凍融作用下聚丙烯纖維土的抗剪強度增強特性

趙文美

(黑龍江省公路勘察設計院)

?

凍融作用下聚丙烯纖維土的抗剪強度增強特性

趙文美

(黑龍江省公路勘察設計院)

摘要：以粘性土為研究土體，在其中摻加聚丙烯纖維，設計不同凍融次數(shù)、不同纖維長度以及不同纖維摻量的正交試驗方案，然后進行直接剪切試驗，分析其黏聚力和內摩擦角的變化規(guī)律，研究聚丙烯纖維土在凍融循環(huán)作用下的抗剪強度增強特性。

關鍵詞：聚丙烯纖維土；凍融循環(huán)；抗剪強度

1實驗材料的物理力學指標

1.1　聚丙烯纖維的基本物理指標

本次試驗所用的聚丙烯纖維為常用的路用聚丙烯纖維材料，顏色雪白，質地軟滑，為長條形纖維。本次試驗所采用的纖維分別長度為6mm、9mm、12mm三種，其基本的物理指標見表1。

表1　聚丙烯纖維主要技術參數(shù)

1.2　實驗土的基本物理指標

表2　實驗土的基本物理指標

2試驗方法

采用直剪快剪試驗對土樣進行直剪，試件大小φ61.8×20mm，按最佳含水率拌合，96%的壓實度靜壓。試驗嚴格按照《公路土工試驗規(guī)程》對土的直接剪切試驗的規(guī)定進行。使用DWX低溫試驗冰柜進行凍融循環(huán)試驗，考慮到土中結合水在低溫環(huán)境下的運動情況，控制的凍融循環(huán)試驗的凍結溫度為-16 ℃，融化溫度為室溫，每一次凍融循環(huán)時間控制在24h，其中凍結時間為12h，融化時間為12h，整個凍融過程中讓試件處于密封狀態(tài)，使得試件土樣的含水率保持不變。

試驗利用三因素三水平的正交試驗方案設計了L9(34)的正交試驗方案表，主要考察的試驗指標有土的內摩擦角φ以及粘聚力c。試驗的控制因素主要有凍融循環(huán)次數(shù)、聚丙烯纖維長度、聚丙烯纖維摻量。同時設置素土在0、1、3、6次凍融循環(huán)作用下直接剪切試驗組為對比組。

3實驗結果處理

根據(jù)安排的方案進行直剪試驗，將試驗所得到的數(shù)據(jù)進行處理，對得到的剪應力和剪切應變關系進行分析，可以看出，在每一垂直壓力作用下的剪應力-剪切變形幾乎都呈現(xiàn)出雙曲線的變化，相同的剪切變形時，所采用的垂直壓力越大，其對應的剪應力也越大，而且剪應力增強的趨勢逐漸減緩。同時剪應力隨剪切位移增大不斷變大，沒有出現(xiàn)剪應力峰值的情況。

根據(jù)試驗可以得到試驗土樣的抗剪強度公式，進而計算出試驗土的抗剪強度指標；根據(jù)所得到對比組的抗剪強度和垂直壓力關系以及試驗素土的抗剪強度指標，可以得到對比組土樣的線性公式，進而可以計算出試驗用土的抗剪強度指標。

4試驗結果分析

對于對比組的土樣抗剪強度指標，其粘聚力以及內摩擦角隨著凍融循環(huán)次數(shù)的變化趨勢是隨著凍融次數(shù)的增大，土體粘聚力逐漸降低，且在一次凍融時，粘聚力衰減最為顯著；而土體內摩擦角隨著凍融次數(shù)的增大逐漸變大，且在凍融1次到凍融3次之間增大最為顯著。

