凍融作用下纖維土抗剪強(qiáng)度影響因素試驗(yàn)研究

韓春鵬，何鈺龍，申楊凡，王紹全

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

近年來，隨著工程建設(shè)對(duì)于路基土體強(qiáng)度要求的不斷提高，對(duì)于一些需要較高強(qiáng)度路基填筑要求的土體常采用一定的加固處理措施，常見的加固土體有石灰土、水泥土、加筋土等。而纖維土作為一種加筋土，與其他加筋土比較，操作較為簡(jiǎn)便，造價(jià)相對(duì)合理;與水泥土、石灰土等處治土相比，在拌合過程中不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生任何危害，因此受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。張小平等［1］研究了加筋聚丙烯纖維對(duì)膨脹土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)纖維摻量增加，黏聚力增加而內(nèi)摩擦角減小;Akbulut等［2］研究加筋聚丙烯纖維對(duì)于黏性土剪切強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)土體內(nèi)摩擦角和黏聚力均有增加;趙寧雨等［3］通過對(duì)聚丙烯纖維加筋紅黏土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)紅黏土合理的加筋纖維長(zhǎng)度在10～13 mm且加筋紅黏土的強(qiáng)度隨加筋纖維配合比的提高而增強(qiáng);張艷美等［4］發(fā)現(xiàn)纖維土的黏聚力的增量與纖維土的配合比等因素有關(guān);施利國(guó)等［5］研究了聚丙烯纖維加筋灰土的強(qiáng)度與變形特性，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維加筋灰土其峰值偏應(yīng)力以及抗剪強(qiáng)度均有不同幅度提高，國(guó)內(nèi)對(duì)于常溫下纖維土體的抗剪強(qiáng)度已有一定的研究，但對(duì)于凍融作用下纖維加筋土的抗剪研究尚不夠系統(tǒng)深入。在此，選用哈爾濱某工程黏土為試驗(yàn)土體，通過正交試驗(yàn)得到纖維摻量、纖維長(zhǎng)度、凍融循環(huán)次數(shù)3個(gè)因素對(duì)纖維土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律即纖維最佳配合比。將不同凍融次數(shù)和最佳配合比下纖維土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與素土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，從機(jī)理上分析纖維土在凍融作用下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自哈爾濱某施工現(xiàn)場(chǎng)，取樣深度為1.2～1.5 m，土樣顏色為棕黃色，根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程［6］(JTGE40—2007)對(duì)土樣進(jìn)行比重試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)確定土樣的主要的物理指標(biāo)(表1)，由素土的顆粒粒徑級(jí)配曲線(圖1)可知素土顆粒粒徑小于0.075 mm的顆粒含量超過總重的50%，結(jié)合《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)細(xì)粒土采用的塑形圖劃分方法可判定該土樣為低液限黏土。

表1 試驗(yàn)土樣物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of test soil samples

圖1 素土顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grain size distribution curve of plain soil

為確定纖維土的配合比，采用重型擊實(shí)方法測(cè)定素土的最佳含水率wop以及最大干密度ρdmax，將試驗(yàn)用土過0.5 mm篩，試驗(yàn)設(shè)備為TDJ—V多功能電動(dòng)擊實(shí)儀。分為5層進(jìn)行擊實(shí)，每層的擊實(shí)次數(shù)根據(jù)規(guī)范要求控制在27次，素土的擊實(shí)曲線如圖2。由擊實(shí)曲線可知該土體土樣的最大干密度為ρdmax=1.863 g/cm3，所對(duì)應(yīng)的最佳含水率為wop=11.4%。

圖2 擊實(shí)試驗(yàn)曲線Fig.2 Compacting experimental curve

試驗(yàn)所用纖維為福州市博特聚丙烯纖維制品有限公司生產(chǎn)的工程用途聚丙烯纖維，質(zhì)地軟滑，顏色雪白，為長(zhǎng)條形束狀纖維，本次試驗(yàn)所采用的纖維分別長(zhǎng)度為6，9和12 mm，其主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 聚丙烯纖維物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical behaviors of propylene fiber

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)方案進(jìn)行，利用3因素3水平的正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)了L9(34)的正交試驗(yàn)表，其因素水平表如表3，主要考察的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有加筋土的內(nèi)摩擦角φ，土的黏聚力c。試驗(yàn)涉及的因素主要有凍融循環(huán)次數(shù)、聚丙烯纖維長(zhǎng)度、聚丙烯纖維摻量，設(shè)計(jì)直剪正交試驗(yàn)方案(表4)，通過正交試驗(yàn)結(jié)果確定最佳組合方案，將最佳組合方案纖維土在凍融作用下進(jìn)行直剪試驗(yàn)。素土在0，1，3和6次凍融作用下的直剪試驗(yàn)試件作為對(duì)比組，組別編號(hào)為J，K，L和M，與最佳組合方案纖維土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比，得到各影響因素對(duì)于加筋土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律。

