波形纖維對砂質黏性紫色土力學性能的影響

2020-06-09 10:09:18楊莉莉，謝春燕，石浩廷，潘建勛，吳達科

人民長江 2020年4期

楊莉莉，謝春燕，石浩廷，潘建勛，吳達科

(西南大學工程技術學院，重慶 400700)

紫色土是由中生代時期紫色砂巖、頁巖、泥巖經數個世紀漫長的風化、侵蝕、固結發育演變而成且侵蝕性較高的巖性土。重慶地區紫色土屬砂質黏性紫色土，具有一定的濕脹干縮性，在干濕交替作用下容易龜裂[1]。由于重慶地區氣候濕熱，土體在快速的干濕循環過程中極易發生侵蝕破壞，造成邊坡滑落、路基塌陷、泥石流等災害。

加筋土技術作為一種土體改良技術，被廣泛運用在加固軟土地基、邊坡、擋土墻等工程中。隨著各種加筋材料的大量運用，纖維因其具有較好的分散性、力學性能和耐腐蝕等優點而受到學者們的重視[2-3]。纖維加筋土作為一種相對均質的、具有近似各向同性的新型土工復合材料[4-5]，國內外對其已開展了大量研究。

在天然纖維方面，Diab[6]等通過不固結不排水的三軸試驗研究大麻纖維對壓實黏土負荷響應的影響，結果表明，對Hemp增強的試樣，可提高100%剪切強度。Fagone等[7-8]通過試驗研究黃麻纖維對加筋土強度的影響，分析了纖維加筋的尺寸效應，其中Wang等發現在纖維含量為0.6%、長度為6 mm時，土體強度最高，且隨著纖維含量和長度的增加，纖維加筋土的凝聚力先增加后下降，而內摩擦角無明顯變化。Mohamed[9]研究了草纖維土的抗剪強度特性，結果表明隨著纖維摻量的增加，纖維土抗剪強度呈先增大后減小的變化趨勢，在纖維摻量為1%時抗剪強度最大。劉建龍[10]等通過無側限抗壓強度試驗，發現棉纖維加筋土的無側限抗壓強度隨加筋量和加筋長度的增加呈現先增大后減小的趨勢。在人工合成纖維方面，Estabragh[11]等研究了尼龍纖維對粘土性能的影響，得知摻入尼龍纖維可增加土壤的剪切強度和內摩擦角，且隨著纖維含量的增加，加筋土的預固結壓力降低，膨脹和壓縮系數增加。Patel和Singh[12]研究了玻璃纖維對黏性土強度的影響，發現CBR和割線模量都隨著纖維含量和纖維長度的增加而增加。國內學者趙瑩瑩[13-14]等對聚丙烯纖維加筋土的研究表明，聚丙烯纖維的摻入會提高土體強度、改善其變形特性，且隨著圍壓增加而提高；同時能增強土體的凝聚力，但幾乎不會影響內摩擦角。李建[15]對波形纖維加筋粉質黏土開展無側限壓縮試驗，研究表明無側限抗壓強度隨纖維含量的增加而增強。唐朝生[16]通過電鏡微觀掃描研究纖維加筋土中筋/土界面相互作用，結果表明纖維的加筋效果取決于筋/土界面作用強度，筋/土界面之間的力學作用主要有2種形式:黏接和摩擦。唐朝生[17]還通過自行設計的纖維拉拔試驗裝置進行單根纖維的拉拔試驗，利用測得的筋土界面強度導出了纖維加筋的臨界長度。上述加筋土力學特性的研究有利于促進加筋土的工程實際應用，但仍存在著不足：① 研究中所用的加筋材料普遍是直線形的，缺乏對波形以及其他形狀的加筋材料的研究；② 尚需分析波形纖維加筋土的抗剪強度以及其影響因素，如纖維含量、長度等。因此，有必要在現有研究的基礎上對波形纖維加筋土進行系統研究。

為此，本文針對重慶地區的砂質黏性紫色土，在土樣中摻入不同含量、不同長度的波形聚丙烯纖維進行無側限壓縮和三軸壓縮試驗，通過對比分析，研究波形聚丙烯纖維對加筋土力學性能的影響，為今后波形聚丙烯纖維加筋土設計提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土樣為中國西南地區常見的砂質黏性紫色土。土樣呈硬塑狀態，礦物成分主要包括高嶺石、蒙脫石和蛭石等，其物理力學性質見表1。加筋材料選用波形聚丙烯纖維，其橫截面近似于0.4 mm×1.0 mm的長方形，其物理力學參數見表2。

表1 土樣的物理力學參數

表2 波形聚丙烯纖維的物理力學參數

1.2 試樣設計及制備

試驗選取的纖維長度為20,30,40 mm，纖維含量分別為0.2%、0.3%、0.4%。將所取土樣進行烘干和粉碎處理后過2 mm的篩備用。以最大干密度1.7 g/cm3來控制試驗所制土樣的質量，試驗按照天然含水率18.4%進行土樣配制，并用保鮮膜將配制好的土樣密封養護24 h，使水分浸潤均勻。無側限壓縮試驗選用的模具尺寸為50 mm×100 mm，三軸壓縮試驗選用的模具尺寸為38.1 mm×80 mm，均采用靜壓法制樣。

1.3 試驗方法

試驗參照JTGE40-2007《公路土工試驗規程》[18]進行，無側限壓縮強度試驗采用YSH-2型無側限抗壓儀測定，設定軸向壓縮速率為1 mm/min，每隔15 s記錄一次數據。三軸壓縮試驗采用TCK-1型三軸壓縮儀，設定軸向壓縮速率為0.8 mm/min，在設定的圍壓下進行壓縮。

