玄武巖纖維加筋膨脹土的強(qiáng)度與干縮變形特性試驗

張 丹 許 強(qiáng) 郭 瑩

(1南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京210093)

(2成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，成都610059)

(3中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，成都610000)

膨脹土是一種具有強(qiáng)脹縮性、多裂隙性和強(qiáng)度衰減性的高塑性黏性土，其性質(zhì)極其復(fù)雜，由膨脹土引發(fā)的工程問題也一直是當(dāng)今地質(zhì)及巖土工程領(lǐng)域研究的重大問題之一.國內(nèi)外提出了眾多的改良膨脹土的方法，主要可以分為物理改良和化學(xué)改良兩大類［1］.物理改良法是在膨脹土中添加其他非膨脹性固體材料，通過改變粒徑級配以及加筋等方式加固土體，常見的摻合料有砂礫石、礦渣、膠粉等［2］，加筋材料包括土工織物和各類纖維等，如玻璃纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、麻絲等［3-7］.化學(xué)改良法是國內(nèi)外普遍采用的膨脹土路基處治方法，改良效果較好，如采用石灰對膨脹土進(jìn)行改性［8］.但化學(xué)改良法對施工機(jī)械及施工工藝的要求較高，造成工程造價的大幅增加［9］.相比較而言，物理改良方法的優(yōu)勢是綠色環(huán)保，對環(huán)境影響較小，具有良好的發(fā)展前景.但從室內(nèi)試驗和實際應(yīng)用的情況看，物理改良法的效果與化學(xué)改良法相比還存在一定的差距.此外，對于常用的聚丙烯纖維、麻絲等材料，由于其密度比土粒密度小很多，摻入過程中容易出現(xiàn)纖維團(tuán)聚現(xiàn)象，造成加筋不均勻，給實際工程應(yīng)用帶來一定的難度.因此，對于物理改良法，還需要從改良機(jī)理、材料、方法以及技術(shù)工藝等方面進(jìn)行更深入的研究.

本文采用玄武巖纖維對膨脹土進(jìn)行改良處理，對玄武巖纖維加筋土的變形及強(qiáng)度特征進(jìn)行了初步的試驗研究.同時，采用高空間分辨率的光纖布拉格光柵傳感技術(shù)(FBG)，對膨脹土失水干縮過程中土體的應(yīng)變進(jìn)行了分布式、連續(xù)監(jiān)測，通過光柵應(yīng)變反映加筋土體和非加筋土體在干縮過程中土體應(yīng)變的空間分布特征及變化規(guī)律，為認(rèn)識纖維加筋土的工程特征、加筋機(jī)理以及干縮裂隙的形成過程提供參考.

1 試驗材料

1.1 玄武巖纖維的基本性質(zhì)

玄武巖纖維是以純天然玄武巖礦石為原料，將其破碎后加入熔窯中，在1 450～1 500℃熔融后，經(jīng)成型工藝和退解工藝后制成的一種無機(jī)纖維.本次研究采用的是由多股平行的玄武巖原絲拼合而成的短切無捻粗紗，呈薄片狀，長6 mm，如圖1所示.

圖1 玄武巖短切無捻粗紗

表1給出了玄武巖纖維及目前常用纖維的主要力學(xué)指標(biāo).玄武巖纖維的彈性模量是無堿玻纖的1.5倍，是高強(qiáng)S玻纖的1.9倍，僅低于碳纖維.從力學(xué)性能看，玄武巖纖維是介于碳纖維與玻璃纖維之間的一種纖維，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于聚丙烯等化纖及木纖［10］.玄武巖纖維密度為 2.6 ～2.8 g/cm3，與土粒密度較為接近，相對于質(zhì)量較輕、彈性模量較低的纖維，可以有效地避免纖維與土在拌合過程中集聚成團(tuán)，大大提高了纖維加筋土的均勻性.

表1 各種纖維的力學(xué)指標(biāo)對比

1.2 膨脹土的基本性質(zhì)

本次試驗用的膨脹土取自南京市浦口區(qū)，灰白色，有滑感，黏土礦物以伊-蒙混層礦物為主，其次是伊利石和綠泥石，另外含極少量的高嶺石礦物.膨脹土的部分物理性質(zhì)指標(biāo)如表2所示.

