基于最優(yōu)含水率的聚丙烯纖維加固膨脹土試驗(yàn)研究

汪卓，李佳，譚夢(mèng)娟, 黃芙蓉，王亮，方雅蓉，郭鴻

[摘要]以陜西省漢中市城固縣柳林機(jī)場(chǎng)膨脹土為原材料，在最優(yōu)含水率和最大干密度的條件下，將聚丙烯纖維按照0.06％、0.12％、0.18％的重量分別摻入膨脹土中制備試樣。通過(guò)三軸試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究了聚丙烯纖維對(duì)膨脹土強(qiáng)度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著纖維的加入，膨脹土的抗剪強(qiáng)度有了明顯的提升，膨脹土的變形破壞得到了一定的抑制。

[關(guān)鍵詞]膨脹土； 聚丙烯纖維； 抗剪強(qiáng)度； 摻量； 最優(yōu)含水率

[中國(guó)分類號(hào)]TU411.3? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

0引言

膨脹土是一種浸水后體積劇烈膨脹，失水后體積明顯收縮的黏性土［1］。因?yàn)橥寥乐泻休^多的黏土礦物，如蒙脫石和伊利石等，具備很強(qiáng)的親水性，是一種氣候敏感性土體。在巖邊坡治理、基坑工程及路基、橋基等工程中，因?yàn)榕蛎浲恋呐蛎浶?yīng)會(huì)發(fā)生道路沉降、建筑物變形開(kāi)裂、邊坡坍塌等，這將會(huì)給基礎(chǔ)設(shè)施以及人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)較大損失。因而研究膨脹土的改良，已經(jīng)成為工程界和學(xué)術(shù)界普遍重視的問(wèn)題。在工程實(shí)踐中，主要采用石灰、粉煤灰和纖維等材料與素土混合進(jìn)行改良膨脹土，使膨脹土路基、地基或邊坡達(dá)到規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)聚丙烯纖維改良膨脹土的強(qiáng)度進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，其結(jié)果顯示，經(jīng)改良后的纖維膨脹土強(qiáng)度都不同程度高于素土，纖維起到補(bǔ)強(qiáng)作用。鄧友生等［2］學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維對(duì)膨脹土的增強(qiáng)作用在纖維膨脹土處于最優(yōu)含筋量0.3%時(shí)尤為明顯。莊心善等［3］學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)得出磷尾礦-玄武巖纖維改良膨脹土的最佳摻量分別為6%和0.3%。施利國(guó)等［4］將纖維作為改良材料摻入灰土中，發(fā)現(xiàn)其峰值應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度均高于普通灰土。介玉新等［5-8］學(xué)者經(jīng)過(guò)研究得出了加筋土在幾種計(jì)算方法下的關(guān)系。李國(guó)維等［9］學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)，以改良弱膨脹土后強(qiáng)度不損失的標(biāo)準(zhǔn)，確定了砂巖合理?yè)搅繛?0%。孫樹(shù)林等［10］學(xué)者通過(guò)用堿渣來(lái)改良膨脹土，表明了堿渣能改善膨脹土的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)，并且膨脹土的脹縮性能有所下降，得出了堿渣與膨脹土的合理配合比。張艷美等［11］學(xué)者對(duì)土工合成纖維補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致的理論說(shuō)明，提出了能夠反映多種影響因素的補(bǔ)強(qiáng)纖維計(jì)算公式。吳繼玲［12］將不同長(zhǎng)度的纖維摻入膨脹土，試驗(yàn)結(jié)果顯示，纖維使得膨脹土的峰值強(qiáng)度有所增強(qiáng)，并在一定程度上抑制其破壞。以上學(xué)者的理論分析表明了外加物質(zhì)改良膨脹土的工程力學(xué)特性具有很強(qiáng)的可行性。

漢中地區(qū)的膨脹土具有一定的典型性，其地域特征相對(duì)比較明顯。但是目前就漢中地區(qū)膨脹土改良方面的文章報(bào)道還比較少。此外，膨脹土改良施工的關(guān)鍵在于其最優(yōu)含水率，探求最優(yōu)含水率條件下聚丙烯纖維對(duì)膨脹土工程力學(xué)特性的影響具有重要的實(shí)際意義?；诖?，本文通過(guò)三軸剪切試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究不同摻量纖維下對(duì)漢中膨脹土的影響，旨在為用聚丙烯纖維改良膨脹土后的施工提供一定的理論參考。

