梅 红,赵洪岩,李明阳,刘 瑾,马 柯,卢洪宁,张晨阳,黄庭伟,张继周

(1.河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京 211100; 2.国家开发银行江苏省分行,江苏 南京 210019; 3.宁夏公路勘察设计院有限责任公司,宁夏 银川 750004)

广泛开展的各类基础建设工程会极大地改变当地的区域地貌,给工程当地留下大量的裸露岩质边坡。相比于自然边坡,此类裸露边坡稳定性差,易受扰动,会发育严重的工程地质隐患[1-3]。在国内稳步推进生态建设战略的大背景下,工程地质领域对生态环保理念日益重视,针对裸露岩质边坡的生态护坡技术逐渐成为研究重点[4-6],其中,客土喷播是较受关注的一项生态护坡技术。为客土基材加筋以改善基材的物理力学性能是改善基材物理力学性能的一种常用手段。

将客土基材喷播到岩质坡面上,基材与岩面形成基材土-岩体二元结构。土-岩界面是表现二元结构不均匀性和各向异性的主要区域,是发生边坡结构失稳和酝酿次生灾害的高发区域[7]。在客土基材形变与界面稳定问题中,土-岩界面的剪切力学性能是学界长期以来的关注重点[8]。Potyondy[9]于1961年通过直剪试验研究了多种界面与上覆土体之间的剪切力学特性;Clough等[10]对土-混凝土界面开展直剪试验研究界面剪切力学特征,提出界面上τ-ω存在双曲线关系,其中τ是土-混凝土界面上的剪切应力,ω是土体与混凝土之间相对位移的速度差异;殷宗泽等[11]通过分析土-混凝土界面的剪切变形特征,扬弃了Clough等的τ-ω双曲线关系理论,指出界面破坏的过程是由边缘向内部发展,并提出剪切带上土体的刚-塑性变形观点;高俊合等[12]利用大型单剪设备对土-混凝土接触特性进行研究,给出了土体在剪切带内的双重变形机制。进入21世纪以来,也有大量学者通过单剪仪、环剪仪、大型直剪仪等多种剪切设备与试验方法对土-岩界面的受力特征、颗粒排布运移、宏细观破坏机制等进行了深入研究。

目前面向客土加筋的研究主要集中在加筋材料、加筋配比等与客土基材力学性能关系等方面[13-18];面向土-岩界面的研究主要包括模型拟合、试验方法评价、粗糙度模拟、客土性质影响等方面[11,16-17]。针对加筋纤维与界面粗糙度对土-岩界面稳定性复合影响的评价较为缺乏。土-岩界面的剪切力学性能是评价客土稳定的重要指标,揭示加筋纤维和界面粗糙度对界面剪切力学性能的影响规律具有理论与现实意义[19-20]。利用预先制作的混凝土模块作为岩面相似材料,以剑麻纤维作为加筋改良材料,开展一系列改进室内直剪试验,分析纤维掺量与界面粗糙度对界面剪切力学性能的影响,并结合扫描电镜试验揭示剑麻纤维和界面粗糙度对界面剪切力学性能的强化机理。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用土样采自南京市江宁区,为粉质黏土,呈浅棕黄色,质地均匀稍细腻,具有高可塑性、低膨胀性、失去水分后容易收缩开裂等特性。土样的最大干密度为1.79g/cm3,最优含水率为20.3%,塑性指数为16.4,塑限为23.8%,液限为40.2%,相对密度为2.71,粒径分布曲线如图1所示。

图1 试验用土的粒径分布曲线Fig.1 Particle size curve of test soil

试验所用纤维为剑麻纤维,呈米白色,质地坚韧,抗拉、耐腐蚀、吸湿放湿快,具有良好的物理力学性能[21-24],是客土加筋中常用的天然纤维材料。试验采用纤维长度为2cm,平均直径为0.2mm,密度为1.05g/cm3,杨氏模量为10.94～26.70GPa,断裂拉伸强度为41MPa,断裂拉伸率为2.01%～2.74%。

1.2 试验方法

采用具有规则折线形凹槽的混凝土模块模拟粗糙岩面,将制得的混凝土模块置于25℃恒温下养护26d。为了统一考虑混凝土模块表面上起伏体高度和体积的综合影响,采用灌砂法计算得到的粗糙度R(式(1),表征混凝土模块表面的粗糙起伏,不涉及模块表面的微观摩擦参量)进行界面粗糙度评价。

