土骨架的新概念与泥炭土及纤维加筋土的结构

蒙理明，张 风

(海南科技职业大学，海口 571126)

泥炭土物质组成与其他土的主要区别是含有大量分解不充分的植物残体，包括残存纤维。2007年，张留俊[1]等对泥炭土的微观结构及工程性质做了分析。2013年，王方中等[2]对西湖泥炭质土微观结构和矿物组成进行了分析。2014年，刘渝[3]做了滇池泥炭土物质组分和微观结构对力学强度影响研究；周乔勇等[4]做了石家庄环城公路泥炭土微观结构及工程特性研究。2015年，李斗[5]做了滇池泥炭土微观结构特征及工程力学模型研究。

纤维加筋土的特点是在土中加入纤维。1995年，李广信等[6]做了纤维加筋粘性土的试验研究。2011年，蒋正国[7]做了纤维红黏土力学特性试验研究。2020年，王成成[8]做了基于最优含水率的纤维加筋土的强度变化研究；潘建勋[9]做了纤维混掺加筋土力学性能研究；臧天宝[10]做了纤维加筋生活垃圾焚烧底渣混合土性能研究；李良勇[11]等做了天然椰壳纤维加固的红粘土的力学性质研究。2016年，李广信[12]提出了土骨架的新概念。2017年，笔者用土力学的新概念改善和细化了土骨架理论[13]：“土骨架的3要素有：土颗粒，包括其结合水；接触(点或面)；联接(收缩膜，公共结合水膜)”。还用土骨架的新概念分析了土的动力特性[14]，还分析了黄土[15]、膨胀土[16]、红粘土[17]、沿海软土及海洋土[18]的结构。下面，用土骨架的新概念，对泥炭土及纤维加筋土(简称纤维土)的结构进行分析。

1 纤维土的结构模型

我国规范[19]第4.1.12条规定：“含有大量未分解的腐殖质，有机质含量大于60%的土为泥炭，有机质含量大于或等于10%且小于或等于60%的土为泥炭质土”。该文所指泥炭土包括泥炭和泥炭质土，其天然土的结构模型见图1。微结构单元为团粒，由土颗粒、有机质、残余纤维组成；团粒间的大孔隙，在接触处主要为类似于上述组成的小团粒，其他部位有更小的团粒或带有有机质包皮的土颗粒；残余纤维可以连接大小团粒，轴向提供抗拉强度。纤维加筋土主要有2种制作方法：第一种见图2，纤维加筋红粘土由实验室做法得到[7]:将红粘土在搅拌机中制备成泥浆(含水量接近液限)，边搅拌边加入纤维，让其均匀散布至泥浆，然后将试样移到固结仪固结。这样得到的加筋土改变了原红粘土的结构(粘聚体加链状连结[17])，粘聚体及链状连结在液态时被搅拌机打碎，形成单个土颗粒或极小粘聚体均匀分布的红粘土结构。第二种见图3，探讨在现场施工时使用[7]。将天然红粘土晾干粉碎，加水配到最优含水量，边加土加纤维边搅拌。这样得到的加筋土，链状连接被粉碎成为单个并伴有游离氧化铁的土颗粒[17](铁胶粘土)，成为粘聚体间大孔隙的填充，粘聚体没有或者只被粉碎成小些，加入纤维没有进入粘聚体，但大大提高最不利位置(a-a水平投影截面)大孔隙中铁胶粘土结构的强度。

2013年，笔者[20]提出非饱和土有五相：土颗粒、结合水膜、表面张力收缩膜、自由水、孔隙气。扩展至泥炭土及纤维加筋土(如图1～图3)有六相：广义土颗粒(砂粒、粉粒、粘粒、可溶性盐类、有机质[21])、纤维、结合水膜、表面张力收缩膜、自由水、孔隙气。

2 纤维土有效应力的大气张力公式

2014年，笔者[22]提出了抗剪极限状态非饱和土有效应力的大气张力公式

(1)

见图1～图3，纤维土比非饱和土多了一项纤维。纤维在土中提供拉力，用σ′l表示，得到抗剪极限状态纤维土有效应力的大气张力公式

(2)

3 两个要点

3.1 土的结构连结

土的结构连结有四类。1990年，高国瑞指出，土的结构连结指基本单元体[21](也叫微结构单元，包括碎屑颗粒、外包颗粒、集粒、凝块、粘聚体[8](包括叠片、叠聚体、絮凝体、聚集体、复合体))之间的连结，主要有如下三类形式：

一是接触连结：见图4～图6，有三种。图4是直接接触连结。接触处几乎没有粘结物质，但在非饱和土中存在毛细水提供表面张力，有一定连结强度，但在土饱和时会丧失。这种连结在湿陷性黄土、轻亚黏土和其他近代沉积土中较为普遍存在。图5是结合水膜接触连结。微结构单元尤其是粘聚体之间的接触处，其表面的粘粒(包括胶粒)通过公共结合水膜粘(胶)结在一起。这种连结在一般粘性土中普遍存在。图6是同相接触连结。由硅铝酸盐物质组成的微结构单元之间的接触处，同相固体分子或原子发生化学键连结(冷焊)，或在高温下发生互相渗透(热渗)，或硅铝氧化物在接触面上形成“同质增生”。这种连结一般发生在老粘性土或粘土页岩中[21]。

