木質(zhì)纖維對(duì)紅黏土性質(zhì)改良的實(shí)驗(yàn)研究

紅黏土在貴州六盤水地區(qū)分布極廣，被廣泛應(yīng)用于生態(tài)保護(hù)與工程建設(shè)之中。為進(jìn)一步探究紅黏土特殊性質(zhì)并加以改良，從而更好地應(yīng)用于工程建設(shè)中，本文研究了不同摻量木質(zhì)纖維對(duì)六盤水地區(qū)紅黏土壓縮性和抗剪強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，摻入適宜比例的木質(zhì)纖維可提高紅黏土的抗剪能力、壓縮系數(shù)及壓縮模量。本研究可為改良紅黏土性質(zhì)提供理論依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)材料選自六盤水地區(qū)的紅黏土，該地區(qū)紅黏土是在熱氣候條件下，經(jīng)過(guò)風(fēng)化作用、成土作用形成的一種含有較多散裝粘粒并富含F(xiàn)e、Al氧化物膠結(jié)的紅色高塑性黏性土，風(fēng)化程度相對(duì)較高，礦物質(zhì)含量十分豐富。實(shí)驗(yàn)采用的木質(zhì)纖維是一種有機(jī)絮狀纖維物質(zhì)，束狀，粉末80目，可用于鋪設(shè)瀝青道路、拌合混凝土砂漿以及制備石膏制品等。將木質(zhì)纖維混合后可形成一個(gè)三維空間網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)，均勻度、穩(wěn)定性、分散性及柔韌性較好，是一種新型環(huán)保材料。實(shí)驗(yàn)中紅黏土樣品基本物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1，木質(zhì)纖維樣品相關(guān)物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2。

1.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將不同比例的木質(zhì)纖維（3%、6%、9%、12%）摻入到制備土樣中，含水率為45%，每個(gè)比例都采取平行試樣以減少誤差，再嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)及固結(jié)試驗(yàn)。

直接剪切試驗(yàn)：在不同比例纖維摻入的情況下，以4個(gè)試驗(yàn)為一組，依次施加100、200、300、400 kpa的垂直壓力，然后對(duì)試樣施加水平剪應(yīng)力進(jìn)行剪切，當(dāng)剪切量剪切變形≤0.005 mm/h時(shí)，判斷試樣是否固結(jié)穩(wěn)定，特別注意在施加外力時(shí)需輕拿輕放以避免擾動(dòng)試件。穩(wěn)定之后，卸去施加的垂直壓力，將試樣取出，得出破壞時(shí)的相應(yīng)剪應(yīng)力，然后根據(jù)庫(kù)侖定律確定土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，包括內(nèi)摩擦角值和凝聚力值。

固結(jié)試驗(yàn)需在嚴(yán)格制備好試樣后測(cè)定土樣密度，并取用土樣測(cè)定不同含水率，玻璃片需將環(huán)刀兩端蓋上，以避免水分蒸發(fā)影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)。后將帶試件的切土環(huán)刀安裝在固結(jié)儀的固結(jié)容器內(nèi)固定，并準(zhǔn)確放置在加載中心，保證容器部件之間接觸良好。依次按照50、100、200、300、400 kpa的順序進(jìn)行加壓，結(jié)束后得出相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算分析。

2試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1纖維對(duì)于紅黏土抗剪能力的影響

每個(gè)比例木質(zhì)纖維摻入量與土體之間的抗剪強(qiáng)度影響對(duì)比，由直線傾角得出土的內(nèi)摩擦角φ以及直線在縱坐標(biāo)上的截距得出土樣的黏聚力c，分別如下圖1～3，表3所示：

從圖1可得出，不同比例下的土樣隨著垂直壓力的增加，抗剪強(qiáng)度也在不斷增大，不同纖維摻入量的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較為一致。纖維摻入比為6%的垂直壓力增長(zhǎng)幅度較其他摻入量更為明顯。隨著木質(zhì)纖維摻入量的增加，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，但是變化區(qū)間較小，整體變化幅度保持在6°之間。隨著纖維摻入量的增加，黏聚力也呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且峰值都出現(xiàn)在摻入量為6%的纖維土樣上。這表明木質(zhì)纖維含量對(duì)紅黏土物理性質(zhì)的變化有一定程度的影響，當(dāng)纖維摻量為6%時(shí)土體的抗剪強(qiáng)度最高，內(nèi)摩擦角及黏聚力最佳。

2.2纖維對(duì)于紅黏土壓縮系數(shù)和壓縮模量的影響

不同摻入量的木質(zhì)纖維土體對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響如下圖4～6，表4所示：

隨著木質(zhì)纖維摻入量的增加，紅黏土抗壓強(qiáng)度也在不斷增加。在圖4中，各摻量的曲線斜率差距較小，各摻入量在同級(jí)受壓時(shí)的孔隙比值差距平均。當(dāng)摻入量為3%和6%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度在受壓為0～200 kpa時(shí)的趨勢(shì)線接近重合，說(shuō)明此時(shí)的抗壓強(qiáng)度接近一致。

圖5顯示，隨著木質(zhì)纖維摻入量的增加，土樣的壓縮模量呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)，在纖維摻入量為12%時(shí)，壓縮模量達(dá)到最大。在摻入量為0%～3%時(shí)，壓縮模量有明顯上升，在摻入量為3%之后，變化較為平緩，最大差值為0.35。

圖6顯示，隨著木質(zhì)纖維摻量的增加，紅黏土的壓縮系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢(shì)。不滲入木質(zhì)纖維時(shí)，土樣的壓縮系數(shù)最多。摻入量為3%～12%，壓縮系數(shù)變化較小，接近平緩。在摻入量為3%時(shí)，壓縮系數(shù)的下降趨勢(shì)比較明顯。同時(shí)在纖維摻入量為3%之后壓縮系數(shù)的變化接近平緩。

根據(jù)表4及其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，當(dāng)時(shí)，屬于低壓縮性土；當(dāng)時(shí)，屬于中壓縮性土；當(dāng)大于等于0.5，或小于4 Mpa時(shí)，屬于高壓縮性土。由此得出原土為高壓縮性土，摻入量為3%、6%、9%、12%的土體均為中壓縮性土。木質(zhì)纖維的摻入有助于降低紅黏土壓縮性，并增強(qiáng)土體的抗壓強(qiáng)度。

3討論與結(jié)論

在不同加壓等級(jí)下，木質(zhì)纖維有效增強(qiáng)了土體的抗剪強(qiáng)度，且呈規(guī)律性變化。纖維摻量基本不影響紅黏土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。內(nèi)摩擦角隨著摻量的增加呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢(shì)，當(dāng)摻入量為6%時(shí)，黏聚力與內(nèi)摩擦角達(dá)到峰值。內(nèi)摩擦角基本保持不變，變化僅維持在5°之間?？辜魪?qiáng)度在木質(zhì)纖維摻入量為6%時(shí)達(dá)到最高值。當(dāng)纖維摻入量為0%～3%時(shí)，紅黏土的抗壓強(qiáng)度及土體的壓縮模量明顯提高，土體的壓縮系數(shù)明顯降低。

基金項(xiàng)目：六盤水地區(qū)紅黏土物理力學(xué)性質(zhì)分析（No.20195201529）；六盤水師范學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（No.LPSSYKJTD201902）。

[貴州六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院李常娜，粟梅（通訊作者），翟雨雨，錢德銀，黃學(xué)銳，黃木金]