聚丙烯纖維加筋對(duì)高嶺土固結(jié)壓縮特性影響試驗(yàn)研究

陳 樂 ，劉志彬 ，周書中

（1. 東南大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京 210096；2. 東南大學(xué) 江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096）

1 引 言

纖維加筋土是將連續(xù)的纖維絲或者一定長度的短纖維采用機(jī)械、氣壓或水壓等方式隨機(jī)摻入到土中形成的一種人工復(fù)合土體材料[1]，由于纖維的摻入，使加筋土體形成三維結(jié)構(gòu)，可使纖維與土顆粒有效接觸，破裂面上纖維可發(fā)揮其抗拉能力，阻止破裂面發(fā)展，提高了土體的抗剪強(qiáng)度，其抗沖刷性能也會(huì)得到加強(qiáng)。法國建筑師Henri Vidal在20世紀(jì)60年代成功地設(shè)計(jì)出第一個(gè)加筋構(gòu)筑物，我國70年代末和80年代初引進(jìn)加筋土技術(shù)，如今這種技術(shù)已得到巨大的發(fā)展，被廣泛地運(yùn)用到路基、擋墻、抗震、邊坡等領(lǐng)域[2]。近些年來，國內(nèi)外學(xué)者也先后圍繞纖維加筋土的工程性質(zhì)開展了一系列試驗(yàn)和理論研究。唐朝生等[3]開展龜裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在土體中加入適量聚丙烯纖維能夠改變黏性土干縮裂縫的發(fā)展規(guī)律，降低土體裂隙率，提高土體結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性和防滲性能。Gumuser等[4]以不同含量的聚丙烯纖維摻入粉煤灰，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其“橋梁”作用能抑制土體的張拉裂縫和變形，并增加土體的承載力和韌性。Miller等[5]通過試驗(yàn)得出，當(dāng)纖維摻量介于0.4%～0.5%時(shí)，能減少約50%裂隙；當(dāng)纖維摻量達(dá)到0.8%時(shí)，最多能減少約90%的裂隙。Harianto等[6]開展干燥試驗(yàn)得出纖維的拉筋作用可以降低壓實(shí)試樣的體積收縮應(yīng)變和表面裂隙數(shù)量，其中纖維摻量為 0.2%時(shí)較無纖維土表面裂隙密度因子從2.75%降到了 0.2%。Manbeian[7]、Mohamed[8]、A等[9]以植物纖維為加筋材料，通過直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土體的抗剪強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，且有一個(gè)最佳摻量。Muntohar等[10]開展了一系列不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，纖維能提高土的抗壓、抗拉和抗剪性能，從而進(jìn)一步增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性和耐久性，最佳纖維摻量為 0.4%～0.8%。吳景海等[11]進(jìn)行直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)，確定了各種國產(chǎn)土工合成材料與填料的界面作用特性。姚代祿等[12]進(jìn)行剪切試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)加筋拉拔試驗(yàn)，分析得到土與加筋之間的剪切性質(zhì)可用摩爾-庫侖強(qiáng)度包線表示。Mirzababaei等[13]以廢棄地毯為加筋材料，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其能有效提高土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并同時(shí)增加土體的韌性，在纖維摻量為5%時(shí)效果最明顯。Akbulut等[14]由無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果得到，當(dāng)使用橡膠纖維時(shí)，最佳摻量在2%，最佳纖維長度為10 mm；當(dāng)使用聚丙烯纖維時(shí)，最佳摻量在0.2%，最佳纖維長度為15 mm。

目前國內(nèi)外有關(guān)纖維加筋的研究主要是針對(duì)砂土、水泥、水泥土等，關(guān)于純素土的研究相對(duì)較少，現(xiàn)有研究工作主要側(cè)重于纖維加筋土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、脹縮干裂性能等，關(guān)于其固結(jié)滲透、壓縮特性等研究較少。實(shí)際上，作為防滲墊層材料，纖維加筋黏土在較大的工程荷載作用下必然產(chǎn)生一定的壓縮變形，將影響到上部排水導(dǎo)氣等系統(tǒng)的安全性，且墊層自身的防滲隔污性能也會(huì)隨之改變。基于此，本文以聚丙烯纖維為加筋材料，對(duì)纖維加筋高嶺土開展了一系列一維固結(jié)壓縮試驗(yàn)，旨在探討纖維摻量和纖維長度2個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)纖維加筋土固結(jié)系數(shù)、壓縮模量以及壓縮指數(shù)的影響。

2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用黏土為徐州夾河高嶺土礦生產(chǎn)的商業(yè)高嶺土，基本物理參數(shù)見表 1，測(cè)試方法參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]。根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》[16]，由于ωL<50且IP>0.73(ωL-20)，確定該高嶺土屬低液限黏土(CL)。試驗(yàn)中采用的纖維材料直徑為0.048 mm的聚丙烯纖維絲，物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 高嶺土的物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of Kaolin

