膨脹土纖維加筋的強度特性實驗研究

王冰，于炎成，陳朝陽

（1.中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131；2.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

膨脹土廣泛分布于多個國家[1]，因其“三性”問題（脹縮性、裂隙性、超固結(jié)性）[2]的存在，給工程建設帶來巨大的危害。一直以來土體改良技術(shù)都是巖土工程領域的重大課題，通常有力學加固法、物理加固法、傳統(tǒng)化學加固法、非傳統(tǒng)型固化劑改良法等[3]。

纖維加筋提高土的強度[4-5]。各國學者對纖維加筋土進行了一定的研究[6-7]。目前用于土體加固的纖維主要有人工合成纖維和自然纖維兩種[8]。自然纖維由于其易降解、易摻加、成本低和對環(huán)境友好等優(yōu)點近年來得到研究人員的廣泛關(guān)注[9-10]。

本文在江淮分水嶺地區(qū)膨脹土中以不同的角度和摻加量將黃麻纖維摻入，通過不固結(jié)不排水三軸實驗來探究其對土體強度及變形方面的影響，研究結(jié)果對于江淮分水嶺地區(qū)膨脹土的處治問題具有一定的借鑒意義。受制條件因素，對鄰水基坑圍護結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力特性有待進一步研究。

1 實驗材料與方法

1.1 膨脹土的性質(zhì)

試驗中膨脹土取自江淮分水嶺。土樣成因為洪積而成，土樣顏色為褐黃色，含有大量的鐵錳結(jié)核，裂隙發(fā)育，中間夾有少量的砂土。土樣運送至土力學試驗室后進行密封處理，根據(jù)《公路土工實驗規(guī)程》（JTG E40—2007）[11]對所取土樣進行各種基本土工實驗，所獲得膨脹土的各基本物理性質(zhì)參數(shù)指標如表1所示。自由膨脹率為66.12%，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GB 50112—2013）[12]可知，該土樣為中潛勢膨脹土，顆粒級配曲線存在較為明顯的平緩段，故該土樣為缺粒級配。

1.2 黃麻纖維的性質(zhì)

試驗用加筋材料為黃麻纖維，纖維的長度可以達到1～4 m。如表2所示，黃麻纖維中含有較高含量的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其中纖維素含量最高(高達60%～70%)。纖維素是一種大分子多糖化合物，可以提高黃麻纖維的抗拉強度、抗剪強度和抗彎強度。從表3中可以看出，黃麻纖維的斷裂伸長率為1.5%～1.9%，相對其他加筋纖維來說較大，這使得其在與土體作用的過程中使筋土復合體的韌性加大，抑制了土體中裂縫的產(chǎn)生，加筋效果明顯好于其他加筋纖維。

1.3 實驗方法

把長度為10 mm黃麻纖維以不同的含量和角度摻入到膨脹土中，利用三軸不固結(jié)不排水試驗探究其在不同的圍壓下對膨脹土的改良效果。黃麻摻加量分為0.2%、0.5%和0.8%三種，黃麻摻加角度分為隨機、0o、30o、60o、90o，具體摻加方式如圖 1 所示。

圖1 黃麻纖維分布方式圖

2 試樣制備與三軸實驗

2.1 制作三軸試樣

試驗中黃麻纖維長度取10 mm。纖維在土體中隨機均勻分布時，將纖維與干土手工拌合，使其盡量分布均勻，噴入重量為按最優(yōu)含水率計算得到的水分，

膨脹土的基本物理力學性質(zhì) 表1

黃麻纖維化學成份表 表2

黃麻纖維基本物理力學性質(zhì)表 表3

燜料24h使水分充分擴散均勻后進行擊實。黃麻纖維在土中呈角度分布時，擊實的過程中均按纖維0o排列進行擊實，在三軸試樣制作的過程中再切割出纖維定向排列的試樣。黃麻纖維的添加過程與擊實過程同時進行，纖維分三次摻入，每次放入前將下面擊實土樣進行拉毛處理，纖維擺放位置如圖2所示。本次試驗中所采用的擊實過程按《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2007）中輕型I-1擊實法進行，錘質(zhì)量2.5 kg，錘底直徑5 cm，落高30 cm。

