聚丙烯纖維紅黏土滲透性與剪切特性試驗(yàn)研究

張 金 利， 蔣 正 國(guó)， 閆 春 程， 楊 慶， 楊 鋼， 張 林 林

（1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部 土木工程學(xué)院 巖土工程研究所，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；

3.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，北京 100085）

0 引 言

在土體加固改良的實(shí)際工程中，廣泛采用土工合成材料.常用的土工隔柵、土工布等通過筋材與土體接觸的界面特性達(dá)到對(duì)土體的加固，而土的工程特性未得到改善.近年來，纖維土的力學(xué)特性研究受到廣泛關(guān)注，因纖維可承受一定的拉力，由此可彌補(bǔ)土不能承受拉力的缺陷.近年來，纖維砂土的力學(xué)特性研究成果較多，主要涉及砂土的顆粒級(jí)配、顆粒形狀、纖維添加量、長(zhǎng)徑比、拉伸模量、纖維與剪切面的方向、試驗(yàn)條件等因素對(duì)強(qiáng)度的影響.研究表明，纖維土與土的變形特性顯著不同[1－7].Consoli等[8－10]采用環(huán)剪試驗(yàn)，探討了 加纖維的砂與膨潤(rùn)土在大變形下的力學(xué)性質(zhì)，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)砂中添加纖維后，即使在較大剪切位移下，峰值強(qiáng)度降低也不大，而纖維膨潤(rùn)土在較大剪切位移下的強(qiáng)度并未得到改善.

由于工程需要，近期逐漸開展了細(xì)粒土加纖維的力學(xué)特性研究.李廣信等[11，12]試驗(yàn)研究了纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度與土坡穩(wěn)定性等問題.研究表明，黏土中加入竹、劍麻、椰子殼等纖維，其強(qiáng)度與剛度可顯著提高[12－16].在黏土的塑性范圍內(nèi)，加入聚丙烯纖維后，可增加黏土的拉伸強(qiáng)度，破壞模式為柔性破壞[17].對(duì)于高塑性黏土，當(dāng)添加適量纖維后，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可提高70%～115%[18].Miller等[19]探討了黏土加纖維在填埋場(chǎng)防滲層中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維含量在0.4%～0.5%時(shí)，其滲透系數(shù)滿足填埋場(chǎng)防滲要求.纖維黏土與黏土的收縮試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維黏土干裂縫較黏土可降低50%.為探討纖維黏土在差異沉降下的拉裂縫開裂特性，Viswanadham等[20]通過離心模型試驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維長(zhǎng)徑比與含量可有效控制裂縫形成.

垃圾填埋場(chǎng)常采用壓實(shí)黏土作為底部與封頂防滲層.黏土抗剪強(qiáng)度低，在較大工程荷載下，可能發(fā)生剪切破壞，因此，改良其工程性質(zhì)具有一定的理論與工程意義.

為改良黏土的工程性質(zhì)，本文將聚丙烯纖維與紅黏土混合，通過三軸試驗(yàn)與滲透試驗(yàn)研究纖維含量與長(zhǎng)度等對(duì)纖維紅黏土的滲透特性與力學(xué)性質(zhì)的影響.

1 材料及試驗(yàn)方法

1.1 材 料

土樣為大連地區(qū)典型紅黏土，室外風(fēng)干中經(jīng)多次破碎大的土塊并過0.5mm篩，取篩下土備用.由室內(nèi)土工試驗(yàn)，確定紅黏土的工程性質(zhì)指標(biāo)見表1.

聚丙烯纖維為圓形截面的束狀單絲，如圖1所示（鹽城市恒固纖維有限公司，HG－0X2砂漿纖維）.其物理和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2.試驗(yàn)所采用的長(zhǎng)度分別為7、13、19mm.

1.2 纖維土試樣制備

紅黏土黏性大不利于與纖維混合.確保纖維與土均勻混合，得到一致性良好的試樣是本項(xiàng)研究工作的關(guān)鍵.經(jīng)過大量試驗(yàn)與反復(fù)摸索，在黏土含水量接近液限時(shí)，多次少量加纖維并不斷攪拌，所得到的土樣纖維分布較均勻，但達(dá)不到試樣制備要求.為此采用了如圖2所示的制樣裝置.試驗(yàn)中，加入適量水，使紅黏土處于流動(dòng)狀態(tài)，再加入一定比例纖維，在攪拌過程中反復(fù)檢查混合情況，待纖維均勻混合后，將土樣裝入制樣箱，表層用塑料布密封，負(fù)壓排水，直到滿足制樣要求為止.