二是胶结连结[21](图7)：这种连结主要指微结构单元之间存在许多胶结物质，产生比较牢固的连结强度。见图8～图10，有三种。图8是粘质胶结连结，以粘土为胶结剂具有塑性性质。图9是盐晶胶结连结。如果是钙质或钠质的盐晶，其胶结强度是暂时的，水量增加，盐晶溶解，强度消失。图10是无定形物质胶结连结。如果是无定形铁、铝或硅质，胶结强度比较稳定，不受水量变化的影响。

三是链条连结[21]：有二种，图11是长链连结，图12是短链连结。链条由粘土畴或还和有机质、无定形物质集聚在一起形成连接体，连接微结构单元。这种连结常见于淤泥及淤泥质土[18]。

还有第四类是纤维连结：见图1的泥炭土，微结构单元除了其他连结方式，还有残余纤维连结。纤维可以在接触处连结，也可以在接触外连结。人工加入纤维一般不连结微结构单元，但通过与土颗粒接触或联接获得锚固，见图2、图3。

3.2 广义土颗粒

广义土颗粒，即土的物质组成[21]，包括砂粒、粉粒、粘粒、可溶性盐类、有机质。砂粒、粉粒粗大强度高，但没有粘性。粘粒(包括胶粒)有次生粘土矿物和非晶质粘土矿物，前者通常带有负电荷，后者是凝胶物质，都是带有结合水膜的颗粒。可溶性盐类包括难溶盐(主要为碳酸盐)、中溶盐(常见的为硫酸盐)、易溶盐(钾盐、氯盐、芒硝)。溶盐类矿物通常以离子状态存在于土孔隙中，有阳离子和阴离子，影响土中离子交换作用的方向和双电层作用的范围，当土中含水量降低或介质酸碱度发生变化，便会结晶析出在土颗粒表面(即结合水膜还包括包裹在粘粒外部的盐类薄膜)，给土结构带来暂时的强度。难溶的盐类矿物有离子态(使粘粒凝聚)、溶胶态和无定形凝胶态(包裹土颗粒，然后颗粒胶结)、微晶态(与粘土筹、粉粒等生成凝聚体，如黄土集粒)。土中有机质是动植物残骸和微生物以及它们的各种分解和合成产物，如碳水化合物、氨基酸、蛋白质、脂蜡、有机酸、纤维素、木质素等等。通常称分解不完全的植物残骸为泥炭，其主要成分为纤维素，木质素等；完全分解的动植物残骸为腐殖质，在一定程度上有胶体的性质，带负电。腐殖质很少单个存在，绝大部分与矿物粒子(如碳酸钙、活性铝、游离铁)结合形成有机-无机复合体，这种复合体一般也带负电。注意在饱和土中，由有机质(其实是有机-无机复合体)包裹的砂粒，其接触的黏聚力几乎为0，无类似结合水膜的联接能力；另外内摩擦角比普通砂土的小；其原因是接触部位被有机质及有机质包裹的细粒软化[17]。

宏观地，广义土颗粒包括：粗大无粘性的砂、粉粒，与结合水膜有关的粘粒、可溶性盐类(含水量大时会溶解)，降低饱和土强度的有机质。

4 纤维土的土骨架

将土骨架理论[13]扩展到纤维土：土骨架的4要素：“广义土颗粒，包括其结合水；纤维，包括其结合水；接触(点或面，土颗粒之间、土颗粒与纤维之间、纤维之间)；联接(纤维，公共结合水膜，表面张力收缩膜)”。土骨架的构成类型有：“土颗粒之间、土颗粒与纤维之间、纤维之间，相互接触，或相互联接，或即相互接触又联接”。土骨架溃散：“土颗粒之间、土颗粒与纤维之间、纤维之间即没有接触也没有联接”。土骨架的体积：“饱和土的土骨架体积，是包括结合水膜的土颗粒及纤维体积；非饱和土的土骨架体积，是包括结合水膜的土颗粒及纤维，加上收缩膜联接的体积。”

其他土骨架理论[13]仍然适用纤维土：土骨架局部失去接触或联接为损伤，溃散或损伤的土骨架重新建立接触或联接为修复，还伴有加密的为增强。应该用绝对压强分析广义流体。有效应力的新概念：有效应力是土体中提供抗剪强度的点的集合所对应的应力；有效应力是土骨架的接触和联接所对应的应力。总应力由有效应力和广义流体应力组成；有效应力的实质是广义流体没有抗剪能力，但具有抗压能力；应该用总应力模式分析土的压缩变形。土是由土骨架和广义流体组成的，与纤维土有效应力的大气张力公式相对应。

