聚丙烯纖維加筋灰土的三軸強度特性

施利國，張孟喜，曹 鵬

（上海大學 土木工程系，上海 200072）

1 引 言

石灰應用廣泛，灰土路基墊層、灰土地基的出現(xiàn)為石灰的運用提供了更大的使用空間，但對于灰土的理論研究較少，灰土的工程運用也是基于一般的工程經(jīng)驗，一定程度上說，灰土的理論研究的滯后制約了灰土工程應用與發(fā)展。

灰土的室內(nèi)試驗研究方法主要有擊實試驗、直剪試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗、動、靜三軸試驗。董玉文等[1]通過室內(nèi)試驗，分析了不同含灰量時灰土的擊實性和擊實灰土的抗剪性能，結(jié)果表明，含灰量對灰土的擊實性和抗剪性有明顯的影響。齡期對灰土強度的影響也是一個很重要的因素，董玉文和張伯平[2]通過三軸剪切試驗研究不同灰土比、不同齡期的灰土試樣強度，試驗結(jié)果表明，灰土的工程性能隨齡期的增長而改善,尤其在30 d內(nèi)改善較為顯著。韓曉雷等[3]對灰土試樣進行了無側(cè)限抗壓強度試驗，研究了灰土強度影響因素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，灰土的干密度對其強度有很大影響，灰土比為2：8，更接近于最佳灰土比。

聚丙烯纖維作為加筋材料在加筋領(lǐng)域應用相當廣泛，國內(nèi)外學者應用聚丙烯纖維作為加筋材料研究得比較深入。Temel和Omer[4]研究了離散纖維加筋砂土的剪切強度性質(zhì)；Rose等[5]，Park和Tan[6]分別將纖維應用于路基填料和擋土墻工程中，并對其工程性質(zhì)作了系統(tǒng)研究。國內(nèi)學者在纖維作為加筋材料研究也是成果累累，李廣信等[7]對纖維加筋黏性土進行了一系列的室內(nèi)試驗，證明了纖維加筋黏性土具有良好的抗剪強度、抗拉強度、極限拉應變、斷裂韌度等力學性能。張小江等[8]研究用聚丙烯纖維加筋黏性土抵抗靜、動荷載作用下土體發(fā)生張拉裂縫的功能，結(jié)果表明，纖維加筋黏性土是一種比較理想的土壩防滲抗震填料。介玉新和李廣信[9]深入探討了纖維加筋土的計算方法，提出了等效附加應力法，唐朝生[10]等通過拉拔試驗，分析了單根纖維與土接觸面之間的剪切強度和殘余剪切強度。蔡奕等[11]研究了團聚體大小對填筑土強度的影響，在受壓破壞時，素土表現(xiàn)為應變軟化的塑性破壞，纖維土表現(xiàn)為應變硬化的塑性破壞，石灰土則表現(xiàn)為完全的脆性破壞；素土、纖維土和石灰土的無側(cè)限抗壓強度隨團聚體粒徑的增大而降低。

在新型土工加筋技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，作者提出了聚丙烯纖維加筋灰土這一概念。本文選取聚丙烯纖維作為加筋材料，通過三軸試驗研究了不同灰土比、不同纖維含量、不同齡期、不同圍壓下的纖維灰土的強度，系統(tǒng)地研究了灰土比、纖維含量、齡期、圍壓對纖維灰土的影響，對纖維灰土的工程應用具有較大的參考價值。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

試驗土樣取自上海浦東某大廈施工工地，按《公路土工試驗規(guī)程》(JTJ051－1993)在工程現(xiàn)場采集土樣，測定其物理性質(zhì)指標見表1。

表1 黏性土的物理性質(zhì)指標Table 1 Physical indices of cohesive soil

石灰采用全勝建筑材料有限公司生產(chǎn)的石灰粉，石灰粉顆粒均勻，手感細膩，見表2。

表2 石灰的物理性質(zhì)指標Table 2 Physical indices of lime

聚丙烯纖維采用上海博寧工程纖維材料有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，如圖1所示，聚丙烯纖維力學性能見表3。

圖1 聚丙烯纖維Fig.1 Polypropylene fiber

表3 聚丙烯纖維的物理力學參數(shù)Table 3 Physico-mechanical parameters of polypropylene fiber

2.2 試件制備

試驗前烘干土樣，按灰土體積比 1：9、2：8和3：7配置灰土樣，分別測定其最優(yōu)含水率和最大干密度。測得最優(yōu)含水率、最大干密度分別為21.1%、1.96 g/cm3，21.9%、1.95 g/cm3，22.8%、1.92 g/cm3，如圖2所示。

