聚丙烯纖維紅黏土滲透性與剪切特性試驗研究

張 金 利， 蔣 正 國， 閆 春 程， 楊 慶， 楊 鋼， 張 林 林

（1.大連理工大學 建設工程學部 土木工程學院 巖土工程研究所，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；

3.中國石油集團工程設計有限責任公司，北京 100085）

0 引 言

在土體加固改良的實際工程中，廣泛采用土工合成材料.常用的土工隔柵、土工布等通過筋材與土體接觸的界面特性達到對土體的加固，而土的工程特性未得到改善.近年來，纖維土的力學特性研究受到廣泛關注，因纖維可承受一定的拉力，由此可彌補土不能承受拉力的缺陷.近年來，纖維砂土的力學特性研究成果較多，主要涉及砂土的顆粒級配、顆粒形狀、纖維添加量、長徑比、拉伸模量、纖維與剪切面的方向、試驗條件等因素對強度的影響.研究表明，纖維土與土的變形特性顯著不同[1－7].Consoli等[8－10]采用環剪試驗，探討了 加纖維的砂與膨潤土在大變形下的力學性質，試驗結果表明，當砂中添加纖維后，即使在較大剪切位移下，峰值強度降低也不大，而纖維膨潤土在較大剪切位移下的強度并未得到改善.

由于工程需要，近期逐漸開展了細粒土加纖維的力學特性研究.李廣信等[11，12]試驗研究了纖維加筋土的抗剪強度與土坡穩定性等問題.研究表明，黏土中加入竹、劍麻、椰子殼等纖維，其強度與剛度可顯著提高[12－16].在黏土的塑性范圍內，加入聚丙烯纖維后，可增加黏土的拉伸強度，破壞模式為柔性破壞[17].對于高塑性黏土，當添加適量纖維后，其無側限抗壓強度可提高70%～115%[18].Miller等[19]探討了黏土加纖維在填埋場防滲層中的應用，發現當纖維含量在0.4%～0.5%時，其滲透系數滿足填埋場防滲要求.纖維黏土與黏土的收縮試驗結果表明，纖維黏土干裂縫較黏土可降低50%.為探討纖維黏土在差異沉降下的拉裂縫開裂特性，Viswanadham等[20]通過離心模型試驗對此進行了研究，試驗結果表明，纖維長徑比與含量可有效控制裂縫形成.

垃圾填埋場常采用壓實黏土作為底部與封頂防滲層.黏土抗剪強度低，在較大工程荷載下，可能發生剪切破壞，因此，改良其工程性質具有一定的理論與工程意義.

為改良黏土的工程性質，本文將聚丙烯纖維與紅黏土混合，通過三軸試驗與滲透試驗研究纖維含量與長度等對纖維紅黏土的滲透特性與力學性質的影響.

1 材料及試驗方法

1.1 材 料

土樣為大連地區典型紅黏土，室外風干中經多次破碎大的土塊并過0.5mm篩，取篩下土備用.由室內土工試驗，確定紅黏土的工程性質指標見表1.

聚丙烯纖維為圓形截面的束狀單絲，如圖1所示（鹽城市恒固纖維有限公司，HG－0X2砂漿纖維）.其物理和力學性質指標見表2.試驗所采用的長度分別為7、13、19mm.

1.2 纖維土試樣制備

紅黏土黏性大不利于與纖維混合.確保纖維與土均勻混合，得到一致性良好的試樣是本項研究工作的關鍵.經過大量試驗與反復摸索，在黏土含水量接近液限時，多次少量加纖維并不斷攪拌，所得到的土樣纖維分布較均勻，但達不到試樣制備要求.為此采用了如圖2所示的制樣裝置.試驗中，加入適量水，使紅黏土處于流動狀態，再加入一定比例纖維，在攪拌過程中反復檢查混合情況，待纖維均勻混合后，將土樣裝入制樣箱，表層用塑料布密封，負壓排水，直到滿足制樣要求為止.