R=Vsi/A0

(1)

式中:Vsi为整平混凝土模块表面需要的砂体积;A0为整平后的混凝土模块表面积。

试验流程及所用仪器如图2所示。将土样干燥粉碎后过2mm标准筛。试验共设置剑麻纤维掺量和界面粗糙度2组变量。纤维掺量P分别控制为0%、0.4%、0.8%、1.2%,界面粗糙度R分别控制为0、1.5、2.5、6.5mm。将固定掺量的剑麻纤维和处理后的黏土颗粒进行混合,然后与混凝土模块压实,制得高20mm,直径61.8mm,密度1.7g/cm3,含水率25%的直剪试样。把试样置于25℃恒温箱内湿养48h。试验采用仪器为改进型应变式直剪仪,可以使剪切过程中直剪样的剪切面正好位于基材与混凝土模块的接触界面上。剪切试验施加各法向应力分别为100、200、300、400kPa,剪切加载速率为1.2mm/min。

图2 试验流程及所用仪器Fig.2 Experiment procedure and instrumentation

2 试验结果与分析

通过改进直剪试验对剑麻纤维复合基材土-岩界面的剪切力学性能进行研究,得出P、R和界面剪切强度间的关系如表1所示。

表1 界面的剪切强度指标

2.1 应力-应变曲线分析

由图3可知,在试验选用剪切方案下,R=0mm时,界面应力-应变曲线在各级法向应力下呈现软化特征;R≠0mm时,界面应力-应变曲线呈现硬化特征。

图3 不同条件下界面的剪切应力-应变曲线Fig.3 Shear stress-strain curves of the interface under different conditions

由图3(a)～(d)可以发现,相同的法向压力下,R越大,峰值剪切应力越大。这初步说明,增加界面的粗糙度能够提高界面的剪切力学性能;对比图3(d)～(g)可以发现,P≤1.2%时,相同的法向压力下,P越大,峰值剪切应力越大。

在不同纤维掺量和界面粗糙度下,应力-应变曲线变化情况可归纳为3阶段:①弹性变形阶段。剪切起始阶段,混凝土模块上层土体受法向应力影响,密度不断增大,以抵抗剪切形变。此阶段,剪切应力与剪切位移呈线性关系;②弹塑性变形阶段。随着剪切位移的增加,界面间作用与纤维强化作用的参与程度继续增加,界面间剪切应力持续增大,但剪切应力关于剪切位移的增长速率逐步降低;③破坏变形阶段。剪切位移继续增大,界面间作用与纤维强化作用逐渐发挥充分,界面处开始出现剪切破坏。R=0mm的平坦界面缺少宏观嵌合结构,界面变形破坏易沿界面所处二维平面开展。因此随着剪切继续,界面剪切应力达到峰值后开始降低,应力-应变曲线呈现出软化特征;R≠0mm的粗糙界面为土体与混凝土模块耦合提供的宏观嵌合结构阻挡了土体直接沿界面发生平移破坏,并调动界面上层薄层土体参与抵抗剪切变形,在试验所采取的高法向应力下,应力-应变曲线呈现出非软化特征。

2.2 界面粗糙度与纤维掺量对界面剪切强度的影响

图4(a)～(d)可知,增加界面的粗糙度可以提高界面的剪切强度:R从0mm增加至6.5mm,界面的剪切强度提升了21～85kPa,提升幅度为39%～75%。由图4(e)～(h)可知,在不同粗糙度下,当P≤0.8%,增加P可以提高界面的剪切强度,随着P从0%增长至0.8%,界面的剪切强度提升了27～61kPa,提升幅度为25%～89%。当P>0.8%时,剑麻纤维对界面剪切力学性能的强化效果会下降。以图4(h)为例,P=1.2%时,各级法向应力下界面的峰值剪切应力分别为74、120、160、209kPa,小于纤维掺量P=0.8%时的峰值剪切应力90、132、185、239kPa。这说明当P达到1.2%时,界面的剪切强度会降低。同时在0.8%～1.2%区间存在一个优势掺量,可使剑麻纤维对界面峰值剪切应力有最佳强化效果。

图4 界面粗糙度与纤维含量对界面剪切强度的影响Fig.4 Influences of interface roughness and fiber content on interfacial shear strength

