波形纖維對(duì)砂質(zhì)黏性紫色土力學(xué)性能的影響

楊 莉 莉，謝 春 燕，石 浩 廷，潘 建 勛，吳 達(dá) 科

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400700)

紫色土是由中生代時(shí)期紫色砂巖、頁巖、泥巖經(jīng)數(shù)個(gè)世紀(jì)漫長的風(fēng)化、侵蝕、固結(jié)發(fā)育演變而成且侵蝕性較高的巖性土。重慶地區(qū)紫色土屬砂質(zhì)黏性紫色土，具有一定的濕脹干縮性，在干濕交替作用下容易龜裂[1]。由于重慶地區(qū)氣候濕熱，土體在快速的干濕循環(huán)過程中極易發(fā)生侵蝕破壞，造成邊坡滑落、路基塌陷、泥石流等災(zāi)害。

加筋土技術(shù)作為一種土體改良技術(shù)，被廣泛運(yùn)用在加固軟土地基、邊坡、擋土墻等工程中。隨著各種加筋材料的大量運(yùn)用，纖維因其具有較好的分散性、力學(xué)性能和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)而受到學(xué)者們的重視[2-3]。纖維加筋土作為一種相對(duì)均質(zhì)的、具有近似各向同性的新型土工復(fù)合材料[4-5]，國內(nèi)外對(duì)其已開展了大量研究。

在天然纖維方面，Diab[6]等通過不固結(jié)不排水的三軸試驗(yàn)研究大麻纖維對(duì)壓實(shí)黏土負(fù)荷響應(yīng)的影響，結(jié)果表明，對(duì)Hemp增強(qiáng)的試樣，可提高100%剪切強(qiáng)度。Fagone等[7-8]通過試驗(yàn)研究黃麻纖維對(duì)加筋土強(qiáng)度的影響，分析了纖維加筋的尺寸效應(yīng)，其中Wang等發(fā)現(xiàn)在纖維含量為0.6%、長度為6 mm時(shí)，土體強(qiáng)度最高，且隨著纖維含量和長度的增加，纖維加筋土的凝聚力先增加后下降，而內(nèi)摩擦角無明顯變化。Mohamed[9]研究了草纖維土的抗剪強(qiáng)度特性，結(jié)果表明隨著纖維摻量的增加，纖維土抗剪強(qiáng)度呈先增大后減小的變化趨勢，在纖維摻量為1%時(shí)抗剪強(qiáng)度最大。劉建龍[10]等通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)棉纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨加筋量和加筋長度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在人工合成纖維方面，Estabragh[11]等研究了尼龍纖維對(duì)粘土性能的影響，得知摻入尼龍纖維可增加土壤的剪切強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角，且隨著纖維含量的增加，加筋土的預(yù)固結(jié)壓力降低，膨脹和壓縮系數(shù)增加。Patel和Singh[12]研究了玻璃纖維對(duì)黏性土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)CBR和割線模量都隨著纖維含量和纖維長度的增加而增加。國內(nèi)學(xué)者趙瑩瑩[13-14]等對(duì)聚丙烯纖維加筋土的研究表明，聚丙烯纖維的摻入會(huì)提高土體強(qiáng)度、改善其變形特性，且隨著圍壓增加而提高；同時(shí)能增強(qiáng)土體的凝聚力，但幾乎不會(huì)影響內(nèi)摩擦角。李建[15]對(duì)波形纖維加筋粉質(zhì)黏土開展無側(cè)限壓縮試驗(yàn)，研究表明無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨纖維含量的增加而增強(qiáng)。唐朝生[16]通過電鏡微觀掃描研究纖維加筋土中筋/土界面相互作用，結(jié)果表明纖維的加筋效果取決于筋/土界面作用強(qiáng)度，筋/土界面之間的力學(xué)作用主要有2種形式:黏接和摩擦。唐朝生[17]還通過自行設(shè)計(jì)的纖維拉拔試驗(yàn)裝置進(jìn)行單根纖維的拉拔試驗(yàn)，利用測得的筋土界面強(qiáng)度導(dǎo)出了纖維加筋的臨界長度。上述加筋土力學(xué)特性的研究有利于促進(jìn)加筋土的工程實(shí)際應(yīng)用，但仍存在著不足：① 研究中所用的加筋材料普遍是直線形的，缺乏對(duì)波形以及其他形狀的加筋材料的研究；② 尚需分析波形纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度以及其影響因素，如纖維含量、長度等。因此，有必要在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上對(duì)波形纖維加筋土進(jìn)行系統(tǒng)研究。