為了保持試驗含水率均勻穩(wěn)定，配制的灰土樣調(diào)配至最優(yōu)含水率后用保鮮膜封閉放入養(yǎng)護缸中，養(yǎng)護24 h進行試驗。試樣制作前加入聚丙烯纖維，纖維含量分別是灰土重的0.05%、0.15%、0.25%，充分拌合均勻。

三軸試樣直徑為61.8 mm，高為125 mm。試樣制備采用統(tǒng)一的錘擊數(shù)和擊實功能控制土樣的密實度，在最優(yōu)含水率的條件下分 3層擊實，上下層適當刮毛，以增大上下層之間的摩擦咬合作用。試樣制備完以后用保險膜包裹，不同灰土比、不同纖維加筋率及不同制作時間的試樣分別貼上標簽。制備好的試樣根據(jù)不同齡期的需要進行養(yǎng)護如圖3所示。

圖2 灰土的擊實試驗曲線Fig.2 The compaction curves

圖3 試樣養(yǎng)護Fig.3 Conservation of specimens

2.3 試件工況

試驗采用南京電力自動化總廠生產(chǎn)的SJ-1A型應變控制式三軸儀，選用Φ61.8 mm的壓力室，試驗數(shù)據(jù)采用配套的TSW-3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗中σ3取 100、200、300和 400 kPa 4種圍壓。試驗以(σ1-σ3)的峰值點為破壞點，無峰點時，取15 %軸向應變時的主應力差確定破壞點。

根據(jù)不同纖維加筋率、不同灰土比、不同齡期，一共設(shè)計了48種試驗工況，具體工況見表2，每種工況分別試驗在圍壓100、200、300和400 kPa下的應力-應變曲線，為了降低試驗結(jié)果的離散性，對于相同圍壓同一種試樣做3組平行試驗，最后匯總整理共取有效數(shù)據(jù)192組，試驗工況見表4。

表4 試驗工況Table 4 Experimental cases

3 試驗成果及分析

3.1 應力-應變曲線

由于纖維加筋灰土的應力-應變曲線具有很多共性，本文選取部分典型性的曲線分析，如圖4(a)～(d)曲線為灰土比2：8，齡期為14 d的應力-應變曲線，圖 4(e)～(g)曲線為不同灰土比的的應力-應變曲線（纖維含量0.15%，齡期為14 d）。

由應力-應變曲線可知：

①聚丙烯纖維加筋灰土的應力-應變曲線形狀變化趨勢與純灰土相似，基本呈雙曲線。

②聚丙烯纖維加筋灰土隨著軸向應變的增大，強度逐漸增大，絕大部分沒有明顯的峰值，應力-應變特性表現(xiàn)為應變硬化型，極個別試樣有明顯的峰值，出現(xiàn)應變軟化，與試樣發(fā)生傾斜有關(guān)。

③加入聚丙烯纖維后，在同一圍壓下，隨著纖維含量的增加，其主應力差增大。

④分析應力-應變曲線，其軸向應變在6%～8%之間，應力就已接近極限值，而后應力-應變曲線處于水平狀態(tài)，應變增加，應力不增加，具有明顯的屈服階段。

⑤由不同圍壓下的應力-應變曲線比較可知，試樣的強度隨著圍壓的增大而增加，當軸向應變較小時，圍壓對強度的影響很小。這說明，在發(fā)生較小軸向應變下，圍壓的影響尚未發(fā)揮，也就是說，在較小軸向應變下，試樣中聚丙烯纖維還沒有伸展到它固結(jié)前的狀態(tài)，所以聚丙烯纖維還沒有發(fā)揮作用；隨著軸向應變的增大，纖維進一步伸展直至超過其初始狀態(tài)，從而發(fā)揮灰土與聚丙烯纖維間的摩擦作用，軸向變形越大，圍壓對其偏應力的影響越大。

3.2 極限偏應力

試樣的極限偏應力與試樣的灰土比、纖維摻量、齡期以及圍壓有關(guān)，圖5為不同試驗條件下試樣的極限偏應力。

由圖5可看出：

①齡期對試樣強度的影響很大，同一聚丙烯纖維含量，對比1、7 d試樣強度可知，兩者強度相差無幾，齡期7 d的試樣其強度稍有提高，但其提高幅度不大，齡期為14、28 d的試樣，其強度大幅度提高，尤其是齡期為28 d試樣，其強度差不多是齡期1 d的試樣強度的2倍，甚至更多。