2 結果和討論

2.1 無側限壓縮試驗

2.1.1無側限抗壓強度

圖1是纖維含量對無側限抗壓強度的影響。由圖1可知，與素土相比，摻入纖維可明顯增強試樣的無側限抗壓強度，且在3種纖維長度下，隨著纖維含量的增加，加筋土的無側限抗壓強度均呈先增大后減小的趨勢；在波形纖維含量為0.3%時，無側限抗壓強度達到最大值。當纖維含量為0.2%時，試樣的無側限抗壓強度小于纖維含量為0.3%和0.4%的試樣，這是由于在纖維含量較低時，提供的約束作用有限，對試樣的無側向抗壓強度提升較低。隨著波形纖維含量的增加，纖維產生的約束作用隨之增強；當裂隙產生時，纖維的拉筋作用可有效減緩裂縫的發展速度，保持土體的整體性，對加筋土的抗壓強度提升更大。當纖維含量進一步增加時，纖維之間相互發生堆疊，存在潛在裂隙、形成薄弱面，在破壞時產生的裂縫易沿薄弱面發展，從而導致抗壓強度下降。所以存在最優纖維摻量0.3%，使加筋效果達到最佳。

圖1 纖維含量對無側限抗壓強度的影響

圖2是纖維長度對無側限抗壓強度的影響。由圖可知，纖維長度為30 mm和40 mm的試樣其無側限抗壓強度顯著高于20 mm的試樣，在纖維長度為30 mm時強度最大。其主要原因有兩方面，① 單根纖維與土體產生的約束作用；② 纖維數量。纖維在含量相同的情況下，纖維較短時，單根纖維與土樣接觸面積小，產生的約束作用較弱，且纖維數量更多，潛在裂隙更多，產生的裂縫更易發展，進而無側限抗壓強度相對較小。隨著纖維長度增加，單根纖維產生的約束作用增強；且纖維數量減少，存在的潛在裂隙也減少，兩種作用同時產生增強作用，對無側限抗壓強度提升很大。隨著纖維長度進一步增加，單根纖維與土體產生的約束作用更強，潛在裂隙也減少，但由于數量減少，纖維產生的總的約束作用降低了，兩種作用產生消減效果，故無側限強度反而比長度為30 mm的試樣還低。

圖2 纖維長度對無側限抗壓強度的影響

2.1.2變形特性

圖3是纖維含量和長度對試樣應力-應變的影響。由圖3可知，加筋土和素土試樣的應力-應變曲線均呈現應變軟化特征。由圖3(a)～(c)可得，加筋土軸向應變在2%之前，軸向應力隨軸向應變呈直線增長；隨著應變的增大，應力增長變慢并逐漸趨于平緩；當軸向應變達到5%，曲線出現轉折，應力隨應變的增加逐漸減小并趨于穩定。同時觀察試件的殘余強度可以發現，加筋土試樣的殘余強度明顯大于素土試樣。其中纖維含量為0.3%的試件殘余強度最大。由圖3(d)可發現，不同纖維長度的試樣，其應力-應變曲線明顯不同。在線彈性階段，“長纖維”試樣的軸向應力增長明顯大于“短纖維”試樣，且軸向應力峰值也明顯提高。“長纖維”試樣達到應力峰值時，應變約為4%；“短纖維”試樣達到應力峰值時，應變約為5%。達到峰值后應力隨應變出現呈下降趨勢，且破壞后，“短纖維”的殘余強度大于“長纖維”。說明在纖維含量相同時，增加纖維長度可增加加筋土試樣的無側限抗壓強度，但同時也會削弱試樣的破壞韌性，導致試件在軟化階段下降的強度多，殘余強度較低。

圖3 纖維含量和長度對試樣應力-應變曲線的影響

2.2 三軸壓縮試驗

按照試驗設計的纖維含量和長度制作試樣，依照試驗規范要求，在不同圍壓(50,100,150 kPa)下進行不固結不排水的三軸壓縮試驗，選取偏應力峰值與圍壓的關系進行線性擬合，根據擬合曲線(見圖4)計算得到內摩擦角和凝聚力，以此探究纖維對波形纖維加筋土抗剪特性的影響。從圖4(a)～(c)中可發現，與素土試樣比，加筋土的偏應力在各種含量和長度下均有所提升，抗剪能力增強；且通過增加纖維含量和長度均可提升試樣的偏應力強度。圖4(a)中，當纖維長度為20 mm時，同一圍壓下不同纖維的加筋土偏應力擬合直線與素土的差別較小；圖4(c)中，當纖維長度為40 mm時，加筋土試樣偏應力較素土試樣增加較多，擬合直線差別較大。說明當纖維長度較長時，對土體的偏應力強度提高較多，試樣的加筋效果較好。

圖4 偏應力與圍壓的關系曲線

圖5是纖維含量和長度對土體凝聚力的影響。由圖5可知，纖維含量和長度對加筋土凝聚力影響較大。隨著纖維含量的增加，試樣凝聚力逐漸增大；同一含量下，隨著纖維長度的增加，試樣的凝聚力也會增大。在長度為20 mm時，纖維含量為0.4%的試樣其凝聚力較原始試樣增加了39.7%；含量為0.3%時，增加了30.0%；含量為0.4%時，增加了26.3%。說明在纖維長度較低時，纖維含量的增加對凝聚力增加更明顯。在含量為0.2%時，40 mm纖維試樣的凝聚力較20 mm試樣增加了26.4%；含量為0.3%時，增加了8.7%；含量為0.4%時，增加了11.6%。顯然纖維含量較少時，長度的變化對凝聚力影響更大。