為此，本文針對(duì)重慶地區(qū)的砂質(zhì)黏性紫色土，在土樣中摻入不同含量、不同長度的波形聚丙烯纖維進(jìn)行無側(cè)限壓縮和三軸壓縮試驗(yàn)，通過對(duì)比分析，研究波形聚丙烯纖維對(duì)加筋土力學(xué)性能的影響，為今后波形聚丙烯纖維加筋土設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣為中國西南地區(qū)常見的砂質(zhì)黏性紫色土。土樣呈硬塑狀態(tài)，礦物成分主要包括高嶺石、蒙脫石和蛭石等，其物理力學(xué)性質(zhì)見表1。加筋材料選用波形聚丙烯纖維，其橫截面近似于0.4 mm×1.0 mm的長方形，其物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 土樣的物理力學(xué)參數(shù)

表2 波形聚丙烯纖維的物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試樣設(shè)計(jì)及制備

試驗(yàn)選取的纖維長度為20,30,40 mm，纖維含量分別為0.2%、0.3%、0.4%。將所取土樣進(jìn)行烘干和粉碎處理后過2 mm的篩備用。以最大干密度1.7 g/cm3來控制試驗(yàn)所制土樣的質(zhì)量，試驗(yàn)按照天然含水率18.4%進(jìn)行土樣配制，并用保鮮膜將配制好的土樣密封養(yǎng)護(hù)24 h，使水分浸潤均勻。無側(cè)限壓縮試驗(yàn)選用的模具尺寸為50 mm×100 mm，三軸壓縮試驗(yàn)選用的模具尺寸為38.1 mm×80 mm，均采用靜壓法制樣。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參照J(rèn)TGE40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[18]進(jìn)行，無側(cè)限壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)采用YSH-2型無側(cè)限抗壓儀測定，設(shè)定軸向壓縮速率為1 mm/min，每隔15 s記錄一次數(shù)據(jù)。三軸壓縮試驗(yàn)采用TCK-1型三軸壓縮儀，設(shè)定軸向壓縮速率為0.8 mm/min，在設(shè)定的圍壓下進(jìn)行壓縮。

2 結(jié)果和討論

2.1 無側(cè)限壓縮試驗(yàn)

2.1.1無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖1是纖維含量對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。由圖1可知，與素土相比，摻入纖維可明顯增強(qiáng)試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，且在3種纖維長度下，隨著纖維含量的增加，加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈先增大后減小的趨勢；在波形纖維含量為0.3%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。當(dāng)纖維含量為0.2%時(shí)，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度小于纖維含量為0.3%和0.4%的試樣，這是由于在纖維含量較低時(shí)，提供的約束作用有限，對(duì)試樣的無側(cè)向抗壓強(qiáng)度提升較低。隨著波形纖維含量的增加，纖維產(chǎn)生的約束作用隨之增強(qiáng)；當(dāng)裂隙產(chǎn)生時(shí)，纖維的拉筋作用可有效減緩裂縫的發(fā)展速度，保持土體的整體性，對(duì)加筋土的抗壓強(qiáng)度提升更大。當(dāng)纖維含量進(jìn)一步增加時(shí)，纖維之間相互發(fā)生堆疊，存在潛在裂隙、形成薄弱面，在破壞時(shí)產(chǎn)生的裂縫易沿薄弱面發(fā)展，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。所以存在最優(yōu)纖維摻量0.3%，使加筋效果達(dá)到最佳。

圖1 纖維含量對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖2是纖維長度對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。由圖可知，纖維長度為30 mm和40 mm的試樣其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著高于20 mm的試樣，在纖維長度為30 mm時(shí)強(qiáng)度最大。其主要原因有兩方面，① 單根纖維與土體產(chǎn)生的約束作用；② 纖維數(shù)量。纖維在含量相同的情況下，纖維較短時(shí)，單根纖維與土樣接觸面積小，產(chǎn)生的約束作用較弱，且纖維數(shù)量更多，潛在裂隙更多，產(chǎn)生的裂縫更易發(fā)展，進(jìn)而無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相對(duì)較小。隨著纖維長度增加，單根纖維產(chǎn)生的約束作用增強(qiáng)；且纖維數(shù)量減少，存在的潛在裂隙也減少，兩種作用同時(shí)產(chǎn)生增強(qiáng)作用，對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升很大。隨著纖維長度進(jìn)一步增加，單根纖維與土體產(chǎn)生的約束作用更強(qiáng)，潛在裂隙也減少，但由于數(shù)量減少，纖維產(chǎn)生的總的約束作用降低了，兩種作用產(chǎn)生消減效果，故無側(cè)限強(qiáng)度反而比長度為30 mm的試樣還低。