表1 試驗(yàn)采用紅黏土工程特性Tab.1 Engineering properties of red clay used in the study

圖1 試驗(yàn)用HG－0X2纖維Fig.1 The HG－0X2fibers used for experiment

表2 聚丙烯纖維的物理和力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Tab.2 Physical and mechanical properties of polypropylene fibers

圖2 試樣制樣裝置示意圖Fig.2 The equipment for preparing clay samples

纖維含量按質(zhì)量比計(jì)算：

式中：r為纖維含量，%；mf為纖維的質(zhì)量，kg；ms為干土的質(zhì)量，kg.纖維含量主要依據(jù)文獻(xiàn)資料，并考慮工程實(shí)際，分別取為0.15%、0.25%、0.35%、0.50%、0.80%等5個(gè)含量.

1.3 試驗(yàn)方法及儀器

采用變水頭滲透試驗(yàn)確定纖維紅黏土的滲透系數(shù).試驗(yàn)中，分別對(duì)3種纖維長(zhǎng)度（7、13、19mm）與 5 種 纖 維 含 量 （0.15%、0.25%、0.35%、0.50%、0.80%），以及紅黏土等進(jìn)行滲透試驗(yàn)，并配合一定數(shù)量的平行試驗(yàn)，共進(jìn)行56組試驗(yàn)，確定其滲透系數(shù).

為研究纖維黏土的力學(xué)特性，分別對(duì)紅黏土與纖維紅黏土進(jìn)行固結(jié)不排水試驗(yàn).三軸試樣為圓柱體，高為8cm，直徑為3.91cm，采用應(yīng)變控制式三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)變速率0.08mm/min.試驗(yàn)中以偏差主應(yīng)力出現(xiàn)峰值點(diǎn)作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)無峰值時(shí)，軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)作為破壞標(biāo)準(zhǔn).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 纖維紅黏土的擊實(shí)特性分析

針對(duì)3種纖維長(zhǎng)度與5種含量的不同組合，共進(jìn)行16組擊實(shí)試驗(yàn)，進(jìn)而確定纖維紅黏土的最優(yōu)含水率與最大干密度，受篇幅限制，這里僅給出纖維長(zhǎng)度為7mm下的試驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示.

圖3 纖維含量對(duì)擊實(shí)曲線的影響Fig.3 Effects of fibers content on the compactioncharacteristics

由圖可見，由于纖維所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，對(duì)纖維紅黏土的最大干密度影響不大.最優(yōu)含水率受纖維影響較大，相差近1%.由此可見，紅黏土加纖維后，其加工特性發(fā)生了一定變化.

2.2 纖維紅黏土滲透特性分析

為確定纖維紅黏土的滲透系數(shù)，共進(jìn)行56組試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示.由圖可見，紅黏土加纖維后，滲透系數(shù)隨纖維含量增加而增大，長(zhǎng)度19 mm纖維所受影響較13mm與7mm的更為顯著，盡管纖維紅黏土的滲透系數(shù)略有變化，但與紅黏土滲透系數(shù)處相同量級(jí)，表明在試驗(yàn)中確定的纖維含量下，纖維紅黏土滲透系數(shù)可滿足工程防滲要求（如垃圾填埋場(chǎng)防滲要求滲透系數(shù)小于10－7cm/s）.因此，對(duì)于特殊防滲工程意義重大.

圖4 纖維長(zhǎng)度與含量對(duì)滲透系數(shù)的影響Fig.4 Effects of fibers length and fibers content on the permeability coefficient

2.3 纖維含量對(duì)強(qiáng)度的影響分析

針對(duì)5種纖維含量與3種纖維長(zhǎng)度，在不同圍壓下，通過固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)研究纖維紅黏土的抗剪特性.圖5給出了圍壓為200kPa下的試驗(yàn)結(jié)果，其他圍壓下的試驗(yàn)結(jié)果與其相近，這里未列出.由圖可見，纖維紅黏土與紅黏土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線形狀完全不同，前者隨偏差應(yīng)力增加，軸向應(yīng)變亦增加，無峰值點(diǎn)；而后者，其曲線先增加達(dá)到峰值，后逐漸下降.表明纖維紅黏土具有加工硬化特征，且隨纖維含量增加，硬化現(xiàn)象愈趨明顯.與紅黏土相比，若取極限應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，紅黏土的峰值強(qiáng)度為400kPa，對(duì)于纖維含量分別為0.15%與0.80%的纖維紅黏土，其強(qiáng)度分別為536、865kPa，分別提高34%與116%.若取極限軸向應(yīng)變?yōu)?5%，對(duì)于5種纖維含量下的纖維紅黏土，其強(qiáng)度分別為616、678、742、835、1 019 kPa，為紅黏土強(qiáng)度的1.53～2.53倍，紅黏土加纖維后，強(qiáng)度得到顯著提高.