表3 正交試驗(yàn)因素及水平Table 3 Factors and levels of orthogonal test

表4 正交試驗(yàn)表Table 4 Table of orthogonal test

1.3 試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)用土風(fēng)干粉碎后加水至最佳含水率，與試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的纖維充分拌合均勻，靜壓壓實(shí)至96%的壓實(shí)度。根據(jù)寒區(qū)路基的溫度監(jiān)控?cái)?shù)值的相關(guān)研究［7］，土樣的凍融溫度區(qū)間為－15～15℃，本次試驗(yàn)使用溫度精度為0.1℃的DWX低溫試驗(yàn)箱來進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，設(shè)定試驗(yàn)中土樣凍結(jié)溫度為－15℃，凍結(jié)時(shí)間為12 h，待凍結(jié)完成后將土樣移至室溫(12～15℃)環(huán)境下融解，為使土樣能夠充分融解，設(shè)定融化時(shí)間為12 h，以此為1次凍融循環(huán)。所有試件在整個(gè)凍融過程中均采取密封措施，防止試驗(yàn)土件水分散失。

土樣凍融完成后，采用SDJ－II型三速電動(dòng)等應(yīng)變直剪儀對(duì)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的土樣在室溫下進(jìn)行直剪試驗(yàn)以測(cè)定纖維土的抗剪強(qiáng)度。本次試驗(yàn)采用快剪方式進(jìn)行，通過垂直加荷系統(tǒng)對(duì)試件施加豎向荷載以后，再由剪切傳動(dòng)系統(tǒng)立即施加水平剪切力進(jìn)行剪切，以0.8 mm/min的剪切速度對(duì)試件進(jìn)行剪切，在3～5 min內(nèi)完成剪切。剪切試樣是從內(nèi)徑為61.8 mm，高度為20 mm的環(huán)刀內(nèi)脫出，位移測(cè)量使用精度為0.01 mm的百分表。每組剪切試件取4個(gè)相同試樣，使其分別在50，100，200和300 kPa的豎向壓應(yīng)力的作用下完成剪切。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)JTGE40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》的要求，對(duì)表4中的各組試件進(jìn)行試驗(yàn)直剪試驗(yàn)，對(duì)所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出不同試件的內(nèi)摩擦角與黏聚力如表5所示。

表5 指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of index test

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)正交試驗(yàn)得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差及方差分析，考查3種影響因素對(duì)于纖維土抗剪性能的影響規(guī)律，以此確定凍融作用下纖維土的最佳組合方案。針對(duì)各影響因素進(jìn)行極差分析，將試驗(yàn)結(jié)果極差分析的結(jié)果列于表6，并計(jì)算出3個(gè)因素各試驗(yàn)水平的均值Kj及極差值R(R=max(Kj)－min(Kj))。

表6 力學(xué)指標(biāo)極差分析Table 6 Range analysis for mechanical index

由極差分析結(jié)果可知，對(duì)于聚丙烯纖維土的黏聚力，主要影響因素的主次順序?yàn)棰瘢劲颍劲?13.064＞7.959 ＞3.437)，說明凍融次數(shù)對(duì)于黏聚力指標(biāo)的影響最為顯著，其次是纖維摻量，纖維長(zhǎng)度對(duì)于黏聚力指標(biāo)的影響稍弱。在不同的凍融次數(shù)作用下Ⅰ1＞Ⅰ2＞Ⅰ3，表明纖維土黏聚力在凍融循環(huán)作用下減小，這是符合一般土體在凍融循環(huán)作用下的衰減規(guī)律的;摻入不同摻量的聚丙烯纖維時(shí)Ⅱ3＞Ⅱ2＞Ⅱ1，說明土中摻入聚丙烯纖維對(duì)土體黏聚力有顯著的增強(qiáng)效果，纖維摻量增大，土中無序分布的纖維交織點(diǎn)數(shù)目增加，若纖維交叉處因力的作用產(chǎn)生位移趨勢(shì)，與之交織的各個(gè)方向的纖維均會(huì)被牽動(dòng)并阻止位移產(chǎn)生，以此形成空間網(wǎng)狀受力體系增強(qiáng)土的黏聚力［8］;在摻入不同長(zhǎng)度的聚丙烯纖維時(shí)Ⅲ2＞Ⅲ3＞Ⅲ1，黏聚力隨著纖維長(zhǎng)度的變大呈現(xiàn)出先增大、后變小的趨勢(shì)，其中9 mm長(zhǎng)度的聚丙烯纖維增強(qiáng)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(zhǎng)度過短，纖維在土中的彎折點(diǎn)較少，土體受力使得纖維受拉時(shí)，纖維彎曲的凹側(cè)對(duì)土顆粒的壓力較小，纖維土的整體強(qiáng)度性能增強(qiáng)效果并不明顯，纖維長(zhǎng)度太長(zhǎng)，各纖維之間雖然布成網(wǎng)狀，但是在土中成層分布，各向同性的增強(qiáng)效果減弱。