表2 聚丙烯纖維的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physico-mechanical parameters of polypropylene fiber

3 試驗(yàn)設(shè)備與方法

本次試驗(yàn)所用固結(jié)儀為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的WG型單杠桿固結(jié)儀。試驗(yàn)參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]，采用壓樣法制樣，控制土樣干密度為 1.5 g/cm3，含水率為17.4%，樣品直徑為61.8 mm，高20 mm。制樣時(shí)，先將干土與纖維充分?jǐn)嚢?，遇到纖維結(jié)團(tuán)時(shí)手工將其撕開。然后將土與水拌和，確保纖維在土樣中均勻分散，控制含水率 17.4%，在塑料袋內(nèi)密封養(yǎng)護(hù)24 h。最后在環(huán)刀內(nèi)壓實(shí)成干密度為1.5 g/cm3的土樣。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)分為 2組：一組控制纖維的長度一定，改變土樣中纖維摻量，另一組控制纖維的摻量一定，改變土樣中纖維的長度。第一組試樣控制纖維長度為8 mm和10 mm兩種情況，摻量分別為0、0.1、0.15、0.2、0.3%。第二組試樣控制摻量0.3%，長度分別為 8、10、12、14 mm。固結(jié)試驗(yàn)前，首先采用抽氣飽和法對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)飽和，再在固結(jié)儀上進(jìn)行一維固結(jié)試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 纖維摻量對(duì)加筋黏土固結(jié)壓縮特性影響

圖1為8 mm和10 mm兩種長度纖維的加筋高嶺土固結(jié)系數(shù)與纖維摻量間關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)纖維長度一定時(shí)，纖維加筋高嶺土的固結(jié)系數(shù)在各相同荷載級(jí)別下一般隨纖維摻量的增加表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)。在各級(jí)荷載下，當(dāng)纖維摻量為0.2%的時(shí)候，纖維加筋土的固結(jié)系數(shù)達(dá)到峰值，因此，纖維摻量在0.2%時(shí)纖維加筋土的固結(jié)速率最快。換言之，纖維摻量在 0%～0.2%之間時(shí)，纖維摻量的增大不僅有利于提高其抗剪強(qiáng)度和抗干裂性能，也會(huì)加速其排水固結(jié)；當(dāng)摻量高于 0.2%后，固結(jié)系數(shù)會(huì)隨摻量的增大而降低。從圖1還可以看出，纖維長度為8 mm時(shí)，固結(jié)系數(shù)測(cè)試結(jié)果規(guī)律性相對(duì)較差，可能是由于相對(duì)較短的纖維在土樣中不易達(dá)到良好的拌和均勻性所致。相比之下，纖維長度為10 mm時(shí)，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性明顯較好。此外，固結(jié)壓力高于400 kPa后，加筋土的固結(jié)系數(shù)受纖維摻量影響相對(duì)較弱，即在較高荷載下?lián)搅孔兓瘜?duì)加筋土的固結(jié)系數(shù)影響程度有限。

圖1 加筋高嶺土在不同纖維摻量時(shí)的固結(jié)系數(shù)Fig.1 Coefficients of consolidation of fiber-reinforced Kaolin with different fiber contents

圖2為8 mm和10 mm兩種長度纖維的加筋高嶺土壓縮模量與纖維摻量間關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)纖維長度一定時(shí)，纖維加筋高嶺土的壓縮模量在相同荷載下一般隨纖維摻量的增加表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)。在各級(jí)荷載下，摻量為0.10%～0.15%的時(shí)候，纖維加筋土的壓縮模量達(dá)到峰值。當(dāng)豎向壓力較大時(shí)（＞400 kPa），這一規(guī)律尤其明顯，即當(dāng)纖維摻量為0.10%～0.15%的時(shí)候，相同壓力下纖維加筋土的壓縮性最小。從圖中還可以看出，當(dāng)豎向壓力較小時(shí)（≤400 kPa），纖維長度對(duì)加筋高嶺土壓縮模量影響不明顯。另一方面，圖中還顯出高壓下的壓實(shí)作用對(duì)于纖維加筋高嶺土的壓縮模量提高有著重要作用，如0.2%摻量條件下纖維加筋高嶺土在400 kPa下的壓縮模量不足7.5 MPa，而在800 kPa時(shí)則增大至25 MPa左右。為保證現(xiàn)場(chǎng)條件下纖維加筋黏土的低壓縮性，應(yīng)當(dāng)確保加筋土達(dá)到足夠高的壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 加筋高嶺土在不同纖維摻量時(shí)的壓縮模量Fig.2 Compression moduli of the fiber-reinforced kaolin with different fiber contents

