玻璃纖維改良對浙西山區紅黏土力學性能的影響

葛宏盛，劉麗萍

(1.西安工業大學 建筑工程學院,西安 710021;2.浙江成明試驗檢測有限公司,衢州 324300)

紅黏土是指碳酸鹽類巖石經強烈化學風化后形成的高塑性土,它廣泛分布在我國云貴高原、四川東部、浙江西部,江西東部等一些地區,是一種區域性特殊土。常呈紅棕色,吸水易凝結成塊,且較為堅硬。因其具有高液限、高塑性的特點[1],在工程施工過程中極易引起不均勻沉降現象[2-3],加大工程災害的發生,因此需要對紅黏土進行改良,使其性能滿足工程施工條件,作為合格的路基填料得以運用。目前對于我國紅黏土路基的處理方式大多采用直接換填、化學添加劑改良這兩種形式,但對于大面積紅黏土片區,這兩類處理方式需要大量的資金和人力,且存在環境污染問題。因此針對高液限紅黏土新型改良方式的研究具有廣泛的前景。

隨著科學技術的發展,纖維材料[4]因其價格低廉、性能良好逐漸走入工程建設領域。文獻[5]和文獻[6]采用天然椰殼纖維加固紅黏土,通過直剪試驗發現椰殼纖維可以明顯提高纖維土體的抗剪強度,對黏聚力提升效果尤為顯著;文獻[7]采用三軸試驗對木質素纖維紅黏土進行分析,得出添加一定量的木質素纖維可有效提高紅黏土強度的結論;文獻[8]和文獻[9]用聚丙烯纖維改良土體進行了研究,發現聚丙烯纖維作為增強材料用于土體,可有效緩解凍融循環下的不利影響,且加入聚丙烯纖維可增加后期抗壓性能與抗拉強度;文獻[10]采用玻璃纖維來加固花崗巖土體,通過SEM掃描、擊實試驗分析花崗巖土樣的微觀相互作用機理及抗沖擊性能,結果發現隨著纖維的加入,土體中原有的片狀黏土顆粒和纖維發生了“膠結”作用。文獻[11]、文獻[12]采用無側限抗壓試驗,研究了纖維對土體抗壓強度的影響規律,分析后得出摻入一定量的纖維可有效提高土體的無側限抗壓強度,緩解土體中裂紋的擴張,提升抗壓強度[13]。綜合上述學者研究結果可以發現在特殊土中摻入定量纖維可改良其力學性能。

因各類纖維物理、化學性質存在差異,對改良土體的力學性能也存在差異,研究新型纖維材料對改良土體結構性能具有必要性。玻璃纖維具有不易腐蝕、抗拉能力強、不易纏繞、環保等特點,廣泛應用于特殊土的改良。文中擬研究玻璃纖維材料摻量、長度等參數對紅黏土力學性能的影響,通過擊實試驗、液塑性試驗、直剪試驗、無側限抗壓強度試驗等研究方法分析玻璃纖維加筋土體抗壓、抗剪能力變化規律,為高液限紅黏土路基改良提供新的方向和理論依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用土取自浙江省常山縣黃岡山一帶,取土深度2.5～3.0 m。其物理力學參數見表1。試驗所用玻璃纖維采購于東安春暉新材料有限公司,其物理力學參數見表2。外觀如圖1所示。

圖1 玻璃纖維

表2 玻璃纖維的物理力學參數

表1 紅黏土的物理力學參數

1.2 試驗方案

對取得的土樣嚴格按照文獻[14],進行液、塑限試驗,最佳含水率、最大干密度等試驗,測得土樣的基本物理力學參數。考慮到玻璃纖維長度、摻量對紅黏土力學性能的影響,采用13組試驗進行直接剪切試驗、無側限抗壓強度試驗,具體見表3。其中第1組試驗為素土試驗;第2—4組為摻入玻維長度為3 mm,摻量分別是1.5‰,3.0‰,4.5‰,6.0‰的加筋土,以此類推。對摻入纖維含量按式(1)進行計算。

(1)

表3 試驗分組

式中:fc為纖維摻量;mf為纖維質量;ms為土體質量。

1.2.1 直接剪切試驗方案

按照文獻[14]所規定的步驟:選取優良的紅黏土土樣,經過烘干機烘干、橡皮錘敲擊、過2 mm篩等步驟,按照最佳含水率將水、纖維、土樣進行調配,注意在調配工程中盡量避免纖維的黏團聚集現象。用61.8×20.0 mm環刀取樣,每組試驗創建4個平行試樣,直剪試驗采用ZJ型應變控制式直剪儀(如圖2),剪切方式為快剪,施加的垂直荷載為50,100,200,400 kPa,并保持剪切速度為0.8 mm·min-1。對得到的數據進行整理,做出應力-位移曲線,計算出c、φ值。