圖2 纖維長度對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

2.1.2變形特性

圖3是纖維含量和長度對(duì)試樣應(yīng)力-應(yīng)變的影響。由圖3可知，加筋土和素土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特征。由圖3(a)～(c)可得，加筋土軸向應(yīng)變?cè)?%之前，軸向應(yīng)力隨軸向應(yīng)變呈直線增長；隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力增長變慢并逐漸趨于平緩；當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到5%，曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加逐漸減小并趨于穩(wěn)定。同時(shí)觀察試件的殘余強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，加筋土試樣的殘余強(qiáng)度明顯大于素土試樣。其中纖維含量為0.3%的試件殘余強(qiáng)度最大。由圖3(d)可發(fā)現(xiàn)，不同纖維長度的試樣，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯不同。在線彈性階段，“長纖維”試樣的軸向應(yīng)力增長明顯大于“短纖維”試樣，且軸向應(yīng)力峰值也明顯提高?！伴L纖維”試樣達(dá)到應(yīng)力峰值時(shí)，應(yīng)變約為4%；“短纖維”試樣達(dá)到應(yīng)力峰值時(shí)，應(yīng)變約為5%。達(dá)到峰值后應(yīng)力隨應(yīng)變出現(xiàn)呈下降趨勢，且破壞后，“短纖維”的殘余強(qiáng)度大于“長纖維”。說明在纖維含量相同時(shí)，增加纖維長度可增加加筋土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但同時(shí)也會(huì)削弱試樣的破壞韌性，導(dǎo)致試件在軟化階段下降的強(qiáng)度多，殘余強(qiáng)度較低。

圖3 纖維含量和長度對(duì)試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

2.2 三軸壓縮試驗(yàn)

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的纖維含量和長度制作試樣，依照試驗(yàn)規(guī)范要求，在不同圍壓(50,100,150 kPa)下進(jìn)行不固結(jié)不排水的三軸壓縮試驗(yàn)，選取偏應(yīng)力峰值與圍壓的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，根據(jù)擬合曲線(見圖4)計(jì)算得到內(nèi)摩擦角和凝聚力，以此探究纖維對(duì)波形纖維加筋土抗剪特性的影響。從圖4(a)～(c)中可發(fā)現(xiàn)，與素土試樣比，加筋土的偏應(yīng)力在各種含量和長度下均有所提升，抗剪能力增強(qiáng)；且通過增加纖維含量和長度均可提升試樣的偏應(yīng)力強(qiáng)度。圖4(a)中，當(dāng)纖維長度為20 mm時(shí)，同一圍壓下不同纖維的加筋土偏應(yīng)力擬合直線與素土的差別較??；圖4(c)中，當(dāng)纖維長度為40 mm時(shí)，加筋土試樣偏應(yīng)力較素土試樣增加較多，擬合直線差別較大。說明當(dāng)纖維長度較長時(shí)，對(duì)土體的偏應(yīng)力強(qiáng)度提高較多，試樣的加筋效果較好。

圖4 偏應(yīng)力與圍壓的關(guān)系曲線

圖5是纖維含量和長度對(duì)土體凝聚力的影響。由圖5可知，纖維含量和長度對(duì)加筋土凝聚力影響較大。隨著纖維含量的增加，試樣凝聚力逐漸增大；同一含量下，隨著纖維長度的增加，試樣的凝聚力也會(huì)增大。在長度為20 mm時(shí)，纖維含量為0.4%的試樣其凝聚力較原始試樣增加了39.7%；含量為0.3%時(shí)，增加了30.0%；含量為0.4%時(shí)，增加了26.3%。說明在纖維長度較低時(shí)，纖維含量的增加對(duì)凝聚力增加更明顯。在含量為0.2%時(shí)，40 mm纖維試樣的凝聚力較20 mm試樣增加了26.4%；含量為0.3%時(shí)，增加了8.7%；含量為0.4%時(shí)，增加了11.6%。顯然纖維含量較少時(shí)，長度的變化對(duì)凝聚力影響更大。

圖5 纖維含量和長度對(duì)凝聚力的影響

圖6是纖維含量和長度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響。由圖可知，纖維含量和長度對(duì)加筋土內(nèi)摩擦角的影響較??；且隨著纖維含量和長度的增加，內(nèi)摩擦角呈降低的趨勢。在纖維含量為0.2%，長度為20 mm時(shí)，加筋土試樣較素土僅下降了0.25°，隨著纖維含量的提升，加筋土試樣內(nèi)摩擦角變化幅度為11%～15%。

圖6 纖維含量和長度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響

3 結(jié) 論

本文通過無側(cè)限壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，重點(diǎn)討論了纖維含量及長度對(duì)加筋土抗壓和抗剪特性的影響，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)隨著波形纖維含量的增加，纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后減小。在纖維含量0.3%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均達(dá)到最大值。

(2)纖維長度對(duì)加筋土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有影響。纖維長度為30 mm和40 mm的試樣其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著高于20 mm試樣，在纖維長度為30 mm時(shí)強(qiáng)度最大。纖維含量相同時(shí)，增加纖維長度可增加加筋土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但同時(shí)削弱了破壞韌性、降低殘余強(qiáng)度。

(3)增加纖維含量和長度均可提升加筋土的偏應(yīng)力，且在纖維長度較長時(shí)，加筋土偏應(yīng)力提升更大，加筋效果更好。

(4)纖維含量和長度對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)凝聚力影響較大，而對(duì)內(nèi)摩擦角影響較小。隨著纖維含量和長度的增加，凝聚力升高、內(nèi)摩擦角降低。