圖3為8 mm和10 mm兩種長度纖維的加筋高嶺土的壓縮指數(shù)隨纖維摻量變化曲線。從圖中可以看出，當(dāng)控制纖維長度一定的時(shí)，各級(jí)荷載下纖維加筋高嶺土的壓縮指數(shù)在0.18～0.26之間變化；隨著纖維摻量的增加，壓縮指數(shù)也相應(yīng)增大。但在纖維摻量為 0.15%～0.20%時(shí)有一谷值；纖維長度為8 mm的加筋土的壓縮指數(shù)較10 mm情況下更高。

圖3 加筋高嶺土在不同纖維摻量時(shí)壓縮指數(shù)Fig.3 Compression index of fiber-reinforced kaolin with different fiber contents

4.2 纖維長度對(duì)加筋黏土固結(jié)壓縮特性影響

根據(jù)已有文獻(xiàn)中常用的纖維摻量，該組試驗(yàn)中纖維加筋高嶺土的纖維摻量選擇0.3%，選取的長度為8、10、12、14 mm。圖4為0.3%纖維摻量的加筋高嶺土固結(jié)系數(shù)與纖維長度間關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)纖維摻量一定時(shí)，纖維加筋高嶺土的固結(jié)系數(shù)在相同荷載級(jí)別下隨纖維長度的增加表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)。在各級(jí)荷載下，當(dāng)纖維長度為10 mm時(shí)，纖維加筋土的固結(jié)系數(shù)達(dá)到一個(gè)極小值，即纖維長度為10 mm時(shí)纖維加筋土的固結(jié)速率較慢，表明工程中同一摻量條件下，纖維較長和較短時(shí)纖維加筋高嶺土的固結(jié)速率均比較快，但在某一中間長度時(shí)纖維加筋土的固結(jié)性能最差。

圖4 加筋高嶺土在不同纖維長度時(shí)固結(jié)系數(shù)Fig.4 Coefficients of consolidation of fiber-reinforced Kaolin with different fiber lengths

圖5為0.3%纖維摻量的加筋高嶺土壓縮模量與纖維長度間關(guān)系。從圖中可以看出，由于孔隙比減小，土樣變得越來越密實(shí)，加筋土的壓縮模量隨荷載的增加而變大。荷載水平較低時(shí)（<400 kPa），纖維長度對(duì)纖維加筋黏性土的壓縮模量影響不明顯；當(dāng)荷載水平較高時(shí)(≥400 kPa)，隨著纖維長度增大加筋高嶺土的壓縮模量呈降低的趨勢(shì)。

圖5 加筋高嶺土在不同纖維長度下的壓縮模量Fig.5 Compression moduli of fiber-reinforced Kaolin with different fiber lengths

圖6為加筋高嶺土在不同纖維長度時(shí)壓縮指數(shù)。由圖中可以看出，總體上纖維加筋高嶺土的壓縮指數(shù)隨纖維長度的增大呈增大的趨勢(shì)，在纖維長度為10 mm的時(shí)候其壓縮指數(shù)為一谷值；加筋土的壓縮指數(shù)數(shù)值在0.203～0.233之間。

圖6 加筋高嶺土在不同纖維長度時(shí)壓縮指數(shù)Fig.6 Compression index of consolidation of fiberreinforced Kaolin with different fiber lengths

5 結(jié) 論

（1）控制土體干密度和纖維長度一定時(shí)，隨著纖維摻量的增加，加筋高嶺土的固結(jié)系數(shù)、壓縮模量均呈先增大后減小的規(guī)律。摻量為0.2%的時(shí)，固結(jié)系數(shù)達(dá)到峰值；摻量為 0.10～0.15%左右時(shí)，壓縮模量達(dá)到峰值；固結(jié)壓力超過400 kPa后，摻量變化對(duì)加筋土的固結(jié)系數(shù)影響不明顯，但此時(shí)荷載水平的提高對(duì)加筋土的壓縮模量提高顯著。此外，隨纖維摻量的增加，壓縮指數(shù)總體呈增大趨勢(shì)，但在纖維摻量為0.15～0.20%時(shí)有一谷值。

（2）當(dāng)控制土體干密度和纖維摻量一定時(shí)，纖維加筋高嶺土的固結(jié)系數(shù)隨纖維長度的增加先減小后增大，當(dāng)纖維長度 10 mm時(shí)固結(jié)系數(shù)達(dá)到最小值；固結(jié)壓力較小時(shí)（＜400 kPa），纖維長度對(duì)加筋土的壓縮模量影響不明顯，但當(dāng)壓力較高時(shí)（≥400 kPa），隨纖維長度的增大加筋土的壓縮模量呈減小趨勢(shì)；纖維加筋高嶺土的壓縮指數(shù)隨纖維長度的增大總體表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)；在纖維長度為10 mm的時(shí)候其壓縮指數(shù)為一谷值。

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