對(duì)于土體的內(nèi)摩擦角，影響因素的主次順序與黏聚力一致，但是其極差值相對(duì)黏聚力的極差值較小，說明摻入纖維和凍融循環(huán)作用對(duì)于內(nèi)摩擦角的影響較小，對(duì)于黏聚力的影響較大。

將試驗(yàn)結(jié)果的方差分析列于表7，表中方差來源①，②，③和④分別代表凍融次數(shù)、纖維長(zhǎng)度、纖維摻量以及空列4個(gè)影響因素。

表7 力學(xué)指標(biāo)方差分析Table 7 Variance analysis for mechanical index

從方差分析結(jié)果可以看出，各個(gè)影響因素對(duì)于內(nèi)摩擦角的影響效果均不顯著，因?yàn)镕0.05(2，6)＞4.35 ＞ F0.10(2，6)，因此凍融次數(shù)對(duì)于內(nèi)摩擦角的影響相對(duì)顯著，而纖維長(zhǎng)度與纖維摻量對(duì)于內(nèi)摩擦角的影響顯著性被誤差淹沒;對(duì)于土體黏聚力，因?yàn)?21.24 ＞ F0.01(2，6)，所以凍融次數(shù)對(duì)于黏聚力的影響特別顯著，為主要顯著影響因素，根據(jù)F0.01(2，6)＞ 7.87 ＞ F0.05(2，6)，說明纖維摻量對(duì)于黏聚力的影響顯著，纖維長(zhǎng)度對(duì)于黏聚力的影響相較而言不顯著。

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)確定生產(chǎn)時(shí)的最佳水平組合方案，確定各因素下的最佳水平組合基本原則是先確定主要的考核指標(biāo)，再根據(jù)次要考核指標(biāo)遷就主要考核指標(biāo)，影響顯著性差的考核指標(biāo)后于影響顯著性好的，指標(biāo)波動(dòng)幅度大的優(yōu)于指標(biāo)波動(dòng)幅度小的原則確定最佳組合方案。本次試驗(yàn)的考查指標(biāo)中，黏聚力對(duì)于土體抗剪強(qiáng)度的影響較大，為主要影響指標(biāo)，3個(gè)因素對(duì)于黏聚力的顯著性較內(nèi)摩擦角也好，其各個(gè)水平的數(shù)值波動(dòng)程度也較大。因此，最優(yōu)組合方案即為纖維長(zhǎng)度為9 mm，纖維摻量為3‰的組合方案。

2.3 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析

為研究?jī)鋈谧饔孟伦罴呀M合方案的纖維土抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)特性，制備不同凍融次數(shù)下的纖維摻量3‰，纖維長(zhǎng)度9 mm的纖維土試件進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與凍融作用下對(duì)比組的直剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，取垂直壓力P為橫坐標(biāo)，抗剪強(qiáng)度S為縱坐標(biāo)，土樣垂直壓力與抗剪強(qiáng)度曲線如圖3;根據(jù)圖3的趨勢(shì)線可以得到土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，試驗(yàn)所得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與素土試件的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖3 垂直壓力與抗剪強(qiáng)度曲線Fig.3 Curves of vertical pressure and shear strength

圖4 凍融作用下纖維土與素土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比Fig.4 Shear strength index contrast of fiber soil and soil under the freezing and thawing

由圖3(a)所示，凍融1次的素土抗剪強(qiáng)度曲線整體位于未凍融素土抗剪強(qiáng)度曲線的下方，說明土體在凍融1次以后抗剪強(qiáng)度大為減弱;凍融3次土體與未凍土體的抗剪強(qiáng)度趨勢(shì)線出現(xiàn)了交叉，說明P值較小時(shí)，凍融3次的土體抗剪強(qiáng)度小于未凍土，但隨著垂直壓力的增大，抗剪強(qiáng)度最終比未凍融土體高;凍融6次的土體抗剪強(qiáng)度趨勢(shì)線在垂直壓力較小時(shí)略下于凍融3次的土體抗剪強(qiáng)度趨勢(shì)線，之后2趨勢(shì)線幾乎重合，說明凍融次數(shù)超過3次以后，土體抗剪強(qiáng)度變化較小。由圖3(b)所示，未凍融的土體抗剪強(qiáng)度在垂直壓力較小時(shí)稍高，隨著垂直壓力增大，凍融1次的纖維土抗剪強(qiáng)度迅速增加;凍融1次的纖維土抗剪強(qiáng)度曲線整體位于未凍融素土抗剪強(qiáng)度曲的下方，表明凍融3次時(shí)纖維土的抗剪強(qiáng)度有大幅度的下降;凍融3次與凍融6次的纖維土抗剪強(qiáng)度趨勢(shì)線基本平行且相離較近，說明凍融3次后凍融作用對(duì)纖維土抗剪強(qiáng)度衰減影響較小。

