纖維水泥粉砂土耐久性試驗研究

王 勃，李宏波，田 帥

(1.中交二公局 第三工程有限公司，西安 710016;2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021;3.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021)

寧夏地區(qū)多條用粉砂土填筑的路基，經(jīng)受車輛和凍融作用，路面開裂較為嚴(yán)重。寧夏處于季節(jié)性凍土區(qū)，冬季冰雪覆蓋，路基土體中自由水凝結(jié)成冰，使含水量下降，土體開始出現(xiàn)形變;春季冰雪融化，含水量增加，路基強度隨之下降，易產(chǎn)生凍脹和翻漿等凍害現(xiàn)象［1-4］。破壞路基承載力，嚴(yán)重?fù)p害了道路的使用質(zhì)量。通過以往纖維土在道路工程上的研究和應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)纖維土作為一種新的路用材料，通常具有良好的抗拉性能?；趯幭你y川地區(qū)粉砂土路基的現(xiàn)狀，結(jié)合實際情況，在粉砂土中摻入一定量的聚丙烯纖維，以研究其摻入量對粉砂土路基耐久性的影響規(guī)律。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗材料

加筋用的纖維為聚丙烯纖維絲，水泥為硅酸鹽水泥。

1.2 擊實試驗

由擊實試驗得出粉砂土的最佳含水量為12.9%，最大干密度為1.936 g/cm3。3%水泥粉砂土的最佳含水量為13.8%，最大干密度為1.943 g/cm3。

1.3 三軸試驗

根據(jù)文獻［5］的試驗分析，本次試驗主要分析干濕循環(huán)和凍融循環(huán)對粉砂土和纖維粉砂土力學(xué)性能的影響。試驗分組:粉砂土(1#)和纖維摻量分別為0.1%，0.2%，0.3%的粉砂土(2#～4#);水泥粉砂土(5#)和纖維摻量分別為 0.1%，0.2%，0.3%的水泥粉砂土(6#～8#)。共分為兩大組(一組干濕循環(huán)試驗，一組凍融循環(huán)試驗)8小組試驗，每小組8個試塊，共64塊。在100%壓實度的條件下，在圍壓分別為100 kPa，200 kPa，300 kPa 和 400 kPa 時，進行不固結(jié)不排水試驗。干濕循環(huán)模擬試驗參照文獻［6］中的試驗方法進行了15次干濕循環(huán);凍融試驗根據(jù)規(guī)范進行了15次循環(huán)試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 干濕循環(huán)和凍融循環(huán)對試塊變形的影響

經(jīng)過三軸試驗的水泥纖維粉砂土無凍融和凍融試塊破壞后的照片見圖1，無凍融水泥纖維粉砂土破壞后無明顯的鼓起，而凍融后的水泥纖維粉砂土破壞后中下部有較明顯的鼓起，說明凍融后水泥纖維粉砂土的抗變形能力有所下降，所以纖維土作為季凍區(qū)道路路基或者其它構(gòu)造物基礎(chǔ)必須考慮其抗凍性。

圖1 水泥纖維粉砂土試塊破壞后的照片

2.2 干濕和凍融循環(huán)對土體極限應(yīng)變和應(yīng)力的影響

2.2.1 干濕和凍融循環(huán)對土體極限應(yīng)變的影響

根據(jù)三軸試驗確定的試塊破壞點得出各組試塊的極限應(yīng)變見表1。

表1 試塊的極限應(yīng)變%

由表1可知:

1)同圍壓下，試塊經(jīng)過干濕循環(huán)后，極限應(yīng)變降低了16.7%～60.0%，但隨著纖維摻量的增加其極限應(yīng)變的降幅有明顯的減小，說明纖維的摻入可以提高土體的水穩(wěn)定性。

2)同圍壓下，試塊經(jīng)過凍融循環(huán)后，極限應(yīng)變最大降低了24%，但隨著纖維摻量的增加其極限應(yīng)變的降幅顯著降低，說明纖維的摻入可以提高土體的抗凍融能力。比較干濕循環(huán)和凍融循環(huán)發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)對土體極限應(yīng)變影響更為顯著。

3)經(jīng)過干濕循環(huán)和凍融循環(huán)后，土體的極限應(yīng)變均有所降低，但摻入纖維和水泥的粉砂土比素粉砂土的極限應(yīng)變顯著增強。這說明土體摻入水泥和纖維可改善其水穩(wěn)性和抗凍性，但不能忽視干濕循環(huán)和凍融循環(huán)對土體極限應(yīng)變的影響。

2.2.2 干濕和凍融循環(huán)對土體極限應(yīng)力的影響

根據(jù)破壞點的主應(yīng)力差計算出試塊破壞時的最大主應(yīng)力，在剪力與應(yīng)力平面圖上繪制莫爾破損應(yīng)力圓。根據(jù)每組莫爾破損應(yīng)力圓包線得出試塊的黏聚力和內(nèi)摩擦角，見表2。

