聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土三軸壓縮試驗(yàn)研究

鄧林飛，阮波

聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土三軸壓縮試驗(yàn)研究

鄧林飛1，阮波2

(1. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

通過三軸壓縮試驗(yàn)，研究纖維摻量對(duì)聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土鄧肯-張模型參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明：聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土應(yīng)力應(yīng)變曲線呈雙曲線型，符合鄧肯-張模型，通過計(jì)算獲得了聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土的鄧肯-張模型參數(shù)；聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土黏聚力隨纖維摻量的增加呈冪函數(shù)型增長(zhǎng)，纖維摻量對(duì)聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土內(nèi)摩擦角影響不大；摻入聚丙烯纖維后，水泥土的破壞模式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐摹?/p>

聚丙烯纖維；水泥土；纖維摻量；鄧肯-張模型；黏聚力；內(nèi)摩擦角

水泥土攪拌樁因其具有施工操作簡(jiǎn)單、成樁周期短、造價(jià)較低、隔水防滲效果好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到基坑支護(hù)工程中。但是水泥土在應(yīng)用過程中也暴露出一些缺點(diǎn)，如水泥土是一種脆性材料，抗壓強(qiáng)度較高而抗剪強(qiáng)度較低。在基坑支護(hù)工程中，水泥土攪拌樁需承受由側(cè)向土壓力產(chǎn)生的彎矩和剪力，若水泥土抗剪強(qiáng)度低則可能引起樁體剪切破壞，在水泥土中加入一定量的纖維可以改善水泥土的脆性，提高水泥土的抗剪強(qiáng)度，因此，進(jìn)行纖維水泥土三軸壓縮試驗(yàn)研究有一定的工程實(shí)際意義。阮波等[1]通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究玻璃纖維對(duì)水泥淤泥質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，提出玻璃纖維的最優(yōu)纖維長(zhǎng)度為9 mm。Sharma等[2]為了提高印度某地方砂土的抗壓強(qiáng)度，采用纖維和水泥來加固砂土，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究了纖維水泥土的抗壓強(qiáng)度特性。研究表明，在土體中加入纖維可以使其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加73%以上。賀祖浩等[3]通過室內(nèi)試驗(yàn)探究聚丙烯腈纖維水泥土的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的特性，研究表明纖維對(duì)水泥土抗拉和抗折強(qiáng)度的提高幅度要大于纖維對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的提高幅度。Correia等[4]研究了聚丙烯纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。陳峰等[5]采用不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，研究了玄武巖纖維水泥土的抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，研究表明玄武巖纖維水泥土黏聚力與纖維摻量呈正比關(guān)系。Hamidi等[6]為了研究聚丙烯纖維和水泥加固砂土的效果進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)。研究表明，水泥砂土中加入纖維后，其內(nèi)摩擦角和黏聚力都會(huì)得到提高，但砂土的相對(duì)密度較大時(shí)，纖維對(duì)水泥砂土的抗剪強(qiáng)度影響更為明顯。TANG等[7]對(duì)纖維的加筋作用進(jìn)行了研究。研究表明，纖維的加筋作用主要與土體中的黏結(jié)材料、纖維與土體之間界面的有效接觸面積和纖維表面的粗糙度有關(guān)。一些研究人員對(duì)纖維加筋水泥土干縮裂隙的抑制效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)纖維還能有效阻止水泥土的拉伸或收縮裂隙的發(fā)育[8?9]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纖維水泥土抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度特性研究較多，對(duì)纖維水泥土鄧肯張模型參數(shù)研究較少。由于鄧肯－張本構(gòu)模型能較好地反映土體的非線性性態(tài)，概念清楚且易于理解，所以在巖土工程數(shù)值分析工作中得到廣泛應(yīng)用。本文通過三軸壓縮試驗(yàn)，研究聚丙烯纖維摻量對(duì)聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土鄧肯－張模型參數(shù)的影響。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土來自湖南某工地的粉質(zhì)黏土，物理力學(xué)指標(biāo)見表1。試驗(yàn)所用纖維為聚丙烯纖維，其物理力學(xué)指標(biāo)見表2。水泥采用P.C 32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，物理力學(xué)指標(biāo)如表3所示。

表2 聚丙烯纖維的物理力學(xué)參數(shù)