5 纤维土的大气张力库伦抗剪强度公式

2013年，笔者[24]提出了非饱和土的大气张力库伦抗剪强度公式。下面，扩展到纤维土：见图13、图14，是直接剪切试验的示意图,土样自重忽略为零。设水平方向为X，竖直方向为Z。大气压强Pa=101 kPa,侧面的大气压强未画出(两侧大气压强对试样的水平抗剪强度影响互相抵消为零)。θ→90°，所以sinθ=1，cosθ=0。抗剪强度由土骨架的接触与联接给出。

给式(2)加下标Z得

(3)

加下标X得

(4)

见图13，直接抗剪强度是水平的，在无竖向荷载P作用时，首先是接触提供水平摩擦抗剪强度。

注意σz=Pa,由(3)得接触有效压应力

由库伦定律得，接触的初始水平摩擦抗剪强度

(5)

联接的X向的拉力，式(4)中的σ′cx+σFx+σ′lx直接提供水平抗剪强度(真粘聚力[24])

C0=σ′cx+σFx+σ′lx

初始抗剪强度

(6)

式中，第一项为真粘聚力(联接在水平方向提供的拉力)，第二项为联接的水平摩擦抗剪强度贡献(联接捆绑土颗粒，在接触处产生竖向压应力，摩擦产生水平抗剪强度)，第三项为水气不抵大气压强自重应力水平摩擦抗剪强度贡献[24](土中自由水、孔隙气压力主要由于结合水膜、收缩膜、纤维占据计算截面面积而导致小于地面大气压强，在接触处产生竖向压应力，摩擦产生水平抗剪强度)。

见图14，与图13的初始工况相比，多了竖向荷载P,由库伦定律得水平抗剪强度

τ=C+σtanφ

(7)

其中，σ=P/A,A为土样的水平截面积。

注意，见图15，一般情况下，纤维以受拉为主，在最不利截面处，主要作为联接；但粗大纤维不仅提供拉力，还能在开裂处摩擦产生抗剪强度，因此即是联接也是接触。

6 土颗粒或子土骨架漂浮

见图1，在饱和土中，大团粒之间的大孔隙中，常有单个土颗粒、带包皮土颗粒和小团粒(子土骨架[15])“漂浮”。可以这样定义，在饱和土中，土颗粒或子土骨架(带其结合水)，几乎被自由水包裹，称为土颗粒或子土骨架漂浮。这种现象也常见于饱和的淤泥质土及淤泥中[25]，带有机质包皮的粘粒或小粘聚体，在结构的大孔隙中漂浮，降低土的渗透性，排水固结后加强总土骨架。

7 结 论

用土骨架的新概念，对泥炭土及纤维加筋土(以下简称纤维土)进行分析，得到以下结论：

a.提出纤维土有六相：广义土颗粒、纤维、结合水膜、表面张力收缩膜、自由水、孔隙气。

b.提出了抗剪极限状态纤维土有效应力的大气张力公式。

c.将土骨架理论扩展到纤维土：土骨架的4要素：“广义土颗粒，包括其结合水；纤维，包括其结合水；接触；联接(纤维，表面张力收缩膜，公共结合水膜)”。土骨架的构成类型有：“土颗粒之间、土颗粒与纤维之间、纤维之间，相互接触，或相互联接，或即相互接触又联接”。土骨架溃散：“土颗粒之间、土颗粒与纤维之间、纤维之间即没有接触也没有联接”。土骨架的体积：“饱和土的土骨架体积，是包括结合水膜的土颗粒及纤维体积；非饱和土的土骨架体积，是包括结合水膜的土颗粒及纤维，加上收缩膜联接的体积。”

d.其他土骨架理论仍然适用于纤维土：包括土骨架的损伤、修复、增强；应该用绝对压强分析广义流体；有效应力的新概念：有效应力是土体中提供抗剪强度的点的集合所对应的应力；有效应力是土骨架的接触和联接所对应的应力；总应力由有效应力和广义流体应力组成；有效应力的实质是广义流体没有抗剪能力，但具有抗压能力；应该用总应力模式分析土的压缩变形。土是由土骨架和广义流体组成的，与纤维土有效应力的大气张力公式相对应。

e.抗剪强度由土骨架的接触与联接给出。提出了纤维土的大气张力库伦抗剪强度公式。其中，初始抗剪强度C包括三项：真粘聚力、联接的摩擦抗剪强度贡献、水气不抵大气压强自重应力摩擦抗剪强度贡献。

f.提出土颗粒或子土骨架漂浮的概念：在饱和土中，土颗粒或子土骨架(带其结合水)，几乎被自由水包裹，称为土颗粒或子土骨架漂浮。

g.普通土(无纤维土)是纤维土的特例。上述结论去掉与纤维有关的部分可以用于普通土。