表2 膨脹土的基本物理性質(zhì) %

2 試驗方法及試樣制備

2.1 試驗方法

為研究玄武巖纖維對膨脹土強(qiáng)度與變形特征的改良效果，制作了不同加筋率的重塑膨脹土試樣.試樣含水率按最優(yōu)含水率18%配制，纖維加筋率即纖維質(zhì)量與烘干土樣的質(zhì)量比，分別為0%，0.2%，0.4%和0.6%.對纖維土進(jìn)行基本力學(xué)性質(zhì)試驗，包括快剪試驗和收縮試驗，得到纖維土的強(qiáng)度和收縮變形特征.試驗依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)［11］進(jìn)行.同時，采用高空間分辨率FBG光纖傳感技術(shù)對土體失水干縮中，土體應(yīng)變的空間分布特征及變化規(guī)律進(jìn)行測試和分析.失水干縮試驗在室溫條件下進(jìn)行，環(huán)境溫度約20℃，相對濕度(55±5)%.

2.2 試樣制備

將配置好的試樣裝入塑料密封袋中，靜置24 h后，采用油壓推土器制作環(huán)刀樣，試樣干密度分別為1.4 和 1.6 g/cm3，直徑61.8 mm，高度 20 mm.

為了反映土體失水干縮過程中土體的應(yīng)變分布及變化規(guī)律，自制了矩形制樣器，長寬深分別為250，50和30 mm.試樣采用油壓推土器分2層壓實，第1層土壓實后，在土體表面沿制樣器長度方向平行埋入2根傳感光纖，然后倒入土料，再次壓實.每根傳感光纖由4個不同中心波長的光柵相互串接而成，光柵柵區(qū)長1 cm，柵邊距為1 cm.埋入時2根傳感光纖的柵區(qū)相錯，實現(xiàn)對長度為8 cm的區(qū)域進(jìn)行分布式監(jiān)測，如圖2所示.

圖2 纖維加筋土收縮變形試驗布置圖

試樣在干縮過程中形成的裂縫具有隨機(jī)性，為使裂縫出現(xiàn)在預(yù)先埋置光柵的區(qū)域，采用將制樣器兩端各8.5 cm的區(qū)域(即無光柵的區(qū)域)密封的方法，在試樣的中部形成一個長度為8 cm的工作窗口.由于窗口內(nèi)的土體含水率變化較大，土體的干縮變形最為顯著，可以保證干縮裂縫將首先出現(xiàn)在該窗口內(nèi)，進(jìn)而采用FBG技術(shù)對由于土體干縮變形引起的光柵應(yīng)變進(jìn)行測量，從而反映裂縫及其附近土體的應(yīng)變分布及變化特征.為便于數(shù)據(jù)分析，規(guī)定沿光纖布設(shè)方向為x坐標(biāo)方向，如圖2所示，工作窗口內(nèi)最左側(cè)F1光柵的x坐標(biāo)為1 cm，F(xiàn)2光柵的x坐標(biāo)為2 cm，以此類推，最右側(cè)的F8光柵的x坐標(biāo)為8 cm.同時，在試驗過程中對試樣進(jìn)行定時拍照，通過圖像識別確定裂縫產(chǎn)生的時間、位置以及寬度.

3 纖維加筋土的強(qiáng)度特征

對干密度分別為1.4和1.6 g/cm3，加筋率分別為0%，0.2%，0.4%，0.6% 的試樣進(jìn)行了直剪快剪試驗.圖3為200 kPa豎向壓力下土體直剪強(qiáng)度與纖維加筋率的相關(guān)關(guān)系，可見，當(dāng)干密度為1.4 g/cm3時，隨著纖維加筋率的增加，土體的直剪強(qiáng)度呈波狀起伏，并略有上升;當(dāng)干密度為1.6 g/cm3時，土體抗剪強(qiáng)度隨加筋率的增加而增加，但當(dāng)加筋率大于0.2%時，強(qiáng)度增加不顯著.另外，由圖4可知，當(dāng)干密度為1.4 g/cm3時，土體內(nèi)聚力隨加筋率的增加變化不大，也呈波狀起伏;內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)纖維加筋率達(dá)到0.4%左右時，內(nèi)摩擦角達(dá)到極大值.對于干密度為1.6 g/cm3的試樣，當(dāng)加筋率由0%增大到0.2%時，內(nèi)聚力增加較為顯著，之后，隨加筋率的增加，內(nèi)聚力增長緩慢;內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)纖維加筋率達(dá)到0.2%左右時，內(nèi)摩擦角達(dá)到最大值.

