自当地市场。将黏土烘干碾碎后过2 mm土工筛备用，过筛后的土见图1a，其物理性质见表1。将当地市场购买的原始棕榈纤维剔除杂质，剪成长度为20 mm的短切棕榈纤维备用。棕榈纤维见图1b，棕榈纤维物理力学参数见表2。

图1 试验材料浙江黏土（a）和棕榈纤维（b）照片

表1 试验用黏土的物理参数

表2 棕榈纤维的物理性质

1.2 试样制备

本文通过测试含水率一定时，不同干密度与加筋率下黏土的无侧限抗压强度以探究干密度与加筋率对棕榈纤维改良黏土强度的影响。本次试验设置了干密度与加筋率（纤维与干黏土质量百分比）两个影响因素，采用土体最优含水率20%进行试验。黏土的干密度（ρ）分别设置为1.55 g/cm3、1.6 g/cm3、1.65 g/cm3，棕榈纤维率（WPF）分别置为0、0.2%、0.4%、0.6%。

在试样制备过程中，首先取适量烘干过筛后的黏土加水，混合均匀后装入塑料袋密封，静置24 h后取出土样，依照试验方案加入不同含量的棕榈纤维，混合均匀后倒入模具，压实至指定尺寸并静置一段时后脱除模具，在恒温25℃下养护24 h后进行试验。黏土与纤维拌合物及试样见图2。

图2 纤维与土拌合物照片（a）；无侧限抗压强度试验试样照片（b）；直接剪切试验试样照片（c）

1.3 试验方法

1.3.1 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验采用的是南京宁曦土壤仪器有限公司生产的TSZ 全自动三轴仪，剪切速率为0.8 mm/min，采样步长为5%，轴向应变达12%时停止试验。试样直径为39.1 mm，高度为80 mm。

1.3.2 直接剪切试验

直接剪切试验采用南京土壤仪器厂生产的ZJ 型应变控制式直剪仪，试验过程中施加的垂直四级荷载分别是100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，剪切过程中应变速率为2.4 mm/min，若未出现明显峰值强度，则取剪切位移达到400 mm时的抗剪强度为峰值强度。试样直径为61.8 mm，高度为20 mm。

2 试验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度试验

表3列出了不同干密度与加筋率下试样的无侧限抗压强度（σc）。从表中可以看出，试样抗压强度随黏土密度的增加而持续增强。当加筋率不超过0.4%时，试样抗压强度随加筋率增大而增大，当加筋率超过0.4%时，试样抗压强度随加筋率的增大而减小。

表3 不同密度和加筋率试样的无侧限抗压强度

2.1.1 应力应变曲线分析

含水率下变密度与变加筋率条件下的应力应变曲线见图3。从图3可以看出，对于不同密度的试样，其轴向应力与轴向应变曲线整体呈抛物线型，纤维土抗压强度高于素土。在相同含水率与密度下，相比于素土，加筋率为0.2%的试样无侧限抗压强度增量较小，加筋率为0.4%的试样无侧限抗压强度却有显著提高；在达到峰值强度之前，相同含水率与干密度下，随着加筋率的增大，素土与加筋土峰值强度均随应变迅速增大，但素土在轴向应力到达峰值后，其应力应变曲线较棕榈纤维加筋土下降更快，呈现出较小的残余强度。说明棕榈纤维在提升土体的强度的同时，还使试样的应力应变特性由应变软化型逐渐过渡为应变硬化型，即棕榈纤维的掺入导致试样呈现出压硬性，试样破坏多为变形控制而非强度控制，而素土一般表现为小应变下的强度破坏。

图3 不同密度与加筋率下试样的应力应变曲线

由于素土多表现为脆性破坏，而纤维掺入土体后，在黏土颗粒间相互连接形成类似于不规则的网状结构。纤维间相互搭接，共同受力，使每根纤维受力更加均匀。当单根纤维在外荷载作用下产生位移趋势时，必然受到临近交接纤维的阻碍，外荷载通过相互交织的纤维不断传递，由试样内各个方向的棕榈纤维共同承担。纤维加筋土是土与纤维共同构成的复合体，二者通过摩擦力与黏结力结合，纤维具备较高的纵向弹性模量，在外荷载作用下与土体协同变形，增加了试样的整体稳定性（彭丽云和王剑烨，2017；陆韬和璩继立，2020）。纤维对土体的增强作用除了源于筋土间的摩擦力与黏结力，还与纤维在土体中彼此构成的网状结构对土的约束作用相关（唐皓等，2020）。

