膨脹土纖維加筋的強(qiáng)度特性實驗研究

王冰，于炎成，陳朝陽

（1.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

膨脹土廣泛分布于多個國家[1]，因其“三性”問題（脹縮性、裂隙性、超固結(jié)性）[2]的存在，給工程建設(shè)帶來巨大的危害。一直以來土體改良技術(shù)都是巖土工程領(lǐng)域的重大課題，通常有力學(xué)加固法、物理加固法、傳統(tǒng)化學(xué)加固法、非傳統(tǒng)型固化劑改良法等[3]。

纖維加筋提高土的強(qiáng)度[4-5]。各國學(xué)者對纖維加筋土進(jìn)行了一定的研究[6-7]。目前用于土體加固的纖維主要有人工合成纖維和自然纖維兩種[8]。自然纖維由于其易降解、易摻加、成本低和對環(huán)境友好等優(yōu)點近年來得到研究人員的廣泛關(guān)注[9-10]。

本文在江淮分水嶺地區(qū)膨脹土中以不同的角度和摻加量將黃麻纖維摻入，通過不固結(jié)不排水三軸實驗來探究其對土體強(qiáng)度及變形方面的影響，研究結(jié)果對于江淮分水嶺地區(qū)膨脹土的處治問題具有一定的借鑒意義。受制條件因素，對鄰水基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力特性有待進(jìn)一步研究。

1 實驗材料與方法

1.1 膨脹土的性質(zhì)

試驗中膨脹土取自江淮分水嶺。土樣成因為洪積而成，土樣顏色為褐黃色，含有大量的鐵錳結(jié)核，裂隙發(fā)育，中間夾有少量的砂土。土樣運送至土力學(xué)試驗室后進(jìn)行密封處理，根據(jù)《公路土工實驗規(guī)程》（JTG E40—2007）[11]對所取土樣進(jìn)行各種基本土工實驗，所獲得膨脹土的各基本物理性質(zhì)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。自由膨脹率為66.12%，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GB 50112—2013）[12]可知，該土樣為中潛勢膨脹土，顆粒級配曲線存在較為明顯的平緩段，故該土樣為缺粒級配。

1.2 黃麻纖維的性質(zhì)

試驗用加筋材料為黃麻纖維，纖維的長度可以達(dá)到1～4 m。如表2所示，黃麻纖維中含有較高含量的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其中纖維素含量最高(高達(dá)60%～70%)。纖維素是一種大分子多糖化合物，可以提高黃麻纖維的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。從表3中可以看出，黃麻纖維的斷裂伸長率為1.5%～1.9%，相對其他加筋纖維來說較大，這使得其在與土體作用的過程中使筋土復(fù)合體的韌性加大，抑制了土體中裂縫的產(chǎn)生，加筋效果明顯好于其他加筋纖維。

1.3 實驗方法

把長度為10 mm黃麻纖維以不同的含量和角度摻入到膨脹土中，利用三軸不固結(jié)不排水試驗探究其在不同的圍壓下對膨脹土的改良效果。黃麻摻加量分為0.2%、0.5%和0.8%三種，黃麻摻加角度分為隨機(jī)、0o、30o、60o、90o，具體摻加方式如圖 1 所示。

圖1 黃麻纖維分布方式圖

2 試樣制備與三軸實驗

2.1 制作三軸試樣

試驗中黃麻纖維長度取10 mm。纖維在土體中隨機(jī)均勻分布時，將纖維與干土手工拌合，使其盡量分布均勻，噴入重量為按最優(yōu)含水率計算得到的水分，

膨脹土的基本物理力學(xué)性質(zhì) 表1

黃麻纖維化學(xué)成份表 表2

黃麻纖維基本物理力學(xué)性質(zhì)表 表3

燜料24h使水分充分?jǐn)U散均勻后進(jìn)行擊實。黃麻纖維在土中呈角度分布時，擊實的過程中均按纖維0o排列進(jìn)行擊實，在三軸試樣制作的過程中再切割出纖維定向排列的試樣。黃麻纖維的添加過程與擊實過程同時進(jìn)行，纖維分三次摻入，每次放入前將下面擊實土樣進(jìn)行拉毛處理，纖維擺放位置如圖2所示。本次試驗中所采用的擊實過程按《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2007）中輕型I-1擊實法進(jìn)行，錘質(zhì)量2.5 kg，錘底直徑5 cm，落高30 cm。