2.3 界面粗糙度对界面黏聚力与内摩擦角的影响

图5(a)表明提高R可以提高界面的黏聚力。以P=0.4%为例,R从1.5mm增加到6.5mm,对应的黏聚力分别为29.0、35.5、39.5kPa,比R=0mm界面的黏聚力分别提高了4.0、10.5、14.5kPa。同时,对比P=0%未加筋土体和P≠0%的加筋土体,黏聚力关于R的增长关系表现出不同的形式。以黏聚力增量与界面粗糙度变化区间的无量纲比值为黏聚力增长速率。P=0%时,粗糙度0～1.5mm、1.5～2.5mm、2.5～6.5mm对应的黏聚力增长速率分别为2、2.5、2.5,表明P=0%时,黏聚力随R增加呈近均匀增长趋势;P≠0%时,纤维掺量P为0.4%,0.8%和1.2%下粗糙度0～2.5mm区段对应的黏聚力增长速率分别为4.2、2、3.6。纤维掺量P为0.4%,0.8%和1.2%下2.5～6.5mm对应的黏聚力增长速率分别为1、0.5、1。表明P≠0%时,界面黏聚力关于R的增长可划分为0～2.5mm的陡增区段和2.5～6.5mm的缓增区段。

图5 界面粗糙度对界面黏聚力和内摩擦角的影响Fig.5 Effects of interface roughness on cohesion and internal friction angle of interface

图5(b)表明提高R可以提高界面的内摩擦角。以P=0.8%为例,R从1.5mm增加到6.5mm,对应的内摩擦角分别为20.41°、22.05°、26.57°,比R=0mm界面的内摩擦角分别提高了3.34°、4.98°、9.50°。

粗糙界面主要通过土-混凝土接触面积和宏观起伏体保证界面间的剪切力学性能。粗糙界面间的黏聚力主要来自于2个方面,一是土中水对界面上异相颗粒间的吸附力,二是接触面过渡带内土体的黏聚力[8,19]。界面的内摩擦角主要来自界面间土颗粒与混凝土骨料颗粒间的摩擦啮合作用。随着R的增大,界面上土颗粒与混凝土骨料颗粒之间的接触面积增大,界面上起伏体调动上层土体抵抗剪切变形的能力也随之增强。界面间的黏聚力和内摩擦角均随着R的增大而提高。同时R存在一最优质值,可使界面黏聚力达到最大。剑麻纤维强化了接触面过渡带内土体的剪切力学性能,因此R对无纤维参与的界面和有纤维参与的界面的强化表现为2种模式。对于加入纤维的界面黏聚力关于R的增长关系,R的最优值出现在较小区间(0～2.5mm)。

2.4 纤维掺量对界面黏聚力与内摩擦角的影响

图6(a)表明剑麻纤维的加入可明显影响界面的黏聚力,且存在一最优掺量可使界面的黏聚力达到最大,在P小于最优掺量时,随着P增加,界面间黏聚力增大。当P大于最优掺量时,随着P增加,界面间黏聚力减小。不同R下,剑麻纤维的最优掺量分布区间不同。对于R=0mm和R=1.5mm,剑麻纤维最优掺量在0.8%～1.2%区间;对于R=2.5mm和R=6.5mm,剑麻纤维最优掺量在0.4%～0.8%区间。

图6 界面粗糙度与剑麻纤维掺量对界面内摩擦角影响Fig.6 Influences of interface roughness and sisal fiber concentration on internal friction angle of interface

图6(b)表明当纤维掺量P≤0.8%时,界面内摩擦角会随着P的增加而增大,当纤维掺量达到1.2%时,界面的内摩擦角提高幅度会降低。纤维掺量P=0.8%时,各R下界面的内摩擦角达到17.07°、20.41°、22.05°、26.57°,而P提高到1.2%时,各R下界面的内摩擦角分别为18.00°、20.86°、22.88°、23.99°。说明提高P可以提高界面的内摩擦角,而当掺量超过0.8%时,纤维对内摩擦角的强化效率会发生下降。

界面间黏聚力主要是由接触面过渡带内土体的黏聚力提供,界面间内摩擦角由接触面间土颗粒与混凝土骨料颗粒间的啮合摩擦提供。在达到最优掺量之前,接触面过渡带内土体的剪切力学性能随着P的增加而增大,因此界面的黏聚力随着P的增加而提高。剑麻纤维探出基材,粗糙的纤维侧表面和尖锐的纤维两端参与到界面间异相颗粒间的接触摩擦作用,能在一定程度上(2.15°～6.83°)影响界面的内摩擦角变化,但影响程度有限。

