Grewia optiva纤维加筋膨胀土的力学行为与基于SEM的微观结构解释

《Frontiers in Physics》：Mechanical behaviour and SEM-based microstructural interpretation of Grewia optiva fiber-reinforced expansive soil

　　

膨胀性黑棉（BC）土表现出较差的强度和显著的体积不稳定性，对基础设施建设构成挑战。本研究评估了Bhimal（Grewia optiva）天然纤维作为可持续的离散加筋材料改善BC土岩土响应。方法：采用Modified Proctor击实试验、直剪试验和无侧限压缩试验研究了纤维掺量0.25%、0.50%、0.75%、1.00%和1.25%以及纤维长度15、20和25 mm的效果。采用双向方差分析（ANOVA）和回归分析评估纤维掺量和长度的影响，同时采用扫描电子显微镜（SEM）为土-纤维相互作用机制提供定性支持。结果：选定的最优配比M13（0.50%纤维，25 mm）将最大干密度从1.53 g/cm³提高至1.69 g/cm³（10.46%），最优含水率从11.00%提高至15.50%（40.91%）。无侧限抗压强度（UCS）从55.6 kPa提高至68.0 kPa（22.30%），粘聚力从51.0 kPa提高至60.5 kPa（18.63%）。ANOVA显示纤维参数影响显著，其中纤维长度影响更强。SEM观察提供了土-纤维互锁、颗粒附着、裂纹桥接和拔出机制的局部定性证据。讨论：经典UCS ≈ 2c关系与加筋土数据吻合度较弱（R² = 0.088），表明该简化粘性土相关性不直接适用于Bhimal纤维加筋膨胀土。研究结果支持Bhimal纤维作为一种有前景的可持续加筋材料，同时强调需要考虑纤维加筋土中改变的应力传递和破坏机制。

膨胀性黑棉土广泛分布于印度南部和西部，因含水率变化产生显著膨胀收缩，导致强度低、承载力不足，对浅基础、路面和堤坝等基础设施造成持续破坏。传统化学稳定方法如石灰、粉煤灰、水泥等虽能提高强度，但存在环境负面影响、成本高和碳排放等问题，且稳定后土体呈脆性，延性差。因此，学界致力于探索可持续、经济、环保的土体改良方法，天然纤维加筋因其环境友好性而受到关注。已有多种天然纤维（如黄麻、椰子纤维、剑麻等）用于膨胀土加筋，但不同纤维的形态、表面特性和吸水性差异显著，加筋效果无法跨纤维类型推广。Bhimal纤维（Grewia optiva）是产自喜马拉雅山的木质纤维素纤维，具有高抗拉强度、高长径比和表面不规则性，但在土体加筋领域研究极少，应用于膨胀黑棉土尚未见系统报告。为此，研究人员开展了本研究，旨在系统评估Bhimal纤维掺量和长度对膨胀黑棉土压实特性、剪切强度、无侧限抗压强度及土-纤维微观相互作用的影响。

研究人员制备了5种纤维掺量（0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%）和3种纤维长度（15、20、25 mm）的16种配合比（含未加筋对照），通过改良Proctor击实试验、直剪试验和无侧限抗压强度（UCS）试验测定宏观力学性能，结合双向方差分析（ANOVA）和回归分析评估变量显著性，并利用扫描电子显微镜（SEM）观察界面机制。结果表明，最优配比M13（0.50%纤维