腈纖維對紅黏土改良性質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究

紅黏土是一種具有特殊工程性質(zhì)的土壤，廣泛分布于貴州六盤水地區(qū)。它具有含水量高、塑液限高、孔徑大、遇水膨脹等屬性[1]，常用于各種工程的地基處理，也可用于水利、公路等工程。隨著中國西部建設(shè)項(xiàng)目的不斷增多和建筑工程的快速發(fā)展，如何深入了解紅黏土的特殊性質(zhì)并加以改進(jìn)，使其更好地應(yīng)用于建筑工程實(shí)踐，已成為許多學(xué)者和專家重點(diǎn)關(guān)注的科研課題之一。貴州西南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會目前中國迅速發(fā)展，修建高速公路與高速鐵路等建筑信息工程建設(shè)項(xiàng)目多數(shù)都是在紅黏土地區(qū)進(jìn)行的，為了能夠滿足修建工程施工項(xiàng)目的需求，對該地區(qū)紅黏土進(jìn)行相應(yīng)改良設(shè)計(jì)，并分析其物理力學(xué)性質(zhì)[2]，這對工程實(shí)踐都有一定的參考意義。

1試驗(yàn)研究材料及設(shè)計(jì)

1.1試樣材料選取

本次試驗(yàn)用的土壤是取自貴州六盤水地區(qū)的紅黏土，它是一種在濕熱氣候條件下，風(fēng)化形成的黏土顆粒較多的紅黏土。主要含量為鐵，鋁和氧化硅膠結(jié)。風(fēng)化程度高，礦物成分和化學(xué)成分變化強(qiáng)烈，礦物養(yǎng)分豐富。通過進(jìn)行試驗(yàn)測得原土的物理性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)，如表1所示。

此次試驗(yàn)采用的材料為聚丙烯腈纖維，如圖1所示，它具有良好的彈性、保暖性和蓬松性，并且具有耐高溫、低吸水率、高抗拉強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等性質(zhì)。其物理結(jié)構(gòu)力學(xué)性能參數(shù)，如表2所示。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

制備土樣時設(shè)置了不同比例的腈纖維摻入到土體中，分別為3%、6%、9%、12%。在當(dāng)含水率[3]都為45%時，按不同比例平行制樣，為減小誤差，須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行直剪試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)。

（1）剪切試驗(yàn)：在腈纖維不同摻入比的情況下，將4個試驗(yàn)分為一組，依次施加100、200、300、400 kpa的垂直壓力，然后再施加水平剪應(yīng)力進(jìn)行剪切，當(dāng)剪切每小時的垂直變形不超過0.005 mm時，則固結(jié)達(dá)到穩(wěn)定。此時可終止實(shí)驗(yàn)，并卸去剪切力和垂直壓力，取出試樣，并求出破壞時的剪應(yīng)力，后由庫侖定律算出實(shí)驗(yàn)土樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)：內(nèi)摩擦角值與黏聚力值。

（2）固結(jié)試驗(yàn)：固結(jié)試驗(yàn)時，需要嚴(yán)格制備土樣，并測量土樣的密度，在剩余土中取出一定量的土樣，測其含水率，此外為了防止實(shí)驗(yàn)中土樣水分的蒸發(fā)，還應(yīng)將玻璃片蓋到環(huán)刀的兩端。在固結(jié)儀的容器內(nèi)安裝并固定好帶有土樣的切土環(huán)刀，并將其準(zhǔn)確放置在加荷橫梁的中心，并還要保證土樣與固結(jié)容器各部件間接觸良好。加壓等級依據(jù)50、100、200、300、400 kpa的順序依次加壓。結(jié)束后得出數(shù)據(jù)，并根據(jù)公式

根據(jù)公式分別計(jì)算出實(shí)驗(yàn)土樣的初始孔隙比、孔隙比、壓縮系數(shù)及壓縮模量各值。

2試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1腈纖維對紅黏土抗剪能力的影響

腈纖維不同比例摻入量與土體之間的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，在不同摻入量下的紅黏土，腈纖維對其抗剪強(qiáng)度，內(nèi)摩擦角，黏聚力的影響關(guān)系曲線如下圖2，圖3和圖4所示。

通過圖2、圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，將不同量的腈纖維加入紅黏土當(dāng)中，可以增強(qiáng)紅黏土的抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角及其黏聚力。從圖2可知，紅黏土的抗剪強(qiáng)度呈先增大后減小趨勢變化，在腈纖維摻入量為6%時，紅黏土的抗剪強(qiáng)度最大，腈纖維為最佳摻入量；觀察圖3與圖4的數(shù)據(jù)可以得出，隨著加入腈纖維的量的不斷增加，土樣的內(nèi)摩擦角及黏聚力均呈先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)腈纖維摻入量為6%時，紅黏土黏聚力也達(dá)到最大值，而紅黏土的內(nèi)摩擦角在摻入量為3%時，才達(dá)到最大值。由此可得出：土樣的含水率相同條件下，紅黏土的抗剪強(qiáng)度和黏聚力的最佳腈纖維摻入量為6%，此時均達(dá)到最大值；而內(nèi)摩擦角的最佳腈纖維摻入量為3%，此時也達(dá)到最大值。由此亦知，腈纖維在一定程度上影響了紅黏土的物理性質(zhì)的變化[4]，這對工程實(shí)踐及實(shí)驗(yàn)研究具有一定的參考價值。

2.2腈纖維對紅黏土壓縮系數(shù)和壓縮模量的影響

不同比例摻入量的腈纖維對紅黏土的孔隙比影響關(guān)系如圖5所示。

根據(jù)試驗(yàn)得出，腈纖維各摻入量下的壓縮系數(shù)和壓縮模量值。如表4所示。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，可以得出在不同比例摻入量下腈纖維對紅黏土的壓縮系數(shù)和壓縮模量影響關(guān)系曲線圖，分別為如圖6-7。

（1）通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著腈纖維含量的增加，抗壓強(qiáng)度增大。在圖5中，各摻量的曲線斜率并無很大差距，各摻入量在同級受壓時的孔隙比值差距平均。6%和9%的摻入量時，其抗壓強(qiáng)度在受壓時的趨勢線接近重合，也說明此時的抗壓強(qiáng)度是接近一致的[5]。