②齡期1、7 d試樣，其極限偏應力值受圍壓影響較小，而齡期14、28 d試樣受圍壓影響較大。

③整個趨勢上講，不同齡期其試樣強度隨著聚丙烯纖維的含量呈增長態(tài)勢，稍有個別例外。

圖4 不同工況的應力-應變曲線Fig.4 Deviator stress-axial strain curves in different experimental cases

圖5 不同圍壓下試樣破壞時的主應力差Fig.5 Deviator stresses at failure in different confining pressures

3.3 強度指標

土的強度參數(shù)的計算方法有兩種，一種是取不同圍壓下摩爾圓的公切線，即強度包絡(luò)線來計算土的強度參數(shù)。另外就是用土的p-q圖來計算土的強度參數(shù)。本文通過繪制圖p-q（其中來確定聚丙烯纖維灰土的c,?值，比繪制強度包絡(luò)線方便、準確。將不同周圍壓力下各極限應力圓頂點的連線稱為Kf線。Kf線的傾角αf和截距a間的關(guān)系與圖6中強度包絡(luò)線的傾角?和截距c有關(guān)。

圖6 αf, a和? , c的關(guān)系Fig.6 The relationship between αf, a and ? , c

由圖6可知,

式中：系數(shù)Kf代表破壞時的主應力比：

典型纖維灰土（灰土比2：8）的p-q圖，如圖7所示，通過計算得到纖維灰土的c,?值，見表5，由此整理的典型抗剪強度線如圖8所示。

由表5、圖8可知：

①齡期1、7 d試樣，?值隨著聚丙烯纖維含量的增加而稍有增大，但其值不穩(wěn)定，與土顆粒和石灰還未相互充分作用有關(guān)，齡期14、28 d試樣，?值約是齡期1、7 d試樣?值的2倍，隨著聚丙烯纖維的增加其值略有增長，比較穩(wěn)定。

②由表5、圖8可知，齡期直接影響著試樣的c值，齡期14、28 d試樣的c值較齡期1、7 d的增長幅度較大，其主要原因是石灰中的活性成分（CaO，MgO，Ca(OH)2）與水和土中的碳酸鹽發(fā)生膠凝反應，并產(chǎn)生碳酸化作用使土的強度提高。

圖7 p-q圖Fig.7 p-q diagrams

表5 纖維灰土的c, ? 值Table 5 Strength parameters of specimens

圖8 不同齡期的抗剪強度線（2：8）Fig.8 Shear strengths in different curing ages

3.4 試樣的主要破壞型式

由于試樣灰土比的不同、纖維摻量不同、試樣的齡期不同，試樣的破壞主要表現(xiàn)為鼓狀（圖9(a)）以及有明顯破裂面的脆性破壞（圖9(b)）兩種形式。

圖9 試樣破壞形式Fig.9 Failure situations of specimens

試驗結(jié)果表明：

（1）齡期對試樣破壞型式影響較大，齡期較短時主要發(fā)生鼓狀形式破壞，沒有形成比較明顯的破裂面，試樣的薄弱處出現(xiàn)微裂紋，如圖 9(a)所示；齡期14、28 d的出現(xiàn)有明顯破裂面的脆性破壞，如圖9(b)所示，灰土比越大、無纖維或纖維摻量較小時出現(xiàn)脆性破壞的概率較大。

（2）聚丙烯纖維含量對破壞面的形狀影響較大，以齡期 28 d試樣為例，纖維含量較低時，為0.05%，出現(xiàn)的破壞面形狀如圖9(c)所示，破壞面比較光滑，纖維含量為 0.25%時，破壞面粗糙，如圖圖9(d)所示，出現(xiàn)此種情況主要與纖維含量有關(guān)，纖維含量越高，土顆粒間的摩擦力越大，限制了破壞面的生成，從而導致破壞面粗糙。

4 結(jié) 論

（1）試樣的最大干密度隨著石灰含量的增加而減小，灰土比為1：9的試樣其最大干密度最大，為1.96 g/cm3，灰土比2：8的次之，3：7的最小。

（2）聚丙烯纖維加筋灰土隨著軸向應變的增大，強度逐漸增大，絕大部分沒有明顯的峰值，應力-應變特性表現(xiàn)為應變硬化型，極個別試樣有明顯的峰值，出現(xiàn)應變軟化現(xiàn)象，此時試樣發(fā)生傾斜。