表3 水泥的物理力學(xué)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)考慮圍壓和纖維摻量2個(gè)影響因素，圍壓選取了100，200，300和400 kPa 4個(gè)變量，纖維摻量研究范圍從0%~3%，每2個(gè)摻量間隔0.5%，一共7個(gè)摻量。水泥摻入比采用15%，土樣含水率采用40%，水灰比均采用1.0，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方案見表4。

表4 試驗(yàn)方案

3 試樣制備及試驗(yàn)

制樣過程參照《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ/T 233－2011)[10]，先將從工地取來的土用烘箱烘干，然后用碾磨機(jī)將土樣碾碎，再將碾碎的土樣過2 mm的篩，過篩后的土樣才能用于試驗(yàn)。試件制備時(shí)先在干土中加入水泥并攪拌均勻，然后再加入纖維并攪拌均勻，最后加入水再攪拌均勻，接著將攪拌均勻的土料放入直徑39.1 mm，高度80 mm的圓柱體試模中，然后將試模放在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)2 min，將振實(shí)后的試件靜置24 h后脫模，脫模后放入溫度為(20±2) ℃，相對(duì)濕度≥95%的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d。試件每組制備6個(gè)，聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土三軸壓縮試驗(yàn)步驟按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)[11]進(jìn)行。試驗(yàn)儀器采用TSZ-1全自動(dòng)三軸儀器。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

(a)纖維摻量0%；(b)纖維摻量0.5%；(c)纖維摻量1%；(d)纖維摻量1.5%；(e)纖維摻量2%；(f)纖維摻量2.5%；(g)纖維摻量3%

從圖1(a)可以看出，水泥土三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線為應(yīng)變軟化型，隨軸向應(yīng)變的增大，主應(yīng)力差先增大后減小，中間會(huì)出現(xiàn)1個(gè)峰值，峰值應(yīng)力過后，應(yīng)力會(huì)隨應(yīng)變?cè)龃蠖鴾p小，最后會(huì)趨于穩(wěn)定。從圖1(b)~1(g)可以看出聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線為應(yīng)變硬化型，呈現(xiàn)出雙曲線的特征，曲線沒有明顯下降趨勢(shì)，主應(yīng)力差隨著軸向應(yīng)變的增加而一直增大，應(yīng)力增大的速率隨應(yīng)變的增大會(huì)慢慢變小。綜上可知，在水泥土中加入纖維后改變了水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律，使得水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線從應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型。

4.2 鄧肯-張模型參數(shù)結(jié)果及分析

聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土應(yīng)力應(yīng)變曲線為雙曲線，符合鄧肯?張模型假設(shè)，參照《高等土力 學(xué)》[12]第二章第四節(jié)中計(jì)算鄧肯張模型參數(shù)的步驟可獲得聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土鄧肯?張模型的八大參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 鄧肯-張模型參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土黏聚力變化規(guī)律

聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土黏聚力與纖維摻量的關(guān)系如圖2所示。

圖2 聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土黏聚力與纖維摻量的關(guān)系

由圖2可知，纖維水泥土黏聚力隨纖維摻量的增加而增加，當(dāng)纖維摻量小于1%時(shí)，黏聚力的增長(zhǎng)速率較快，纖維摻量從0%增加到1%，黏聚力增加了26.8%；當(dāng)纖維摻量大于1%時(shí)，黏聚力的增長(zhǎng)速率變慢，纖維摻量從1%增加到2%，黏聚力增加了6.8%，纖維摻量從2%增加到3%，黏聚力增加了3.5%。纖維摻量為3%的聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土的黏聚力是水泥土黏聚力的1.4倍。

從黏聚力與纖維摻量的曲線圖中可以看出，該曲線具有冪函數(shù)的變化規(guī)律，假設(shè)黏聚力與纖維摻量具有如下關(guān)系：

式中：為黏聚力，kPa；a為纖維摻量，%；，和為擬合系數(shù)。

用origin軟件進(jìn)行自定義函數(shù)擬合，擬合曲線如圖3所示，擬合曲線的相對(duì)誤差如表6所示。

通過軟件擬合得到各擬合系數(shù)=72.50，=0.52，=295.50，所以聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土黏聚力與纖維摻量的關(guān)系式為72.50a0.52295.50，擬合的相關(guān)系數(shù)為0.985，擬合的相對(duì)誤差如表6所示，相對(duì)誤差在?2.39%~3.96%之間，說明該公式擬合效果較好。