表2 各組試塊的黏聚力和內(nèi)摩擦角

由表2可知，干濕和凍融循環(huán)使土體的極限應(yīng)力均有較大的降低。對于纖維土在干濕循環(huán)后其黏聚力降低了55% ～77%，在凍融循環(huán)后其黏聚力降低了43%～58%，其中干濕和凍融循環(huán)對素土黏聚力的影響更為明顯。對水泥纖維土而言，干濕循環(huán)后其黏聚力降低了28% ～39%，凍融循環(huán)后其黏聚力降低了22%～38%。素土的摩擦角有大幅降低，而纖維土體內(nèi)摩擦角有小幅降低，進一步說明了纖維的摻入可以改善粉砂土的耐久性。

2.3 干濕和凍融循環(huán)對土體抗剪強度的影響規(guī)律

干濕和凍融循環(huán)對土體抗剪強度指標(biāo)黏聚力 c和內(nèi)摩擦角 φ的影響見表2。土體在干濕和凍融循環(huán)條件下，其c值變化顯著，φ值也有變化。

2.3.1 干濕和凍融循環(huán)纖維摻量對土體內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律

干濕和凍融循環(huán)后，纖維土的內(nèi)摩擦角可表示為

式中，φ為干濕和凍融循環(huán)后纖維土的內(nèi)摩擦角;φ0為干濕和凍融循環(huán)前粉砂土或水泥粉砂土的內(nèi)摩擦角;Δφ為內(nèi)摩擦角增減量。

1)干濕循環(huán)后纖維摻量與粉砂土內(nèi)摩擦角增減量的關(guān)系可表示為

式中，x(0.1～0.3)為纖維摻量(%);Δφ為內(nèi)摩擦角增減量(°)。

2)干濕循環(huán)后纖維摻量與3%水泥粉砂土內(nèi)摩擦角增減量的關(guān)系可表示為

式中，x(0.1～0.3)為纖維摻量(%);Δφ為內(nèi)摩擦角增減量(°)。

3)凍融循環(huán)后纖維摻量與粉砂土內(nèi)摩擦角增減量的關(guān)系可表示為

式中，x(0.1～0.3)為纖維摻量(%);Δφ為內(nèi)摩擦角增減量(°)。

4)凍融循環(huán)后纖維摻量與3%水泥粉砂土內(nèi)摩擦角增減量的關(guān)系可表示為

式中，x(0.1～0.3)為纖維摻量(%);Δφ為內(nèi)摩擦角增減量(°)。

2.3.2 干濕和凍融循環(huán)纖維摻量對土體黏聚力的影響規(guī)律

干濕和凍融循環(huán)后纖維土的黏聚力可表示為［7］

式中，c為干濕和凍融循環(huán)后纖維土的黏聚力;c0為干濕和凍融循環(huán)前粉砂土或水泥粉砂土的黏聚力;Δc為黏聚力增減量。

1)干濕循環(huán)后纖維摻量與粉砂土黏聚力增減量的關(guān)系可表示為

式中，x(0.1～0.3)為纖維摻量(%);Δc為黏聚力增減量(kPa)。

2)干濕循環(huán)后纖維摻量與3%水泥粉砂土黏聚力增減量的關(guān)系可表示為

式中，x(0.1～0.3)為纖維摻量(%);Δc為黏聚力增減量(kPa)。

3)凍融循環(huán)后纖維摻量與粉砂土黏聚力增減量的關(guān)系可表示為

式中，x(0.1～0.3)為纖維摻量(%);Δc為黏聚力增減量(kPa)。

4)凍融循環(huán)后纖維摻量與3%水泥粉砂土黏聚力增減量的關(guān)系可表示為

式中，x(0.1～0.3)為纖維摻量(%);Δc為黏聚力增減量(kPa)。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)模擬試驗，對粉砂土、纖維粉砂土和纖維水泥粉砂土的耐久性進行了初步的研究。得出結(jié)論如下:

1)對于粉砂土和水泥粉砂土，干濕和凍融循環(huán)均使粉砂土和水泥粉砂土強度顯著衰減，但纖維的摻入可以降低其強度衰減幅度。

2)干濕和凍融循環(huán)后，粉砂土和水泥粉砂土強度降低明顯，相對而言，水泥纖維粉砂土強度降低的幅度較小，故水泥纖維粉砂土的耐久性優(yōu)于纖維粉砂土，建議工程中采用水泥纖維粉砂土。

3)通過數(shù)據(jù)擬合，給出了干濕和凍融循環(huán)后纖維土內(nèi)摩擦角和黏聚力增減量的計算公式。

綜上所述，將聚丙烯纖維摻入粉砂土和水泥粉砂土中可以有效地改善土體的耐久性，使之滿足路基或排水工程構(gòu)造物基礎(chǔ)工程建設(shè)的要求。

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