（3）加入聚丙烯纖維后，在同一圍壓下，隨著纖維含量的增加，其主應力差增大，絕大部分試樣軸向應變在6%～8%之間，其應力就已接近極限值，而后應力-應變曲線處于水平狀態(tài)，應變增加，應力不增加，有其明顯的屈服階段。

（4）不同灰土比的試樣強度，在其他條件相同的情況下灰土比為2：8的試樣強度最大，在工程使用方面可以考慮少用石灰，節(jié)約成本。

（5）齡期1、7 d試樣，?值隨著聚丙烯纖維含量的增加而稍有增大，但其值不穩(wěn)定，與土顆粒和石灰還未相互充分作用有關(guān)，齡期14、28 d試樣，?值約是齡期1、7 d試樣?值的2倍，隨著聚丙烯纖維的增加其值略有增長，比較穩(wěn)定。

[1]董玉文, 張伯平, 唐林. 黃土灰土的擊實性與抗剪性試驗研究[J]. 西北水資源與水工程, 2001, 12(1): 62－64.DONG Yu-wen, ZHANG Bo-ping, TANG Lin. Test about compaction and shearing properties of lime-loess[J].Northwest Water Resources & Water Engineering,2001, 12(1): 62－64.

[2]董玉文, 張伯平. 養(yǎng)護齡期對灰土工程性能的影響試驗研究[J]. 重慶建筑大學學報, 2002, 24(3): 38－42.DONG Yu-wen, ZHANG Bo-ping. Test about the influence of curing age on the engineering properties of lime-soil[J]. Journal of Chongqing Jianzhu University,2002, 24(3): 38－42.

[3]韓曉雷, 郅彬, 郭志勇. 灰土強度影響因素研究[J]. 巖土工程學報, 2002, 24(5): 667－669.HAN Xiao-lei, ZHI Bin, GUO Zhi-yong. Research on the principal factors in strength of the lime-loess[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2002, 24(5): 667－669.

[4]TEMEL Y, OMER S. A study on shear strength of sands reinforced with randomly distributed discrete fibers[J].Geotextiles and Geomembranes, 2003, 21(2): 103－110.

[5]ROSE L S, JEB S T, STEVE L W. Engineering properties of sand-fiber mixtures for road construction[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2001, 127(3): 258－268.

[6]PARK T, TAN S A. Enhanced performance of reinforced soil walls by the inclusion of short fiber[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2005, 23(4): 348－361.

[7]李廣信, 陳輪, 鄭繼勤, 等. 纖維加筋黏性土的試驗研究[J]. 水利學報, 1995, (6): 31－36.LI Guang-xin, CHEN Lun, ZHENG Ji-qin, et al.Experimental study on fiber-reinforced cohesive soil[J].Journal of Hydraulic Engineering, 1995, (6): 31－36.

[8]張小江, 周克驥, 周景星. 纖維加筋土的動力特性試驗研究[J]. 巖土工程學報, 1998, 20(3): 45－49.ZHANG Xiao-jiang, ZHOU Ke-ji, ZHOU Jing-xing.Experimental study on dynamic properties of cohesive soil reinforced with fibres[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1998, 20(3): 45－49.

[9]介玉新, 李廣信. 纖維加筋土計算方法的研究[J]. 土木工程學報, 1999, 32(5): 51－55.JIE Yu-xin, LI Guang-xin. A study on calculation method of texsoil[J]. China Civil Engineering Journal, 1999,32(5): 51－55.

[10]唐朝生, 施斌, 高瑋, 等. 纖維加筋土中單根纖維的拉拔試驗及臨界加筋長度的確定[J]. 巖土力學, 2009,30(8): 2225－2230.TANG Chao-sheng, SHI Bin, GAO Wei, et al. Single fiber pull-out test and the determination of critical fiber reinforcement length for fiber reinforced soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(8): 2225－2230.

[11]蔡奕, 施斌, 劉志彬, 等. 團聚體大小對填筑土強度影響的試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2005, 27(12): 1482－1486.CAI Yi, SHI Din, LIU Zhi-bin, et al. Experimental study on effect of aggregate size on strength of fill soils[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005,27(12): 1482－1486.