表1 試驗采用紅黏土工程特性Tab.1 Engineering properties of red clay used in the study

圖1 試驗用HG－0X2纖維Fig.1 The HG－0X2fibers used for experiment

表2 聚丙烯纖維的物理和力學性質參數Tab.2 Physical and mechanical properties of polypropylene fibers

圖2 試樣制樣裝置示意圖Fig.2 The equipment for preparing clay samples

纖維含量按質量比計算：

式中：r為纖維含量，%；mf為纖維的質量，kg；ms為干土的質量，kg.纖維含量主要依據文獻資料，并考慮工程實際，分別取為0.15%、0.25%、0.35%、0.50%、0.80%等5個含量.

1.3 試驗方法及儀器

采用變水頭滲透試驗確定纖維紅黏土的滲透系數.試驗中，分別對3種纖維長度（7、13、19mm）與 5 種 纖 維 含 量 （0.15%、0.25%、0.35%、0.50%、0.80%），以及紅黏土等進行滲透試驗，并配合一定數量的平行試驗，共進行56組試驗，確定其滲透系數.

為研究纖維黏土的力學特性，分別對紅黏土與纖維紅黏土進行固結不排水試驗.三軸試樣為圓柱體，高為8cm，直徑為3.91cm，采用應變控制式三軸儀進行試驗，應變速率0.08mm/min.試驗中以偏差主應力出現峰值點作為破壞標準，當無峰值時，軸向應變達到15%時作為破壞標準.

2 試驗結果分析

2.1 纖維紅黏土的擊實特性分析

針對3種纖維長度與5種含量的不同組合，共進行16組擊實試驗，進而確定纖維紅黏土的最優含水率與最大干密度，受篇幅限制，這里僅給出纖維長度為7mm下的試驗結果，如圖3所示.

圖3 纖維含量對擊實曲線的影響Fig.3 Effects of fibers content on the compactioncharacteristics

由圖可見，由于纖維所占質量分數較小，對纖維紅黏土的最大干密度影響不大.最優含水率受纖維影響較大，相差近1%.由此可見，紅黏土加纖維后，其加工特性發生了一定變化.

2.2 纖維紅黏土滲透特性分析

為確定纖維紅黏土的滲透系數，共進行56組試驗，結果如圖4所示.由圖可見，紅黏土加纖維后，滲透系數隨纖維含量增加而增大，長度19 mm纖維所受影響較13mm與7mm的更為顯著，盡管纖維紅黏土的滲透系數略有變化，但與紅黏土滲透系數處相同量級，表明在試驗中確定的纖維含量下，纖維紅黏土滲透系數可滿足工程防滲要求（如垃圾填埋場防滲要求滲透系數小于10－7cm/s）.因此，對于特殊防滲工程意義重大.

圖4 纖維長度與含量對滲透系數的影響Fig.4 Effects of fibers length and fibers content on the permeability coefficient

2.3 纖維含量對強度的影響分析

針對5種纖維含量與3種纖維長度，在不同圍壓下，通過固結不排水三軸試驗研究纖維紅黏土的抗剪特性.圖5給出了圍壓為200kPa下的試驗結果，其他圍壓下的試驗結果與其相近，這里未列出.由圖可見，纖維紅黏土與紅黏土的應力－應變關系曲線形狀完全不同，前者隨偏差應力增加，軸向應變亦增加，無峰值點；而后者，其曲線先增加達到峰值，后逐漸下降.表明纖維紅黏土具有加工硬化特征，且隨纖維含量增加，硬化現象愈趨明顯.與紅黏土相比，若取極限應變為9%時，紅黏土的峰值強度為400kPa，對于纖維含量分別為0.15%與0.80%的纖維紅黏土，其強度分別為536、865kPa，分別提高34%與116%.若取極限軸向應變為15%，對于5種纖維含量下的纖維紅黏土，其強度分別為616、678、742、835、1 019 kPa，為紅黏土強度的1.53～2.53倍，紅黏土加纖維后，強度得到顯著提高.