1試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用膨脹土取自陜西省漢中市城固縣柳林機(jī)場(chǎng)附近，顏色為黃褐色、紅褐色，天然含水率條件下呈堅(jiān)硬塊狀形態(tài)，其基本物理指標(biāo)如表1。本文采取的聚丙烯纖維是一種高強(qiáng)、高模量、低延伸的工業(yè)合成纖維，該纖維的抗拉強(qiáng)度范圍為500～650 MPa，直徑范圍為15～75 μm之間，長(zhǎng)度為17 mm。聚丙烯纖維技術(shù)參數(shù)如表2。

1.2試樣制備

試樣制備前，先將準(zhǔn)備好的膨脹土塊進(jìn)行去核處理，再在日光條件下進(jìn)行晾曬，把較大的土塊錘碎，再將較小的土塊碾碎，分別過(guò)5 mm和2 mm的篩。將已過(guò)5 mm篩的土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得膨脹土的最優(yōu)含水率為19%，其最大干密度為1.85 g/cm3。以該膨脹土最優(yōu)含水率和最大干密度為基礎(chǔ)，配置每組所需膨脹土和水的質(zhì)量，共9組。分別將0.06%、0.12％、0.18％的纖維手工撕開(kāi)，均勻分散在土中（不同摻量的纖維試樣各3組），并充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?。再將已?jīng)準(zhǔn)備好的水均勻撒在纖維與膨脹土的混合物中，邊攪拌邊緩慢噴水，最后達(dá)到預(yù)定含水率。將配置好的膨脹土混合物放入容器內(nèi)，并對(duì)每組進(jìn)行標(biāo)號(hào)，用保鮮膜將其密封完好。所有制備的土樣靜止24 h后開(kāi)始制樣。

將養(yǎng)護(hù)好的土體按每組標(biāo)號(hào)，分別將其平均分為5份，依次裝入內(nèi)徑為39.1 mm，高為80 mm的金屬制樣器。制作過(guò)程分5層進(jìn)行由下至上的擊實(shí)，每層壓實(shí)后進(jìn)行刮毛處理，確保每層土充分均勻接觸。最后將制作好的試樣用保鮮膜進(jìn)行包裹處理并做好標(biāo)識(shí)，準(zhǔn)備力學(xué)試驗(yàn)。

1.3試驗(yàn)方案

為研究聚丙烯纖維對(duì)膨脹土各個(gè)指標(biāo)的影響，分別對(duì)養(yǎng)護(hù)好的試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)所選用的儀器均為T(mén)SZ-1型應(yīng)變控制式三軸儀。

（1）固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始前，將軸向變形和軸向力外表盤(pán)調(diào)零，并分別記錄內(nèi)表盤(pán)初始數(shù)據(jù)。將儀器的應(yīng)變速率調(diào)節(jié)為0.08 mm/min。準(zhǔn)備完畢后，將養(yǎng)護(hù)好的試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分別對(duì)纖維摻量相同的試樣施加100 kPa、200 kPa、300 kPa的圍壓，軸向變形外表盤(pán)每轉(zhuǎn)一圈，記錄2表數(shù)據(jù)，直至試樣高度壓縮量為原來(lái)高度的15％。

（2）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。將儀器應(yīng)變速率調(diào)節(jié)為0.08 mm/min，將纖維含量為0.18％的2組試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

在諸多實(shí)際工程中，膨脹土因其縮脹特性，受力剪切變形甚至破壞，都會(huì)對(duì)工程造成較大影響。一方面，不同埋置深度的膨脹土剪切峰值強(qiáng)度也不盡相同，另一方面，無(wú)側(cè)限條件下的膨脹土工程諸如人工夯筑墻體在上覆荷載破壞時(shí)屬于無(wú)側(cè)限工況。本文分別就這2種工況進(jìn)行了三軸剪切試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

在試驗(yàn)過(guò)程中，改良土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及三軸剪切試驗(yàn)破壞后的狀況如圖1所示?？梢钥闯?，不同纖維含量條件下膨脹土的破壞主要以壓剪破壞為主，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的斜向剪切面。