圖2 ZJ型應變控制式直剪儀

1.2.2 無側限抗壓強度試驗

按照文獻[14]所規定的步驟:對處理完成的土樣,按照最佳含水率將水、纖維、土樣進行調配,并控制壓實度在0.97,隨后裝填至Φ為50 mm,h為50 mm的鋼型套筒內,在裝填過程中應分三次填入,且每次都要進行刮毛處理,為的是防止土體內部出現斷層現象。后使用脫模機進行脫模養護。養護條件為:溫度為(20 ± 2) ℃,相對濕度≥ 95%。每組試驗建立6個平行試塊。試驗采用WDW-50型微機控制電子萬能試驗機(如圖3),對養護完成的試模進行無側限抗壓試驗,試驗過程中應變速率控制在1 mm·min-1,軸向應變控制在10%以內(或出現明顯破壞變形)。通過測得數據做出應力-應變曲線。

圖3 WDW-50型微機控制電子萬能試驗機

2 試驗結果及分析

2.1 直剪試驗結果及分析

根據直剪試驗獲得的數據算出黏聚力c值和內摩擦角φ值,具體見圖4、表4。從圖4、表4可以看出,隨著纖維摻量、纖維長度的變化,改良后土體的c值得到了很大的提升,c值從素土的16.80 kPa增加到最大的37.32 kPa,相比于素土提高了1.70～2.22倍;φ值也得到了一定的提升,從素土的15.79°提升到了最大的19.23°,相比于素土提高了1.08～1.22倍,說明改良有明顯的效果。對c、φ值提升這一現象,可能的原因是:隨著纖維的摻入,纖維、土體、水三者產生了膠結作用,內部形成若干個三維網狀結構,能有效的傳遞、分解各方向上的力,增強了抗剪性;且纖維直徑在μm級,長度在3～9 mm間,隨機均勻的分布在土體內,極易產生“錨固”現象,抗拉能力得到增加,使土體難以被剪壞。該結論與文獻[15]得到的結論有一致性。

圖4 直剪試驗c、φ值對比

表4 玻璃纖維土體與素土的c、φ比值

此外,還可以看出摻量在0～3‰時,c值是呈增加趨勢,而摻量在3～6‰這一階段,c值則呈現出下降趨勢,相比于3‰,最大下降了22.93%,下降幅度較為明顯。對于c值出現下降趨勢可能的原因是:隨著纖維的不斷摻入,在3‰以后,出現了“過載”現象,土體內部纖維含量過多,導致纖維極易發生“纏繞”反應,使土體內部結構受力不均勻,局部發生了應力集中的現象,從而導致c值發生了一定程度的下降,削弱了纖維的作用。

纖維的摻入可以提高紅黏土體的黏聚力和內摩擦角,過量的摻入會影響纖維加筋土體的黏聚力數值,但對于內摩擦角影響較小。

2.2 無側限抗壓強度試驗結果及分析

對無側限抗壓試驗得到的數值按式(2)進行整理歸納,計算出無側限抗壓強度值;按照式(3)計算標準偏差,按《規程》規定,對標準偏差大于10%的數據組進行二次試驗。

qu=P/A,

(2)

式中:qu為無側限抗壓強度,MPa;P為試樣破壞時的最大荷載,N;A為試樣面積,mm2。

(3)

2.2.1 無側限抗壓峰值對比

由圖5可知,在摻入同一長度的纖維情況下,隨著摻入量的增加,無側限抗壓強度也出現增加;以3 mm纖維長度纖維土體為例,摻入1.5‰,3.0‰,4.5‰,6.0‰的纖維后,qu值分別為1.74,1.86,2.05,2.12 MPa,相比于素土各自提升了1.47,1.58,1.74,1.80倍。由可能的原因是:隨著纖維的摻入,纖維與水、土體發生了“膠結”反應,土體內部孔隙被大量的纖維填充,且纖維吸收了土體內少量的水分,得以使土體內部粘結性提升;在無側限抗壓時,軸向產生的壓力作用在土體上使土體受擠壓,內部若干個網狀結構承擔起了抗壓作用,力系得以分解,增加了土體的結構性和穩定性,抗壓性能得到了增強。這一結論與文獻[16]相符合。

圖5 纖維土體無側限抗壓峰值對比

同時可以看出,在纖維長度為9 mm、摻量為6.0‰時,無側限抗壓值達到最大的2.30 MPa,這說明此時的摻量為無側限抗壓最優摻量,纖維摻入能提高土體無側限抗壓強度。