對于凍融作用下的纖維土的抗剪強度指標(內摩擦角和粘聚力)進行正交結果分析，計算出三個因素各試驗水平的均值Kj以及極差值(R=max(Kj)-min(Kj))。通過對極差分析的結果可看出，對于土體粘聚力，影響因素的主次順序為A>C>B(13.064>7.959>3.437),說明凍融次數(shù)對于粘聚力指標的影響最為顯著，其次是纖維摻量，纖維長度對于粘聚力指標的影響稍弱。對于土體的內摩擦角，影響因素的主次順序與粘聚力一致，但是其極差值較粘聚力的極差值較小，說明摻入纖維和凍融循環(huán)作用對于內摩擦角的影響較粘聚力小。

粘聚力隨著凍融次數(shù)的增加而減小，且下降趨勢減緩，符合土體在凍融循環(huán)作用下的衰減規(guī)律；粘聚力隨著纖維長度的變大呈現(xiàn)出先增大、后變小的趨勢，其中9 mm長度的纖維效果最好，這是由于纖維在土中是一種各向同性的材料，纖維長度過短，對于彎曲機理和交織機理的效果減弱，纖維土的整體強度性能增強效果并不明顯，根據(jù)破環(huán)后的試件，纖維長度太長，各纖維之間雖布成網(wǎng)狀，但在土中成層分布，各向同性的效果也會減弱，增強效果類似于土工格柵，因此9 mm的纖維長度是最佳纖維長度；粘聚力隨著纖維摻量的變大而增加，且上升趨勢減緩，說明摻入纖維對土體的粘聚力的增強是十分顯著的。

內摩擦角隨著凍融次數(shù)的變大而減小，衰減了19.77%，且衰減趨勢也是減緩的，這與素土在凍融作用下內摩擦角的變化規(guī)律完全不一致，原因可能是在摻入纖維以前，在凍融循環(huán)作用下細粒土會隨著土中自由水的活動而填充入大的土顆粒的孔隙中，在摻入纖維以后會使得土體整體內摩擦角變小，并使得這種填充效果變弱；內摩擦角隨著纖維的變長呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢，但是內摩擦角在不同的纖維長度的情況下的浮動幅度僅為1.080°，可以認定纖維長度對于內摩擦角的影響并不大；內摩擦角隨著纖維摻量的增大出現(xiàn)了先下降后上升的現(xiàn)象，這是因為當纖維摻入土體中，使得土中的土粒與土粒之間的摩阻力有一部分弱化為纖維與纖維、纖維與土粒的摩阻力，而隨著纖維摻量的不斷增大，纖維所產生的彎曲機理和交織機理效果逐漸顯著，反而對于纖維土整體的摩阻力有所增強。

5結論

(1)影響纖維土抗剪強度指標的因素的主次順序為：凍融循環(huán)次數(shù)>纖維摻量>纖維長度。

(2)摻入纖維以后能很大地提升纖維土的土體粘聚力，并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，纖維土對于粘聚力的增強效果變大，且9 mm的纖維長度對于粘聚力的增強效果最好，隨著纖維摻量的增加，粘聚力的增強效果也變強。

(3)在摻入纖維以后，在凍融1次的情況下，纖維土對于內摩擦角的增強效果是最強的，在凍融循環(huán)次數(shù)增大的情況下對于內摩擦角具有一定的衰退效應，9 mm長度的纖維對于內摩擦角的增強效果最佳。

參考文獻：

[1]公路土工試驗規(guī)程(JTG E40-2007)[S].人民交通出版社,2007.

[2]劉紅軍，韓春鵬等.土質土力學[M].北京:北京大學出版社,2012.

[3]宋金巖.玻璃纖維土的變形及強度特性試驗研究[D].上海:上海交通大學,2012.

[4]劉芳. 玻璃纖維土的工程特性試驗研究及工程應用[D].上海:上海交通大學,2011.

[5]張照太.深土凍土力學性能試驗研究及工程應用[D].安徽：安徽理工大學,2006.

作者簡介：趙文美(1964-) ，女，黑龍江綏棱人，高級工程師，研究方向：路線設計技術。

收稿日期：2015-03-15

中圖分類號：U416.1

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2015)08-0065-01