圖5 纖維含量對(duì)應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線影響（σ3＝200kPa）Fig.5 Effects of fibers content on stress－strain curves（σ3 ＝200kPa）

2.4 纖維長(zhǎng)度對(duì)強(qiáng)度的影響分析

對(duì)于紅黏土，添加不同含量的纖維后其抗剪強(qiáng)度提高幅度較大，纖維長(zhǎng)度如何影響紅黏土的強(qiáng)度特性，需要進(jìn)一步研究.為此開展了不同纖維長(zhǎng)度下的三軸固結(jié)不排水試驗(yàn).試驗(yàn)中采用的纖維長(zhǎng)度分別為7、13、19mm，圍壓分別為100、200、300kPa.圖6給出纖維含量0.5%，圍壓為100kPa下的試驗(yàn)結(jié)果.由圖可見，在相同纖維含量下，隨著纖維長(zhǎng)度的逐漸增加，曲線切線模量在增加，表明材料的剛度逐漸增大，加工硬化特征愈趨明顯，進(jìn)而說明纖維越長(zhǎng)，纖維紅黏土的抗剪能力越強(qiáng).從圖上可看出，纖維紅黏土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線以軸向應(yīng)變約3%為分界點(diǎn)，小于3%部分具有雙曲線特征，大于3%部分具有線性特征.因此，不可以采用常規(guī)的雙曲線表征纖維紅黏土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，而應(yīng)采用可表征纖維含量與長(zhǎng)度影響的分段模型.紅黏土隨機(jī)均勻添加纖維后，其抗剪強(qiáng)度顯著提高，其機(jī)制為由于在剪切破裂面上存在一定數(shù)量纖維，處于破裂面上的纖維兩端固定在破裂面兩側(cè)，當(dāng)破裂面兩側(cè)發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，纖維處于受拉狀態(tài)，由表2可知，纖維初始彈性模量極高且抗拉強(qiáng)度較大（592MPa），因此，在纖維較小拉伸變形下，其可提供較大拉力，限制了破裂面的擴(kuò)展，從而提高了纖維紅黏土的抗剪強(qiáng)度.由于纖維所能提供的拉力大小與纖維在剪破面兩側(cè)錨固長(zhǎng)度有關(guān)，當(dāng)纖維未達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，拉力越大，抗剪強(qiáng)度越大，這一結(jié)論與試驗(yàn)結(jié)果吻合.

圖6 纖維長(zhǎng)度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響（σ3＝100kPa）Fig.6 Effects of fibers length on the shear strength（σ3 ＝100kPa）

表3給出不同試樣的固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo).由此可見，紅黏土加纖維后，內(nèi)摩擦角φ提高幅度較小，但黏聚力c顯著提高.

表3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Tab.3 Parameters of shear strength

2.5 圍壓對(duì)強(qiáng)度影響分析

為探討圍壓對(duì)纖維紅黏土的抗剪強(qiáng)度影響，于100、200、300kPa下，在考慮纖維含量、長(zhǎng)度的多種組合下，開展了大量試驗(yàn)，圖7給出了纖維含量為0.5%的結(jié)果，其他含量下結(jié)果相似，這里未列出.隨圍壓增加，纖維紅黏土強(qiáng)度相應(yīng)增加，亦符合普遍規(guī)律.相同圍壓下，隨著纖維長(zhǎng)度的增大，抗剪強(qiáng)度相應(yīng)增加，特別是在較大軸向應(yīng)變時(shí)更為明顯.

圖7 圍壓對(duì)應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線影響（r＝0.5%）Fig.7 Effects of confined pressure on stressstrain curves（r＝0.5%）

2.6 破壞模式

圖8給出3種試樣破壞后的照片.由圖可見，紅黏土破壞時(shí)具有典型的剪破面，應(yīng)力－應(yīng)變曲線具有峰值，屬典型的剪切破壞模式.對(duì)于纖維紅黏土，當(dāng)纖維含量較少（0.25%），破壞時(shí)無明顯剪破面，試樣中部外凸，屬鼓脹型破壞模式.當(dāng)纖維含量較大（0.80%）時(shí)，即使在較大軸向應(yīng)變下（15%），亦未出現(xiàn)破壞.由此可見，紅黏土加纖維后，其破壞模式受纖維含量、纖維長(zhǎng)度、試驗(yàn)條件等多種因素控制，可能存在多種破壞模式.

圖8 破壞試樣Fig.8 The failure shape of samples

3 結(jié) 論

（1）在攪拌機(jī)中加入干土，加水?dāng)嚢瑁雇翗映柿魉軤顟B(tài)，在攪拌過程中，逐漸少量地加入纖維，直到達(dá)到要求的添加量，經(jīng)反復(fù)攪拌，纖維即可均勻混合；然后將制備好的泥漿樣裝入本文所采用的真空固結(jié)排水裝置，進(jìn)行排水.由此所制備的試樣具有較好的一致性.