圖3 豎向壓力200 kPa下土體抗剪強(qiáng)度與纖維加筋率關(guān)系

圖4 內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角與纖維加筋率的關(guān)系

對比干密度分別為1.4和1.6 g/cm3時加筋土的內(nèi)聚力可發(fā)現(xiàn)，干密度對抗剪強(qiáng)度參數(shù)的提高更顯著;同樣，干密度為1.6 g/cm3時加筋土的內(nèi)摩擦角也普遍較大.另外，通過增大干密度，可降低內(nèi)摩擦角達(dá)到峰值時所對應(yīng)的加筋率，如圖4所示.由圖可得到以下結(jié)論:① 當(dāng)加筋率小于等于0.6%時，添加纖維對抗剪強(qiáng)度參數(shù)有所改善，但土體直剪強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角與纖維加筋率之間不具有單調(diào)增減的變化規(guī)律;當(dāng)纖維加筋率為0.2%時直剪強(qiáng)度達(dá)到極大值，0.2%可認(rèn)為是試驗范圍內(nèi)提高直剪強(qiáng)度的最優(yōu)加筋率.②與加筋率相比，干密度對抗剪強(qiáng)度及其參數(shù)的提高更為顯著.

4 纖維加筋土的干縮變形特征

4.1 纖維加筋土的收縮試驗

收縮試驗分為2組，干密度分別為1.4和1.6 g/cm3，每組試樣土體的加筋率分別為0%，0.2%，0.4%，0.6%，試驗結(jié)果見圖 5.隨著加筋率由0.2%增加到 0.6%，干密度 1.4 g/cm3試樣的收縮系數(shù)由 0.38 降到 0.32，干密度 1.6 g/cm3試樣的收縮系數(shù)變化更大，由0.38降到0.26.因此，通過摻入玄武巖纖維，可使膨脹土的收縮系數(shù)明顯下降，減小其收縮性.

圖5 收縮系數(shù)與加筋率的關(guān)系

膨脹土中的黏粒成分主要是親水性黏土礦物，在其失水過程中，晶層間的水分子逐漸減少，雙電層厚度也逐漸變薄，黏土顆粒的體積減小;同時，在三相交界面上彎液面張力的作用下，土顆粒逐漸靠近，相互錯動并重新排列.由于纖維與土顆粒之間存在界面黏聚力和摩擦力，使土顆粒的位錯和收縮受到限制，收縮系數(shù)明顯下降，土體的收縮性與加筋率呈負(fù)相關(guān).另外，通過提高加筋土的干密度，可增大纖維與土顆粒之間的摩擦力，使得土體的收縮系數(shù)隨纖維加筋率的增加進(jìn)一步降低.

4.2 基于FBG技術(shù)的纖維加筋土干縮變形試驗

試驗采用高空間分辨率的FBG技術(shù)，對加筋率分別為0%，0.2%，0.4%和0.6%的4組試樣，在自然失水條件下土體的應(yīng)變分布、變化規(guī)律以及裂隙的發(fā)育過程進(jìn)行了實時、分布式監(jiān)測.其中，當(dāng)試驗進(jìn)行3 h后，第1組(加筋率為0%)試樣即出現(xiàn)了裂隙;而后3組試樣，即加筋率分別為0.2%，0.4%和0.6%的試樣在試驗過程中均未出現(xiàn)明顯裂隙.這里，僅通過對比加筋率分別為0%和0.6%試樣的試驗結(jié)果，揭示玄武巖纖維加筋對控制膨脹土變形及裂隙發(fā)育的作用及機(jī)制.

