纖維水泥粉砂土耐久性試驗研究

2011-05-04 08:42:02李宏波

鐵道建筑 2011年9期

王勃，李宏波，田帥

(1.中交二公局第三工程有限公司，西安 710016;2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021;3.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021)

寧夏地區多條用粉砂土填筑的路基，經受車輛和凍融作用，路面開裂較為嚴重。寧夏處于季節性凍土區，冬季冰雪覆蓋，路基土體中自由水凝結成冰，使含水量下降，土體開始出現形變;春季冰雪融化，含水量增加，路基強度隨之下降，易產生凍脹和翻漿等凍害現象［1-4］。破壞路基承載力，嚴重損害了道路的使用質量。通過以往纖維土在道路工程上的研究和應用，發現纖維土作為一種新的路用材料，通常具有良好的抗拉性能。基于寧夏銀川地區粉砂土路基的現狀，結合實際情況，在粉砂土中摻入一定量的聚丙烯纖維，以研究其摻入量對粉砂土路基耐久性的影響規律。

1 試驗內容

1.1 試驗材料

加筋用的纖維為聚丙烯纖維絲，水泥為硅酸鹽水泥。

1.2 擊實試驗

由擊實試驗得出粉砂土的最佳含水量為12.9%，最大干密度為1.936 g/cm3。3%水泥粉砂土的最佳含水量為13.8%，最大干密度為1.943 g/cm3。

1.3 三軸試驗

根據文獻［5］的試驗分析，本次試驗主要分析干濕循環和凍融循環對粉砂土和纖維粉砂土力學性能的影響。試驗分組:粉砂土(1#)和纖維摻量分別為0.1%，0.2%，0.3%的粉砂土(2#～4#);水泥粉砂土(5#)和纖維摻量分別為 0.1%，0.2%，0.3%的水泥粉砂土(6#～8#)。共分為兩大組(一組干濕循環試驗，一組凍融循環試驗)8小組試驗，每小組8個試塊，共64塊。在100%壓實度的條件下，在圍壓分別為100 kPa，200 kPa，300 kPa 和 400 kPa 時，進行不固結不排水試驗。干濕循環模擬試驗參照文獻［6］中的試驗方法進行了15次干濕循環;凍融試驗根據規范進行了15次循環試驗。

2 試驗結果分析

2.1 干濕循環和凍融循環對試塊變形的影響

經過三軸試驗的水泥纖維粉砂土無凍融和凍融試塊破壞后的照片見圖1，無凍融水泥纖維粉砂土破壞后無明顯的鼓起，而凍融后的水泥纖維粉砂土破壞后中下部有較明顯的鼓起，說明凍融后水泥纖維粉砂土的抗變形能力有所下降，所以纖維土作為季凍區道路路基或者其它構造物基礎必須考慮其抗凍性。

圖1 水泥纖維粉砂土試塊破壞后的照片

2.2 干濕和凍融循環對土體極限應變和應力的影響

2.2.1 干濕和凍融循環對土體極限應變的影響

根據三軸試驗確定的試塊破壞點得出各組試塊的極限應變見表1。

表1 試塊的極限應變%

由表1可知:

1)同圍壓下，試塊經過干濕循環后，極限應變降低了16.7%～60.0%，但隨著纖維摻量的增加其極限應變的降幅有明顯的減小，說明纖維的摻入可以提高土體的水穩定性。

2)同圍壓下，試塊經過凍融循環后，極限應變最大降低了24%，但隨著纖維摻量的增加其極限應變的降幅顯著降低，說明纖維的摻入可以提高土體的抗凍融能力。比較干濕循環和凍融循環發現，干濕循環對土體極限應變影響更為顯著。

3)經過干濕循環和凍融循環后，土體的極限應變均有所降低，但摻入纖維和水泥的粉砂土比素粉砂土的極限應變顯著增強。這說明土體摻入水泥和纖維可改善其水穩性和抗凍性，但不能忽視干濕循環和凍融循環對土體極限應變的影響。

2.2.2 干濕和凍融循環對土體極限應力的影響

根據破壞點的主應力差計算出試塊破壞時的最大主應力，在剪力與應力平面圖上繪制莫爾破損應力圓。根據每組莫爾破損應力圓包線得出試塊的黏聚力和內摩擦角，見表2。

表2 各組試塊的黏聚力和內摩擦角

由表2可知，干濕和凍融循環使土體的極限應力均有較大的降低。對于纖維土在干濕循環后其黏聚力降低了55% ～77%，在凍融循環后其黏聚力降低了43%～58%，其中干濕和凍融循環對素土黏聚力的影響更為明顯。對水泥纖維土而言，干濕循環后其黏聚力降低了28% ～39%，凍融循環后其黏聚力降低了22%～38%。素土的摩擦角有大幅降低，而纖維土體內摩擦角有小幅降低，進一步說明了纖維的摻入可以改善粉砂土的耐久性。