试样变形较小时，加筋土受到外荷载作用较小，试样未发生破坏，棕榈纤维变形量较小，其加筋性能未能得到充分发挥，故此时加筋率对其应力-应变曲线影响偏小；棕榈纤维因具有较高的延性，在外荷载作用下仅发生弯曲而不产生破坏，当试样变形较大时，说明棕榈纤维在较大的外荷载作用下发生了较大的变形，棕榈纤维抗压性能得到充分发挥。

加筋率较低时，试样内的纤维排布较为分散，难以产生交织点，无法形成空间网络结构，随着加筋率以及外荷载的增加，大量随机分布的纤维在试样内部逐步交织缠绕并包裹土颗粒，形成空间网状结构，纤维与纤维及纤维与土颗粒接触点增多，摩擦力增大，限制了土颗粒位移与试样变形，从而增强了土体抗压强度。

2.1.2 峰值强度分析

图4反应了试样峰值强度变化与干密度和加筋率的关系。图中可以看出，相同干密度下，加筋率为0.4%时，试样峰值强度达到最高，当土体加筋率超过0.4%后，土体峰值强度反而随加筋率增大而减小。而相同加筋率下，干密度为1.65 g/cm3时试样峰值强度达到最大。

图4 不同干密度与加筋率下试样的抗压强度

当素土在外荷载作用下产生变形时，土颗粒间的摩擦力为阻止土体变形而持续增大，阻碍了土颗粒位移，从而减小了试样变形。随着干密度的增大，单位体积内土颗粒数量增多，土颗粒排列更紧密，接触点更多，试样内孔隙减少。在外荷载作用下，土颗粒受相邻颗粒阻碍，位移被限制，延缓了试样的破裂变形过程，因此应力强度峰值逐渐增大。

不同加筋率下棕榈纤维再试样内部的分布存在较大差异（图5）。加筋率过低时，纤维在试样内部零散分布，纤维间无法形成交织点或交织点数目过少，不构成空间网状结构，试样中部分区域仍保持为素土状态，纤维对土颗粒位移的阻挡作用受限。当加筋率超过0.4%时，试样内单位体积内筋材的绝对数量相对较大，筋材在土中大量重叠甚至交织成团，由于筋材与土颗粒的摩擦力大于筋材与筋材的摩擦力，导致土与筋材的摩擦作用难以充分发挥。纤维的重叠缠绕，在土体内部形成局部薄弱面，同时将导致纤维部分裸露在试样外部，无法保证筋材与土的有效接触，减弱了土颗粒间的联结，破坏试样均匀性和整体性，削弱了加筋作用。在适宜加筋率下，棕榈纤维与土的摩擦作用得到了最大程度的发挥，筋材间相互交织形成空间网络但未交织成团，纤维与土颗粒紧密结合，使试样保持了较大的完整性，进一步提高了试样的抗压强度和延展性能，使试样的破坏模式由脆性破坏逐步过渡为韧性破坏。

图5 不同加筋率下棕榈纤维分布示意图

2.2 直接剪切试验

2.2.1 试验结果

通过对干密度与不同加筋率的试样进行直剪试验，并依据库伦定律得到不同条件下的抗剪强度参数，分析了干密度与加筋率对棕榈纤维加固土体抗剪强度特性的影响。各组试样的基本参数与直剪试验结果如表4所示。

表4 各组试样的基本参数和直剪试验结果

2.2.2 抗剪强度参数分析

试样黏聚力与内摩擦角随干密度与加筋率的变化规律见图6和图7。从图中可以看出，试样在掺入纤维后，黏聚力有了明显的提高，以干密度为1.65 g/cm3的试样为例，未添加纤维时，其黏聚力为67.10 kPa，加筋率为0.6%时，其黏聚力为94.85 kPa，黏聚力增加了41.35%。但在干密度密度相同的条件下，试样的内摩擦角随加筋率的增大变化不明显，仅在2.62°～4.19° 内波动，且内摩擦角不完全随加筋率增加而增加，二者未表现出明显的正相关或负相关。随着干密度的增大，素土试样的黏聚力产生了一定程度的增大。例如密度为1.65 g/cm3的素土与密度为1.55 g/cm3的素土相比，黏聚力增加了12.72%，但内摩擦角未随试样干密度增加而出现明显变化规律。说明试样干密度与加筋率主要对试样的黏聚力产生作用，即加筋率与试样干密度通过增大土颗粒间黏聚力以提高土体抗剪强度，加筋率与干土密度越大，越大黏聚力值越高，从而土体抗剪强度越大，反之亦然。