在試驗初期，由于土體變形較小，光纖與土體之間無明顯滑移，可以近似認(rèn)為光纖與土體變形協(xié)調(diào)，光柵應(yīng)變即為土體應(yīng)變;但是，當(dāng)土體變形較大時，纖-土之間存在相對滑動，光柵應(yīng)變通常要小于土體應(yīng)變.由于纖-土之間的相互作用較為復(fù)雜，由光柵應(yīng)變得到土體應(yīng)變還需進(jìn)一步研究，這里以光柵應(yīng)變的分布及其變化情況為分析對象，反映膨脹土的干縮變形特征.

圖6(a)和(b)是加筋率分別為0.6%和0%時，光柵應(yīng)變分布及其隨時間的變化過程.橫坐標(biāo)表示工作窗口內(nèi)各個光柵所對應(yīng)的x坐標(biāo)，反映了加筋膨脹土由于失水造成的土體干縮變形在x坐標(biāo)上的空間分布情況;縱坐標(biāo)表示試驗持續(xù)的時間，反映了土體干縮變形隨時間的變化情況.

圖6 光柵應(yīng)變的時-空分布圖

通過對比可知，加筋率為0.6%的膨脹土在失水過程中，土體基本上處于整體收縮狀態(tài)，光柵應(yīng)變分布也較為均勻.試驗開始后約3～6 h，局部土體呈現(xiàn)收縮狀態(tài)，光柵應(yīng)變約為 －2.0×10－4～－3.0×10－4(這里規(guī)定壓縮應(yīng)變的符號為負(fù)，拉伸應(yīng)變的符號為正)，其他位置則呈現(xiàn)拉伸狀態(tài)，應(yīng)變量約為0～5×10－5，其中，x=1 cm 處光柵的拉伸應(yīng)變最大.隨著試驗的進(jìn)行，x=3，5，7 cm的光柵的應(yīng)變量逐漸減小，但仍處于壓縮狀態(tài);除了x=4 cm處的應(yīng)變基本不變外，其他位置的應(yīng)變均由拉伸狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s狀態(tài)，說明土體整體處于收縮狀態(tài)，收縮程度也較為均勻.直至試驗結(jié)束，試樣上未發(fā)現(xiàn)明顯的干縮裂隙.

由圖6(b)可見，在試驗初期的3 h內(nèi)，土體表現(xiàn)為較為均勻的整體收縮，光柵受到的壓縮應(yīng)變約為 －1 ×10－5～ －5 ×10－5.當(dāng)試驗進(jìn)行到 4.5 h時，x=7 cm處的光柵首先出現(xiàn)較大的壓縮應(yīng)變，隨著含水率的進(jìn)一步降低，壓縮應(yīng)變持續(xù)增大，最大約為－5×10－4(約50 h);而相鄰的x=6 cm 處的光柵在試驗進(jìn)行到7 h時，出現(xiàn)較為明顯的拉伸應(yīng)變，而且應(yīng)變的變化與x=7 cm處的應(yīng)變密切相關(guān)，但在時間上要相對滯后一些.當(dāng)試驗進(jìn)行到66 h，拉伸應(yīng)變達(dá)到最大值，約為 8.8 ×10－4.工作窗口內(nèi)其他位置的光柵均呈現(xiàn)出明顯的拉伸應(yīng)變，應(yīng)變量約為 1.5 ×10－4～5.0 ×10－4，其中，x=1，3，4 cm處光柵的拉伸應(yīng)變較為顯著.

由此可見，膨脹土在失水過程中，土體首先發(fā)生整體收縮，但由于土體的不均勻性，不同位置土體的收縮程度是不同的.收縮速率較快、收縮變形較大的區(qū)域(如圖6(b))中7 cm區(qū)域?qū)ζ溧徑鼌^(qū)域產(chǎn)生拉伸效應(yīng)，從而使鄰近區(qū)域(如圖6(b))中6 cm處的收縮變形逐漸減小，甚至轉(zhuǎn)變?yōu)槔熳冃?，光柵的?yīng)變也相應(yīng)地表現(xiàn)為拉伸應(yīng)變;隨著拉伸變形的增大，土體產(chǎn)生開裂，裂縫會使水分蒸發(fā)的速度加快，進(jìn)一步加速土體的收縮變形，裂縫也將隨之?dāng)U展，加深變長.