圖5 纖維含量對應力－應變關系曲線影響（σ3＝200kPa）Fig.5 Effects of fibers content on stress－strain curves（σ3 ＝200kPa）

2.4 纖維長度對強度的影響分析

對于紅黏土，添加不同含量的纖維后其抗剪強度提高幅度較大，纖維長度如何影響紅黏土的強度特性，需要進一步研究.為此開展了不同纖維長度下的三軸固結不排水試驗.試驗中采用的纖維長度分別為7、13、19mm，圍壓分別為100、200、300kPa.圖6給出纖維含量0.5%，圍壓為100kPa下的試驗結果.由圖可見，在相同纖維含量下，隨著纖維長度的逐漸增加，曲線切線模量在增加，表明材料的剛度逐漸增大，加工硬化特征愈趨明顯，進而說明纖維越長，纖維紅黏土的抗剪能力越強.從圖上可看出，纖維紅黏土的應力－應變關系曲線以軸向應變約3%為分界點，小于3%部分具有雙曲線特征，大于3%部分具有線性特征.因此，不可以采用常規的雙曲線表征纖維紅黏土的應力－應變關系，而應采用可表征纖維含量與長度影響的分段模型.紅黏土隨機均勻添加纖維后，其抗剪強度顯著提高，其機制為由于在剪切破裂面上存在一定數量纖維，處于破裂面上的纖維兩端固定在破裂面兩側，當破裂面兩側發生相對位移時，纖維處于受拉狀態，由表2可知，纖維初始彈性模量極高且抗拉強度較大（592MPa），因此，在纖維較小拉伸變形下，其可提供較大拉力，限制了破裂面的擴展，從而提高了纖維紅黏土的抗剪強度.由于纖維所能提供的拉力大小與纖維在剪破面兩側錨固長度有關，當纖維未達到抗拉強度時，纖維長度越長，拉力越大，抗剪強度越大，這一結論與試驗結果吻合.

圖6 纖維長度對抗剪強度的影響（σ3＝100kPa）Fig.6 Effects of fibers length on the shear strength（σ3 ＝100kPa）

表3給出不同試樣的固結不排水抗剪強度指標.由此可見，紅黏土加纖維后，內摩擦角φ提高幅度較小，但黏聚力c顯著提高.

表3 抗剪強度指標Tab.3 Parameters of shear strength

2.5 圍壓對強度影響分析

為探討圍壓對纖維紅黏土的抗剪強度影響，于100、200、300kPa下，在考慮纖維含量、長度的多種組合下，開展了大量試驗，圖7給出了纖維含量為0.5%的結果，其他含量下結果相似，這里未列出.隨圍壓增加，纖維紅黏土強度相應增加，亦符合普遍規律.相同圍壓下，隨著纖維長度的增大，抗剪強度相應增加，特別是在較大軸向應變時更為明顯.

圖7 圍壓對應力－應變關系曲線影響（r＝0.5%）Fig.7 Effects of confined pressure on stressstrain curves（r＝0.5%）

2.6 破壞模式

圖8給出3種試樣破壞后的照片.由圖可見，紅黏土破壞時具有典型的剪破面，應力－應變曲線具有峰值，屬典型的剪切破壞模式.對于纖維紅黏土，當纖維含量較少（0.25%），破壞時無明顯剪破面，試樣中部外凸，屬鼓脹型破壞模式.當纖維含量較大（0.80%）時，即使在較大軸向應變下（15%），亦未出現破壞.由此可見，紅黏土加纖維后，其破壞模式受纖維含量、纖維長度、試驗條件等多種因素控制，可能存在多種破壞模式.

圖8 破壞試樣Fig.8 The failure shape of samples

3 結 論

（1）在攪拌機中加入干土，加水攪拌，使土樣呈流塑狀態，在攪拌過程中，逐漸少量地加入纖維，直到達到要求的添加量，經反復攪拌，纖維即可均勻混合；然后將制備好的泥漿樣裝入本文所采用的真空固結排水裝置，進行排水.由此所制備的試樣具有較好的一致性.

（2）紅黏土加入纖維對最大干密度影響較小，對最優含水率影響較大.

（3）在0.25%～0.80%纖維含量下，纖維紅黏土的滲透系數略有增加，但仍保持較低滲透性.

（4）纖維紅黏土的應力－應變關系曲線具有典型的應變硬化特征.同時，在某一軸向應變下，可分為兩段，且隨纖維含量增加，切線模量增大.纖維含量與長度顯著地影響纖維紅黏土的力學特性.隨圍壓增加，纖維紅黏土的抗剪強度亦增加.

（5）纖維含量較低時，纖維紅黏土具有鼓脹型破壞模式；纖維含量較高時，纖維紅黏土在較高軸向應變下，亦未發生破壞.

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