圖2 0°擊實過程中纖維擺放位置示意圖

2.2 三軸實驗

天然狀態(tài)下膨脹性黏土一般含水量較高，滲透性差，不易排水，故本次實驗采用不固結(jié)不排水的方式進(jìn)行。剪切前對試樣加圍壓后即開始剪切，在剪切的過程中（垂直壓力施加的過程中）關(guān)閉排水閥門不允許試樣進(jìn)行排水。實驗步驟參照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2007），當(dāng)軸向應(yīng)力出現(xiàn)峰值時，剪切應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行至超過5%的軸向應(yīng)變?yōu)橹?，?dāng)無峰值時，剪切應(yīng)進(jìn)行到軸向應(yīng)變?yōu)?5%～20%時停止。

本次實驗中素土呈現(xiàn)出剪切破壞，出現(xiàn)明顯的剪切面，加入黃麻纖維試樣的破壞形態(tài)均呈現(xiàn)出塑性破壞。破壞時中間向四周鼓出而兩端較小，可以得出，黃麻纖維的存在抑制了土體的變形，使土體由剪切破壞變?yōu)閴嚎s破壞。

3 三軸試驗結(jié)果

將三軸實驗獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，把每組結(jié)果的（σ1-σ3）峰值點作為該組試樣的破壞點，如果沒有峰值點，則取軸向應(yīng)變?yōu)?5%時所對應(yīng)的點為破壞點。在直角坐標(biāo)圖上以法向應(yīng)力σ為橫坐標(biāo)（kPa），剪應(yīng)力τ為縱坐標(biāo)（kPa）繪制剪切破壞圖，圖中在橫坐標(biāo)上以(σ1f-σ3f)/2 為半徑，(σ1f+σ3f)/2 為圓心（f注腳為破壞）進(jìn)行繪制半圓，不同圍壓下(100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa)所得數(shù)據(jù)分別繪制，做所有圓的公切線，該切線即為強(qiáng)度破壞包線。素土的繪制結(jié)果如圖3所繪制的σ—τ圖中強(qiáng)度破壞包線的斜率和截距分別為不排水內(nèi)摩擦角φu和黏聚力cu。

圖3 素土強(qiáng)度包線圖

圖4 纖維摻加量對黏聚力的影響

可以發(fā)現(xiàn)，纖維的摻入對膨脹土黏聚力的影響范圍要大于對土體內(nèi)摩擦角的影響范圍。

4 結(jié)論

本文以江淮分水嶺地區(qū)廣泛分布的膨脹土為研究對象，把長度為10 mm的黃麻纖維以不同的分布角度和摻加量摻入其中對土體進(jìn)行改良。通過不固結(jié)不排水三軸試驗對所制得的64個試樣進(jìn)行剪切試驗，對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的整理繪圖和分析，本次試驗過程中主要的出了下述結(jié)論：

①在膨脹土中摻加入黃麻纖維可以改變土體的強(qiáng)度特性和變形特性，有效的提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。黃麻纖維的摻入對黏聚力的提高幅度較大（由72 kPa到95 kPa）；對加筋膨脹土的內(nèi)摩擦角的影響范圍較小。

②改變黃麻纖維在膨脹土中的分布角度，可以看出不同程度的提高土體的抗剪特性。綜合來看，黃麻纖維在土中呈不同角度分布的加筋效果從高到低依次為 0°、30°、隨機(jī)均勻分布、60°、90°。

③黃麻纖維的摻加量對纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度有一定的影響?？傮w上來說，纖維對膨脹土抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效果隨著纖維增加量的增加先增大后減小，試驗中當(dāng)黃麻摻加量為0.5%時土體的抗剪強(qiáng)度增加最多，摻加量為0.2%和0.8%時的加筋效果均要低于0.5%時的加筋效果。結(jié)果表明，纖維摻加量存在一個最優(yōu)值，最優(yōu)值下加筋效果達(dá)到最大。