4.2.2 聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土內(nèi)摩擦角變化規(guī)律

聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土內(nèi)摩擦角與纖維摻量的關(guān)系如圖4所示。

圖3 聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土黏聚力與纖維摻量的擬合曲線

表6 黏聚力和纖維摻量擬合公式的相對(duì)誤差

圖4 聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土內(nèi)摩擦角與纖維摻量的關(guān)系

從圖4可以看出，纖維摻量對(duì)纖維水泥土內(nèi)摩擦角影響不大，內(nèi)摩擦角在26.9°~27.9°之間波動(dòng)，內(nèi)摩擦角的平均值為27.5°。加入纖維后，內(nèi)摩擦角略微有增大，增大的幅度不大，纖維水泥土內(nèi)摩擦角最大值為27.9°比水泥土的內(nèi)摩擦角增大了1°，最大增幅為3.7%。

4.3 三軸壓縮試驗(yàn)破壞模式

三軸壓縮試驗(yàn)中水泥土破壞模式如圖5(a)所示，聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土三軸壓縮試驗(yàn)破壞模式如圖5(b)所示。

由圖5(a)可知，水泥土破壞后形成了一個(gè)非常明顯的剪切破壞面，剪切破壞面與水平方向大約成60°，試樣破壞模式為脆性破壞；由5(b)可知，聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土破壞后并沒有沒有形成明顯的剪切破壞面，破壞時(shí)試件中部略鼓，破壞形式為鼓脹破壞，試樣破壞模式為塑性破壞。這說明聚丙烯纖維加入到水泥土中后改變了水泥土的破壞模式，使水泥土的破壞模式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，這是由于纖維水泥土中的纖維發(fā)揮了其抗拉性能，有效地抑制了纖維水泥土試件剪切破壞面的產(chǎn)生。

(a) 水泥土；(b) 聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土

5 結(jié)論

1) 聚丙烯纖維水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線呈雙曲線型，符合鄧肯?張模型，通過計(jì)算獲得了聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土的鄧肯?張模型參數(shù)。

2) 聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土黏聚力隨纖維摻量的增加呈冪函數(shù)型增長(zhǎng)，纖維摻量為3%的聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土的黏聚力是水泥土黏聚力的1.4倍。

3) 纖維摻量對(duì)聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土內(nèi)摩擦角影響不大，內(nèi)摩擦角在26.9°~27.9°之間波動(dòng)，內(nèi)摩擦角的平均值為27.5°。

4) 聚丙烯纖維加入到水泥土中改變了水泥土的破壞模式，使水泥土的破壞模式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐摹?/p>

[1] 阮波, 鄧林飛, 馬超, 等. 纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2017, 14(7): 1415? 1419. RUAN Bo, DENG Linfei, MA Chao, et al. Experimental study on unconfined compressive strength of fiber reinforced cement soil[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2017, 14(7): 1415?1419.

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(編輯 涂鵬)

Experimental study on triaxial compression test of polypropylene fiber reinforced cement silty clay

DENG Linfei1, RUAN Bo2

(1. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan 430063, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

The effect of polypropylene fiber content on the parameters of Duncan-Chang model of polypropylene fiber cement silty clay was studied by triaxial compression test.The results show that the stress-strain curve of polypropylene fiber cement silty clay is hyperbolic curve, which conforms to the Duncan-Chang model, and the Duncan-Chang model parameters of polypropylene fiber cement silty clay were obtained.The cohesive of polypropylene fiber cement silty clay increases with the increase of fiber content in power-function type and the fiber content has little effect on the internal friction angle. After adding polypropylene fiber, the failure mode of cement soil changes from brittle failure to plastic failure.

polypropylene fiber; cement soil; fiber content; Duncan-Chang model; cohesion; internal friction angle

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.05.012

TU411

A

1672 ? 7029(2019)05 ? 1201 ? 06

2018?06?26

阮波(1972?)，男，河南新縣人，副教授，博士，從事巖土工程方面的研究；E?mail：421084359@qq.com