3 机理分析

土-混凝土界面上下部分之间为不同介质,具有显著的各向异性。土-混凝土界面的剪切力学性能是界面上部土体内土颗粒黏聚摩擦、土颗粒与混凝土骨料颗粒挤压咬合、土体与混凝土模块的宏观起伏结构间接触咬合作用的统一表现(图7)。以上作用的相对变化决定土-混凝土界面的剪切力学性能。R对界面剪切强度特性的影响主要体现在两方面:①一定范围内增大的R可以明显增大黏土基材与混凝土模块之间的接触面积,提高了黏土颗粒与混凝土微骨料颗粒之间的接触耦合机会;②接触面粗糙起伏程度的增大为土-岩耦合提供了明显的宏观嵌合结构。具有明显粗糙形态的接触面的剪切变形破坏不仅局限于在界面上,同时可能会发生在界面上层一定厚度的土体之中。且上层土体受影响范围和程度与接触面的宏观粗糙程度密切相关。

图7 土-混凝土接触形式Fig.7 Contact forms of soil-concrete interface

图8为纤维与黏土颗粒之间的微观接触关系。剑麻纤维与黏土混合后呈三维随机态分布于黏土体之间,通过交织作用、扩散作用、固定作用提高界面的剪切力学特征。

图8 剑麻纤维改良土体的电镜照片Fig.8 SEM images of soil improved by sisal fiber

a.交织作用。剑麻纤维是一种柔性纤维材料,同时具有粗糙的侧表面。将剑麻纤维充分混合于土体中后,剑麻纤维在土颗粒孔隙间相互交错接触,不同纤维之间搭接交织,在纤维交织点上纤维的粗糙侧表面发挥摩阻作用,使得纤维在土体内相互形成三维网络结构(图8(a))。加筋后的土体在横向剪切作用下发生剪切变形时,纤维相互交织形成的网络结构能协助抵抗土体的剪切形变。但是如果纤维的掺量过多,在混入土体过程中就会出现纤维在粗糙侧表面摩擦作用下相互团聚的现象,纤维团聚体会在土体间形成软弱部位,从而显著降低土体的剪切力学性能。

b.扩散作用。剑麻纤维均匀地分布于土颗粒孔隙中,相邻的纤维间存在许多接触点(图8(b)),加筋土在外荷载作用下发生变形时,只要一个接触点受力发生相对错动,其他相邻的接触点便会阻碍土颗粒位移错动的发展,形成了单根纤维发生错动,其他交错的纤维也有受力分担,且这种受力分担通过交织点持续扩散传递,最终形成“牵一发而动全身”共同抑制土体的变形,从而提高了加筋土体的强度。

c.固定作用。在合适掺量下,剑麻纤维均匀分布于土体之中,在土颗粒孔隙交织起较为完整的三维网络结构。同时剑麻作为一种柔性材料,可以在土颗粒空隙之间实现弯曲转折(图8(c)),固定黏土的团聚土颗粒,达到纤维与土颗粒之间的互锁。在剪切荷载作用下,纤维与土颗粒之间的互锁作用对土体的剪切变形起到限制作用。

4 结 论

a.掺入剑麻纤维和增加界面粗糙度可以提高土-混凝土界面的剪切力学性能。掺量为0.4%、0.8%、1.2%的界面剪切强度均高于素土基材的土-混凝土界面;随着R从0mm增加到6.5mm,界面剪切强度不断增加。纤维存在优势掺量,使界面剪切强度达到最大。

b.粗糙界面主要通过提供土-混凝土接触面积和宏观起伏体保证界面间的剪切力学性能。界面的黏聚力与内摩擦角随R的增加而增大。界面黏聚力关于R的增长关系中存在一最优R使界面黏聚作用达到最佳效果。剑麻纤维的掺入使R的最优值出现在较小区间(0～2.5mm)

c.剑麻纤维主要通过固定作用、扩散作用、交织作用强化界面过渡带间土体的力学性能以强化界面的剪切力学性能。剑麻纤维掺入可提高界面黏聚力,存在一最优掺量使剑麻对界面黏聚力的强化效果达到最大。不同界面粗糙度R下,剑麻纤维的最优掺量分布区间不同。对于R=0mm和R=1.5mm,剑麻纤维最优掺量在0.8%～1.2%区间;对于R=2.5mm和R=6.5mm,剑麻纤维最优掺量在0.4%～0.8%区间。