（2）紅黏土加入纖維對(duì)最大干密度影響較小，對(duì)最優(yōu)含水率影響較大.

（3）在0.25%～0.80%纖維含量下，纖維紅黏土的滲透系數(shù)略有增加，但仍保持較低滲透性.

（4）纖維紅黏土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線具有典型的應(yīng)變硬化特征.同時(shí)，在某一軸向應(yīng)變下，可分為兩段，且隨纖維含量增加，切線模量增大.纖維含量與長(zhǎng)度顯著地影響纖維紅黏土的力學(xué)特性.隨圍壓增加，纖維紅黏土的抗剪強(qiáng)度亦增加.

（5）纖維含量較低時(shí)，纖維紅黏土具有鼓脹型破壞模式；纖維含量較高時(shí)，纖維紅黏土在較高軸向應(yīng)變下，亦未發(fā)生破壞.

[1] Maher M H，Gray D H.Static response of sands reinforced with randomly distributed fibers [J].Journal of Geotechnical Engineering，1990，116（11）：1661－1677.

[2] Al－Refeai T O.Behavior of granular soils reinforced with discrete randomly oriented inclusions [J].Geotextiles and Geomembrane，1991，10（4）：319－333.

[3] Michalowski R L，ZHAO A.Failure of fiberreinforced granular soils[J].Journal of Geotechnical Engineering，1996，122（3）：226－234.

[4] Kumar R，Kanaujia V K，Chandra D.Engineering behavior of fiber－reinforced pond ash and silty sand[J].Geosynthetics International，1996，6：509－518.

[5] Santoni R L，Tingle J S，Webster S L.Engineering properties of sand－fiber mixtures for road construction [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2001，127（3）：258－268.

[6] Michalowski R L，Cermak J.Triaxial compression of sand reinforced with fibers [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2003，129（2）：125－136.

[7] Yetimoglu T，Salbas O.A study on shear strength of sands reinforced with randomly distributed discrete fibers [J].Geotextiles and Geomembranes，2003，21（2）：103－110.

[8] Consoli N C，Casagrande M D T，Coop M R.Performance of a fibre－reinforced sand at large shear strains[J].Geotechnique，2007，57（9）：751－756.

[9] Casagrande M D T，Coop M R，Consoli N C.Behavior of a fibre－reinforced bentonite at large shear displacements [J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2006，132（11）：1505－1508.

[10] Heineck K S，Coop M R，Consoli N C.Effect of microreinforcement of soils from very small to large shear strains [J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2005，131（8）：1024－1033.

[11] 李廣信，陳 輪，鄭繼勤，等.纖維加筋黏性土的試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào)，1995，6：31－36.LI Guang－xin，CHEN Lun，ZHENG Ji－qin，etal.Experimental study on fiber－reinforced cohesive soil[J].Journal of Hydraulic Engineering，1995，6：31－36.（in Chinese）

[12] 介玉新，李廣信.纖維加筋邊坡的離心模型試驗(yàn)和計(jì)算分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999，39（11）：25－28.JIE Yu－xin，LI Guang－xin.Centrifuge model tests and numerical analysis on fibre－reinforced cohesive soil[J].Journal of Tsinghua University（Science ＆Technology），1999，39（11）：25－28.（in Chinese）

[13] Prabakar J，Sridhar R S.Effect of random inclusion of sisal fibre on strength behaviour of soil [J].Construction and Building Materials，2002，16：123－131.

[14] Vinod P，Bhaskar A，Leshhmi C S.Triaxial compression of clay reinforced with sand coir fiber core [J].Geotechnical Testing Journal，2007，30（4）：333－336.

[15] Ghavami K，F(xiàn)ilho R D T，Barbosa N P B.Behavior of composite soil reinforced with natural fibers[J].Cement and Concrete Composites，1999，21：39－48.

[16] Babu G L S，Vasudevan A K.Strength and stiffness of coir fiber－reinforced tropical soil[J].Journal of Material in Civil Engineering，2008，20（9）：571－577.

[17] Zeigler S，Leshchinsky H I L，Perry E D.Effect of short polymeric fibers on crack development in clays[J].Soils and Foundation，1998，38（1）：247－253.

[18] Kumar A， Walia B S， Mohan J.Compressive strength of fiber reinforced highly compressible clay[J].Construction and Building Materials，2006，20：1063－1068.

[19] Miller C J，Rifai S.Fiber reinforcement for waste containment soil liners [J]. Journal of Environmental Engineering，2004，130（8）：891－895.

[20] Viswanadham B V S，Jha B K，Sengupta S S.Centrifuge testing of fiber－reinforced soil liners for waste containment systems[J].Practice Periodical of Hazardous， Toxic， and Radioactive Waste Management，2009，13（1）：45－58.