另外，與圖6(b)相比，圖6(a)所反映的加筋率為0.6%的試樣的各個傳感光柵的應(yīng)變更為均勻，應(yīng)變量也相對較小，特別是拉伸應(yīng)變量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于素土(加筋率為0%)試樣中光柵的拉伸應(yīng)變量.說明在膨脹土中摻入玄武巖纖維，由于纖維與土顆粒之間的界面摩擦效應(yīng)，分擔(dān)了土體中的部分拉應(yīng)力，使土顆粒之間的拉應(yīng)力顯著降低.同時由于纖維與土顆粒之間的嵌入和咬合作用，限制了土顆粒之間的相對錯動和位移，從而有效地減少和控制了膨脹土的開裂.

圖7是加筋率分別為0%和0.6%膨脹土試樣開裂前后照片的對比圖，圖中加筋率為0%試樣的2條裂縫的位置與圖6(b)中x=4 cm和x=6 cm處光柵的顯著拉伸應(yīng)變相對應(yīng);而加筋率為0.6%的試樣由于摻入了玄武巖纖維，土體的抗裂隙性顯著增強(qiáng)，未出現(xiàn)明顯的宏觀干縮裂隙.

圖7 膨脹土試樣開裂前后照片對比

圖8給出了裂隙區(qū)(x=6 cm)和非裂隙區(qū)(x=2 cm)光柵應(yīng)變與土體裂隙寬度的對比圖.裂隙寬度由照片通過圖像識別的方法獲得.由圖可見，隨著試驗的進(jìn)行，裂隙區(qū)和非裂隙區(qū)光柵應(yīng)變均由壓縮應(yīng)變迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞈?yīng)變，在試驗前30 h，裂隙區(qū)和非裂隙區(qū)應(yīng)變增長均較快，但裂隙區(qū)應(yīng)變增長更加顯著，裂隙的寬度呈線性增大;30 h之后，裂隙區(qū)應(yīng)變增長緩慢，非裂隙區(qū)應(yīng)變逐步減小，土體裂隙寬度持續(xù)增大，但速率有所降低，說明光纖與土體之間產(chǎn)生滑移;當(dāng)試驗進(jìn)行到約70 h，由于試樣與制樣器發(fā)生脫離、滑移，光柵應(yīng)變也隨之釋放、降低.

圖8 土體裂隙寬度與光柵應(yīng)變關(guān)系圖

5 結(jié)論

1)直剪快剪試驗表明，隨著加筋率的增加，纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度有所提高，除了干密度為1.6 g/cm3試樣的內(nèi)聚力隨加筋率的增加而增大外，土體內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角與加筋率之間沒有明顯的單調(diào)增減關(guān)系.與加筋率相比，干密度對土體抗剪強(qiáng)度的影響更為顯著.

2)收縮試驗表明，隨著玄武巖纖維加筋率的增加，纖維加筋土的收縮系數(shù)明顯下降，干密度1.6 g/cm3試樣的收縮系數(shù)下降更為顯著.說明通過摻入玄武巖纖維，同時增大干密度，可以有效減小膨脹土的收縮性.

3)采用高空間分辨率FBG光纖傳感技術(shù)，通過光柵應(yīng)變反映了膨脹土在失水干縮過程中，土體變形的時-空分布規(guī)律和干縮裂隙的形成過程.試驗表明，通過摻入玄武巖纖維，可以顯著地降低膨脹土失水干縮過程中土體的拉、壓應(yīng)變，使土體的應(yīng)變場均一化，對干縮裂縫的形成具有明顯的抑制作用.此外，通過光柵應(yīng)變可以實現(xiàn)對土體裂隙的空間定位，裂隙區(qū)域的光柵應(yīng)變通常呈現(xiàn)出先壓縮后拉伸，而且拉伸應(yīng)變逐漸增大的變化規(guī)律.

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