2.2.2 玻璃纖維土體應力-應變曲線分析

纖維土的應力-應變關系見圖6,表5。結合圖6可以看出,纖維改良土體的應力-應變關系呈現拋物線形式,應變在0～2.5%左右時,纖維土體處于彈性變形階段,曲線呈快速上升期;在2.5%～4.0%左右時,纖維土體各自出現了對應的qu峰值,峰值過后曲線出現下浮,但下浮速率低于其上升期速率,最后平緩下降直至破壞。

圖6 三種長度纖維無側限抗壓下應力-應變曲線

表5 無側限抗壓峰值對應的應變

在上升期間,我們可以看到纖維摻量越大,曲線增長越陡峭,且在長度9 mm、摻量6‰時,曲線斜率最大,增長最快;在峰值區間內,可以明顯的看出纖維土體相比于素土有更好的穩定性,并不會在峰值過后迅速的下降,有明顯的緩和曲線,這說明纖維土體在達到強度峰值之后,纖維仍具有張拉作用,使土體從脆性變為了塑性,這也論證了為何圖6中的纖維土體下降曲線較為平緩。

由圖6發現,摻量為6‰的纖維土體在下降區間5%～7%內會產生明顯的“凹”限,強度值下降較為明顯,這可能的原因是:過量的纖維在土體內發生了“纏繞”的現象,在峰值過后土體的結構發生了嚴重變形,而纖維過量導致了結構受力的不均勻性增加,從而使得小范圍內出現陡降的現象。

在圖6、表5中,還可看到纖維土體峰值對應的應變ε隨纖維摻量的增加也表現出增加,以3 mm長度的纖維土體為例,隨著纖維摻量的增加,無側限抗壓峰值對應的應變從2.6%增加到3.2%,3.6%,3.9%,4.0%,這說明了纖維能增強土體的塑性,同時也能達到緩解應力集中的現象。

綜上可以總結出,纖維加筋土能提高土體峰值應變,增強土體擠壓變形能力,使纖維加筋土從“脆性”向“塑性”轉變。

3 玻璃纖維改良土無側限狀態下破壞類型分析

無側限抗壓試驗結束后,對被破壞土體進行觀察,如圖7所示。發現素土的破壞類型為“倒三角”形態(如圖7(a)),存在明顯的掉渣現象。這是由于紅黏土土性特殊,失水后易凝結成塊狀,土質變得密實,且缺少纖維加筋作用,從而引起明顯的掉渣現象。摻纖維土體的破壞類型則呈現出“花瓣狀”(如圖7(b))均勻破裂;縱斷面出現“漏斗狀”形態(如圖7(c))掉渣現象相比于素土明顯減少,且破壞斷面內能明顯看見纖維產生的錨固作用。這是由于纖維摻入土體使土體內部結構穩定性得到提升,土體在無側限抗壓情況下變形分布更具有層次性,并且纖維對土體具有錨固作用,可有效緩解掉渣現象。

圖7 無側線抗壓后破壞的土體

4 結 論

在紅黏土中摻入適量的玻璃纖維可以顯著提高土體抗剪強度,其中對黏聚力提升作用明顯,相比于素土提高了1.70～2.22倍;紅黏土中摻入過量的玻璃纖維會使土體內部產生“纏繞”現象,使土體的黏聚力明顯下降,但對于內摩擦角影響較小。

隨著纖維長度、摻量的增加,纖維土體的無側限抗壓強度逐漸增大,提升效果明顯,相比于素土提高了1.47～1.95倍。在無側限抗壓試驗中,纖維摻入使土體內部產生了三維網狀空間結構,有效的傳遞、分解了軸向壓力,并且纖維具有“錨固”作用,對支撐土體結構發揮了積極作用;素土無側限峰值對應的應變為2.6%,而纖維土體的應變集中在3.5%～4.0%,說明纖維增加了土體的殘余應力,增強了土體抗變形能力;纖維摻入使土體從“脆性”向“塑性”轉變,增強了加筋土體的抗變形能力。

通過試驗發現改良后的纖維加筋土力學性能得到了顯著的提升,各項力學指標滿足路基填料的要求,在具體工程實例中使用具有可行性。改良后的纖維土體可滿足路用性要求,為纖維加筋土體治理提供參考。在本次試驗中仍存在很多不足,如:對紅黏土進行烘干的時候未考慮到烘箱烘干可能會破壞土顆粒原有的水穩結構,烘干后的土體可能會喪失部分吸水性,在往后的試驗中應盡量考慮自然烘干等方法以確保起始試驗的準確性。在今后的研究方向上,可考慮采用除玻璃纖維以外的新型符合材料對土體進行改良。