凍融條件下玄武巖纖維改良水泥土抗剪強度試驗研究*

巨澍朋，賈 斌，張文權

（塔里木大學 水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

我國季節性凍土和常年凍土分布廣泛，在這些地區的路基和復合地基工程中，提高集合料在凍融循環條件下的強度和改善其在惡劣環境下抵抗侵蝕的能力是水泥土在上述地區能夠長期使用的關鍵[1]。董慧等[2-4]通過試驗發現與未凍融水泥土相比，凍融水泥土的強度受含水率的影響更大；凍融水泥土的強度和剩余質量均隨凍融次數的增加而減小。

相關研究表明，在水泥土中均勻地摻入適量纖維可以改善水泥土的抗壓強度、抗拉強度和抗凍融性能[5-8]。高常輝等[9]研究了玄武巖纖維和砂對水泥土強度的影響，發現摻砂量適宜時，水泥土的強度有一定程度的提高。王閔閔等[10]通過試驗發現纖維摻量相同時玄武巖纖維水泥土的抗壓強度、最大動彈性模量均高于聚丙烯纖維水泥土。張迪迪等[11]通過試驗研究發現，玄武巖纖維摻量為1.5%的水泥土，試樣的高度、質量和波速隨著凍融循環次數的增加總體呈先減小后增大的趨勢。陳峰[12]通過試驗研究了玄武巖纖維水泥土的劈裂抗拉強度和無側限抗壓強度，建立了劈裂抗拉強度與無側限抗壓強度的經驗關系式。目前，對玄武巖纖維水泥土凍融特性的研究非常缺乏。

1 研究內容

試驗土樣均取自兵團第一師阿拉爾市沙漠公路周邊沿線附近，根據《土工試樣方法標準》（GBT 50123-2019）的要求，對試驗用土進行一系列的基本物理性質試驗，得到該黏土的基本物理性質指標見表1；改良材料為玄武巖纖維，由浙江石金玄武巖纖維有限公司生產，其性質見表2；以及42.5 普通硅酸鹽水泥，由天山水泥股份有限公司生產。針對凍融循環后的玄武巖纖維水泥改良土，在水泥含量ac為18%、纖維長度lf為12～13mm、纖維摻量af為1.5%，在凍融循環次數N 為0、1、2、3、4、5 次條件下進行一系列直剪試驗，測出在不同垂直壓力下最大的抗剪強度，并研究抗剪強度、粘聚力、內摩擦角與凍融循環次數變化的關系。涉及的直剪試驗均在新疆阿拉爾市塔里木大學工科實訓大樓土工試驗室的ZJ 型應變式控制直剪儀上進行。

表1 試樣土的基本物理性質指標數值

表2 玄武巖纖維性質

2 試驗方案

本次直剪試驗的試驗方案見表3。

表3 試驗方案

3 分析凍融循環次數對抗剪強度以及抗剪強度指標的影響

3.1 凍融循環次數對抗剪強度的影響

凍融循環次數N 為0、1、2、3、4、5 次，水泥含量ac為18%，玄武巖纖維長度lf為12～13mm 和玄武巖纖維摻量af為1.5%，在不同法向應力下，取每種配比的3個數據的平均值作為一次試驗結果進行分析，分別見表4，圖1。

表4 抗剪強度隨凍融循環次數變化關系

由圖1 可知，隨著法向應力的逐級增加，在水泥含量ac為18%，玄武巖纖維長度lf為12～13mm 和玄武巖纖維摻量af為1.5%下的玄武巖纖維改良水泥土的抗剪強度呈現增大趨勢，并在法向應力為400kPa 時，其抗剪強度達到最大值。這說明法向應力的增大，對抗剪強度起有利影響。

由圖1 可知，隨著凍融循環次數的依次增加，在水泥含量ac為18%，玄武巖纖維長度lf為12～13mm 和玄武巖纖維摻量af為1.5%下的玄武巖纖維改良水泥土的抗剪強度呈現降低趨勢。凍融循環次數在0 至1 階段時，下降的趨勢最大，說明此階段對玄武巖纖維改良水泥土的抗剪強度不利影響趨勢最大；當凍融循環次數增加時，下降趨勢越來越平緩，這說明對其抗剪強度不利影響增加趨勢逐漸平緩。當凍融循環次數達到5 次時，抗剪強度最小，此時的不利影響達到最大。

3.2 凍融循環次數與粘聚力和內摩擦角的關系

從表5 和圖2 可以發現，5 種配比下的玄武巖纖維改良水泥土凍融循環次數從0 次增加到3 次，所對應的粘聚力呈現急劇降低趨勢，這說明在此階段凍融次數的變化對玄武巖纖維改良水泥土的粘聚力的不利影響最大。

圖2 凍融循環次數與粘聚力的關系

表5 凍融循環次數與粘聚力的關系

從表6 可以得出：當凍融循環次數一定時，玄武巖纖維長度為12～13mm，纖維摻量為1.5%，水泥含量為18%時，此配比下對玄武巖纖維改良水泥土的內摩擦角達到極限。

表6 凍融循環次數與內摩擦角的關系

3.3 凍融循環次數對抗剪強度指標的影響

根據試驗所得出的試驗結果和繪制出的抗剪強度曲線，通過查詢《工程地質手冊》（第五版）中的最小二原理計算土體的內摩擦角和粘聚力值C，用以下公式求得：

式中：σi-第i 次試驗的法向應力；τi-對應于σi的抗剪強度。

根據表4 中的數據，再根據式（1）和式（2），計算隨纖維含量變化的內摩擦角和粘聚力值C，見表7，圖3。

圖3 抗剪強度指標隨凍融循環次數變化關系

表7 抗剪強度指標隨凍融循環次數變化關系

由圖2 可知，隨著凍融循環次數的增加，粘聚力呈現明顯降低趨勢，這說明凍融循環對粘聚力起著不利影響。從圖中可以得知隨著凍融循環次數的增加，粘聚力的下降量在逐漸減小，這說明隨著凍融循環次數的增加，對其粘聚力的不利影響增加趨勢逐漸平緩。當凍融循環次數達到5 次時，粘聚力達到最小值，此時達到最不利影響。從圖中得知內摩擦角隨著凍融循環次數的增加呈現出先增大后減小的趨勢。在凍融循環次數為1 次時，其粘聚力為最不利影響。隨著凍融循環次數的增加，其內摩擦角逐漸增大，增加量逐漸趨于平緩，這說明隨著凍融循環次數的增加，對其內摩擦角的不利影響正在減小。

4 結論

（1）抗剪強度隨著凍融循環次數的增加而呈現降低趨勢，且在凍融循環次數為5 次時，抗剪強度達到最低值。

（2）粘聚力隨著凍融循環次數的增加而呈現降低趨勢，且在凍融循環次數為5 次時，粘聚力達到最低值。

（3）當凍融循環次數、玄武巖纖維長度、水泥含量不變時，內摩擦角隨著玄武巖纖維摻量的增加而呈現先增大后減小的趨勢。

（4）本試驗由于儀器精度不夠，因此試驗數據還存在一定的誤差。

（5）本試驗的數據可作為季節性凍土地區地基集合料提供相關基礎數據進行參考。