圖2 0°擊實過程中纖維擺放位置示意圖

2.2 三軸實驗

天然狀態(tài)下膨脹性黏土一般含水量較高，滲透性差，不易排水，故本次實驗采用不固結(jié)不排水的方式進行。剪切前對試樣加圍壓后即開始剪切，在剪切的過程中（垂直壓力施加的過程中）關(guān)閉排水閥門不允許試樣進行排水。實驗步驟參照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2007），當軸向應力出現(xiàn)峰值時，剪切應繼續(xù)進行至超過5%的軸向應變?yōu)橹?，當無峰值時，剪切應進行到軸向應變?yōu)?5%～20%時停止。

本次實驗中素土呈現(xiàn)出剪切破壞，出現(xiàn)明顯的剪切面，加入黃麻纖維試樣的破壞形態(tài)均呈現(xiàn)出塑性破壞。破壞時中間向四周鼓出而兩端較小，可以得出，黃麻纖維的存在抑制了土體的變形，使土體由剪切破壞變?yōu)閴嚎s破壞。

3 三軸試驗結(jié)果

將三軸實驗獲得的數(shù)據(jù)進行整理，把每組結(jié)果的（σ1-σ3）峰值點作為該組試樣的破壞點，如果沒有峰值點，則取軸向應變?yōu)?5%時所對應的點為破壞點。在直角坐標圖上以法向應力σ為橫坐標（kPa），剪應力τ為縱坐標（kPa）繪制剪切破壞圖，圖中在橫坐標上以(σ1f-σ3f)/2 為半徑，(σ1f+σ3f)/2 為圓心（f注腳為破壞）進行繪制半圓，不同圍壓下(100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa)所得數(shù)據(jù)分別繪制，做所有圓的公切線，該切線即為強度破壞包線。素土的繪制結(jié)果如圖3所繪制的σ—τ圖中強度破壞包線的斜率和截距分別為不排水內(nèi)摩擦角φu和黏聚力cu。

圖3 素土強度包線圖

圖4 纖維摻加量對黏聚力的影響

可以發(fā)現(xiàn)，纖維的摻入對膨脹土黏聚力的影響范圍要大于對土體內(nèi)摩擦角的影響范圍。

4 結(jié)論

本文以江淮分水嶺地區(qū)廣泛分布的膨脹土為研究對象，把長度為10 mm的黃麻纖維以不同的分布角度和摻加量摻入其中對土體進行改良。通過不固結(jié)不排水三軸試驗對所制得的64個試樣進行剪切試驗，對收集的數(shù)據(jù)進行詳細的整理繪圖和分析，本次試驗過程中主要的出了下述結(jié)論：

①在膨脹土中摻加入黃麻纖維可以改變土體的強度特性和變形特性，有效的提高膨脹土的抗剪強度和抗剪強度指標。黃麻纖維的摻入對黏聚力的提高幅度較大（由72 kPa到95 kPa）；對加筋膨脹土的內(nèi)摩擦角的影響范圍較小。

②改變黃麻纖維在膨脹土中的分布角度，可以看出不同程度的提高土體的抗剪特性。綜合來看，黃麻纖維在土中呈不同角度分布的加筋效果從高到低依次為 0°、30°、隨機均勻分布、60°、90°。

③黃麻纖維的摻加量對纖維加筋土的抗剪強度有一定的影響?？傮w上來說，纖維對膨脹土抗剪強度的增強效果隨著纖維增加量的增加先增大后減小，試驗中當黃麻摻加量為0.5%時土體的抗剪強度增加最多，摻加量為0.2%和0.8%時的加筋效果均要低于0.5%時的加筋效果。結(jié)果表明，纖維摻加量存在一個最優(yōu)值，最優(yōu)值下加筋效果達到最大。