根據(jù)圖4(a)所示，素土的內(nèi)摩擦角隨著凍融次數(shù)的增加逐漸變大，且在凍融1次到凍融3次之間增強(qiáng)效果最為顯著，纖維土的內(nèi)摩擦角在凍融1次時(shí)有了較大的增強(qiáng)，增加了97.49%，隨著凍融次數(shù)的增大，內(nèi)摩擦角隨之減小，在凍融3次以后，摻加纖維的纖維土的內(nèi)摩擦角小于素土的。根據(jù)圖4(b)，隨著凍融次數(shù)的增大，素土和纖維土的黏聚力都逐漸減小，黏聚力減小趨勢(shì)是減緩的，在1次凍融時(shí)，黏聚力減小最為顯著。同等凍融次數(shù)下的纖維土的黏聚力要比素土的大，說明摻入纖維對(duì)于土體黏聚力有一定的增強(qiáng)效果，隨著凍融次數(shù)的增加，纖維土黏聚力較素土黏聚力的增強(qiáng)幅度越大。

3 機(jī)理分析

根據(jù)參考文獻(xiàn)［9］，粉質(zhì)黏土在凍融循環(huán)作用下變得破碎，土顆粒粒徑減小、孔隙總數(shù)量增加但大孔隙數(shù)量減小，孔隙的形狀、方向均趨于不規(guī)則，土顆粒重新排列并產(chǎn)生更多的接觸點(diǎn)，利于顆粒間摩擦力的發(fā)揮，使得內(nèi)摩擦角增大。同時(shí)凍融作用又破壞了土體原有的連接形式以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得顆粒間的膠合力減小，因此凍融作用使素土的黏聚力減小。

纖維土在凍融作用下抗剪強(qiáng)度的變化趨勢(shì)有所不同。纖維土在凍融作用下黏聚力逐漸減小，但較素土而言是有所增強(qiáng)的。如圖5所示，凍融作用使得土體發(fā)生破碎，孔隙數(shù)量增加，使得聚丙烯纖維在土中產(chǎn)生更多的交織點(diǎn)，交織作用更加顯著，增強(qiáng)了土體的黏聚力;同時(shí)纖維在土中曲折分布使得土體具有更高的毛細(xì)水壓力，產(chǎn)生了一部分的假內(nèi)聚力。纖維的加入使得部分土—土接觸轉(zhuǎn)化為土—纖維接觸，因此纖維土未凍融時(shí)內(nèi)摩擦角要小于素土內(nèi)摩擦角;在凍融1次時(shí)，纖維土中弱結(jié)合水以及自由水會(huì)朝向溫度較低的一端(試件表層)遷徙，水分會(huì)沿纖維表面移動(dòng)，因此在凍結(jié)時(shí)冰晶沿著纖維分布，使得結(jié)構(gòu)破碎更為徹底，纖維土內(nèi)摩擦角有大幅度的提升;如圖5所示，在多次凍融后，纖維土孔隙較小，毛細(xì)水壓力增大，土顆粒棱角被磨圓，土—土接觸變少而土—纖維接觸增加，因此多次凍融會(huì)使得纖維土內(nèi)摩擦角較1次凍融時(shí)要小。

圖5 纖維土作用機(jī)理示意圖Fig.5 Mechanism of fiber soil

4 結(jié)論

1)根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分析，凍融作用下影響纖維土抗剪強(qiáng)度因素主次順序?yàn)閮鋈谘h(huán)作用次數(shù)、纖維摻量、纖維長(zhǎng)度。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果得出最佳組合方案，凍融作用下纖維土的最佳配合比為纖維摻量為3‰，纖維長(zhǎng)度為9 mm。

2)通過最佳組合方案下纖維土與素土在不同凍融次數(shù)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比，隨著凍融次數(shù)的增加，纖維土的內(nèi)摩擦角凍融1次增強(qiáng)效果明顯，之后出現(xiàn)了衰減，這是由于纖維土中纖維與土顆粒間毛細(xì)壓力較大，而纖維與土顆粒間的摩擦阻力小于土粒間摩擦阻力。

3)凍融作用下，纖維對(duì)于土體黏聚力具有增強(qiáng)效果。由于纖維土中纖維與土顆粒間有一定的毛細(xì)壓力，這部分毛細(xì)壓力成為黏聚力增量，且凍融后土顆粒破碎導(dǎo)致纖維的交織點(diǎn)增多，因此隨凍融次數(shù)增大，纖維對(duì)土體黏聚力的增強(qiáng)效果越明顯。

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