图6 黏聚力与干密度和加筋率的关系

图7 内摩擦角与干密度和加筋率的关系

对于素土，随着试样干密度增大，土体孔隙比减小，在剪应力作用下，土颗粒咬合作用增大，胶结程度增大，更难以产生相对移动，不易被剪坏，因此抗剪强度随干密度增大而增大。对于加筋土，试样干密度不仅影响粒间作用，还影响土颗粒与纤维的相互作用。由于制备干密度较大的土样需要较大的压实功，使土颗粒施加在筋材表面的正压力相应增大，即棕榈纤维与土颗粒的接触面积增加，界面摩擦力亦随之增大（柴寿喜和石茜，2013）。因此，棕榈纤维加筋土的抗剪强度随试样的干密度增加而增加。

附着于纤维的土颗粒达到一定数量时，纤维端部被土颗粒紧密包裹，在外力作用下，纤维被紧密包裹的部位形成锚固区而不易被拔出。当试样在外荷载作用下发生剪切变形或破坏时，棕榈纤维的锚固作用（图8）对试样抵抗变形破坏产生了正向影响。即棕榈纤维四周被大量土颗粒包裹，锚固于试样内部棕榈纤维与土弹性模量的差异导致二者存在相互错动的趋势，随着剪切盒的持续移动进而产生摩擦力，锚固于土体的纤维在试样发生破坏时将承受一定的拉力，起到分担部分外部荷载的作用。

图8 锚固作用纤维示意图

当试样持续发生剪切破坏，需克服土颗粒对纤维的黏结和土颗粒与纤维摩擦力的双重作用，使土体中纤维被拉动或拔出。随着加筋率的增大，土颗粒与纤维接触点增多，接触面积增大，筋/土界面作用增强。当加筋率较低时，纤维与土颗粒点数量接触较少，承担外荷载作用的纤维数量较少，筋/土界面作用效果不明显。

土体的内摩擦角主要受矿物成分，颗粒大小与级配、颗粒形状和排列、黏性土的离子和胶结物种类等内部因素及加载速率、应力状态等外部因素影响（李广信，2016；奚灵智等，2019）。而棕榈纤维加筋属于物理作用，其存在不改变土体自身属性与外部环境作用，即纤维未能在试样内部形成更大的土团粒，也不能增加土颗粒间的咬合力，因此棕榈纤维土内摩擦角未发生显著变化。

与抗压破坏不同的是，试样的剪切破坏主要发生于剪切破裂面而非试样整体破坏，因此加筋率越大，单位剪切破坏面上纤维分布数量越多，由于纤维弹性变形能力较好，在剪应力作用下产生弯曲变形而不产生破坏，承担了部分外力作用，同时，其弯曲的凹侧面部分阻挡了土颗粒位移，外荷载作用越大，纤维弯曲程度越大，弯曲的纤维数量越多，更多的土颗粒位移被阻碍，使试样难以产生剪切破坏。因此加筋率与土体抗剪强度呈正相关。

3 结论

本文采用无侧限抗压强度与直接剪切试验对不同密度的棕榈纤维加筋土与未加筋土进行测试，研究了加筋率与干密度对棕榈纤维加筋黏土的影响，得出如下结论。

（1）在相同压实状态（含水率和干密度相同）下，当棕榈纤维加筋率范围为0～0.4%时，试样的无侧限抗压强度随棕榈加筋率的增加而增加，且逐渐由脆性破坏转变为韧性破坏。当棕榈加筋率超过0.4%时，试样无侧限抗压强度随加筋率增大而减小。该现象表明，在加筋率不超过0.4%时，较高的加筋率有利于提高土体抗压强度与稳定性。但超过最优加筋率，试样中大量分布的纤维对加筋效果造成不利影响。

（2）相同密度和含水率条件下，纤维主要通过提高试样黏聚力来增大试样抗剪强度，加筋率对试样内摩擦角大小影响较小。

（3）随着干密度的增大，单位体积的土颗粒排列更紧密，土颗粒摩擦作用也随之增大，颗粒在外荷载作用下的位移受到限制，提升了土体的抗压强度、抗剪强度与抗变形能力。