圖2為不同的纖維摻量下膨脹土試樣分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa這3組圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同纖維摻量的下的膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變曲線有顯著的變化。在軸向應(yīng)變初始變化階段，隨著軸向應(yīng)變逐漸增大，主應(yīng)力差呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且增長(zhǎng)趨勢(shì)較快，沒(méi)有明顯的峰值強(qiáng)度，屬于彈性變形階段，試樣基本沒(méi)有出現(xiàn)裂隙，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈應(yīng)變硬化形。隨著軸向應(yīng)變繼續(xù)增大，主應(yīng)力差的增長(zhǎng)趨于平緩，試樣逐漸進(jìn)入屈服和破壞階段。

從圖2（c）明顯看出，在纖維摻量相同的情況下，無(wú)側(cè)限條件下的2組試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線基本趨于一致，與素土相比，其抗壓強(qiáng)度有顯著的提升。在纖維摻量不變的情況下，有圍壓下的一組試樣比無(wú)圍壓的倆組試樣抗壓強(qiáng)度明顯提升。其結(jié)果表明，當(dāng)施加的圍壓增大時(shí)，土粒之間的壓縮愈加緊密，適當(dāng)數(shù)量的纖維均勻分布在土顆粒表面，使顆粒周圍的約束更加明顯，從而使得改良膨脹土斜截面的破壞得到了抑制。

從圖3可以看出，在圍壓的變化下，主應(yīng)力差和軸向應(yīng)變呈線性關(guān)系。隨著軸向應(yīng)變的增加，主應(yīng)力差呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其增長(zhǎng)率逐漸減小。一方面，對(duì)比不同纖維摻量的曲線，其增長(zhǎng)率隨著纖維摻量的增加而逐漸提高。這是因?yàn)樵诶w維摻量較小的情況下，纖維以單根的狀態(tài)與土體顆粒相接觸，從而產(chǎn)生一維約束。隨著纖維摻量的增加，纖維之間形成網(wǎng)狀形態(tài)，當(dāng)試樣受力時(shí)，纖維對(duì)土體產(chǎn)生三維約束。另一方面，在圍壓一定的情況下，隨著纖維摻量的增加，膨脹土的抗壓強(qiáng)度有明顯的增強(qiáng)。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是纖維與土顆粒之間相互交匯，從而產(chǎn)生摩擦力，在一定程度上抑制了膨脹土在側(cè)向和豎向變形，使得土體的破壞程度減小。隨著纖維摻量的增加，改良后的膨脹土其變形抑制作用更加明顯。

為了進(jìn)一步討論不同纖維摻量對(duì)膨脹土強(qiáng)度的影響，繪制了莫爾破壞包線，得到了總內(nèi)摩擦角和總黏聚力，如圖4和表3所示。由莫爾破壞包線可知，該試驗(yàn)試樣屬于超固結(jié)試樣。在素土中摻入纖維，使得原土壤與土壤之間的黏附力被破壞，纖維與膨脹土之間所產(chǎn)生摩阻力遠(yuǎn)大于原來(lái)的黏附力。此摩阻力增大了土顆粒間的拉力，抵抗剪切時(shí)的部分剪切力，從而使膨脹土的總內(nèi)摩擦角和總黏聚力在一定的范圍內(nèi)有所提升。隨著纖維摻量的增加，改良后的膨脹土其抗剪強(qiáng)度與素土相比有明顯增強(qiáng)。

3結(jié)論

在膨脹土最大干密度和最優(yōu)含水率的條件下，分別將不同摻量的纖維均勻摻入膨脹土中，進(jìn)行了固結(jié)不排水三軸試

驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)比9組試樣在不同條件下的強(qiáng)度，得出結(jié)論：

（1）經(jīng)過(guò)聚丙烯纖維改良后的膨脹土，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所增強(qiáng)，倆者之間相互交織產(chǎn)生摩擦力，有效抑制了土體的變形。

（2）聚丙烯纖維改良后的膨脹土，其總黏聚力和總內(nèi)摩擦角在一定范圍內(nèi)隨著纖維摻量的增加而有所提高。

（3）不同纖維摻量的膨脹土，無(wú)論是三軸條件還是無(wú)側(cè)限條件，其破壞方式基本都是壓剪破壞。

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