膨脹合成纖維土工程特性研究

潘洋，邱模清，張虹

（1.安徽省交通航務(wù)工程有限公司，安徽 合肥 230001；2.中化學(xué)南方建設(shè)投資有限公司，廣東 廣州 341000）

1 引言

膨脹土[1]是在自然地質(zhì)發(fā)展過程形成的具有明顯脹縮性和多裂隙的黏性地質(zhì)土體，亦稱脹縮土，有的地方稱為裂隙粘土。膨脹土由于其失水收縮、遇水膨脹的特性在工程建設(shè)中一直以來都是屢見不鮮的病害原因之一[2]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，石灰、水泥等穩(wěn)定劑在土性改良上發(fā)揮很大作用[3-4]，也可以通過添加纖維作為一種加筋材料，以提高填筑土的工程性質(zhì)[5-6]。

本文主要將不同特性的纖維（聚酯纖維（JZXW）、聚乙烯醇纖維(JYXC)、聚丙烯纖維(JBX)等）添加到膨脹土土質(zhì)中。通過室內(nèi)試驗分析研究，摻加水泥、石灰、粉煤灰等無機料形成無機穩(wěn)定土，研究纖維種類、纖維摻量、纖維長度等參數(shù)對無機穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度及應(yīng)力-應(yīng)變特性等變化情況研究。

2 不同纖維膨脹土穩(wěn)定土的應(yīng)力-應(yīng)變試驗研究

本文進行室內(nèi)試驗的膨脹土取自合肥某一市政工程，并按研究試驗設(shè)計方案進行配土制樣，進行摻加不同纖維穩(wěn)定土的三軸剪切試驗，試樣尺寸（直徑×高度）為D×H=39.1mm×80mm。試樣為水泥摻量6%，聚乙烯醇（JYXC）纖維（摻量0.3%，長度9mm），標準養(yǎng)護1天。其他纖維的試驗規(guī)律相同。為減小試驗的誤差，每組試樣做3個平行試驗取平均值。試驗制樣時，把干密度作為控制標準，通過擊實的方式制備試樣，并確保試樣的體積相同。

從圖1中可以看出，樣品的形態(tài)會受到剪切的影響。在施加不同的力作用下，試樣發(fā)生的形變具有力的方向縮減、垂直力的方向變大的特點。在試樣的中間地方會出現(xiàn)明顯的膨脹變形，并且，試樣的剪切面不是一個簡簡單單的一維平面，而是一個緩慢變化的立體結(jié)構(gòu)。造成這種現(xiàn)象的原因是，當施加的力較小的時候，在力的方向上的形變很小，樣品表現(xiàn)出脆性破壞的特征；微觀上來說的話，在力的作用下，顆粒會趨向于定向排列，顆粒之間的受到的作用力情況不是很復(fù)雜。但施加的外力變大的時候，在力的方向上的形變也隨之變大，樣品表現(xiàn)出塑性破壞的特征，這時候樣品被壓實，只能通過向垂直于力的方向擴張來抵消這個作用，造成顆粒也會沿著這個方向發(fā)生移動，從而，這時候的作用力也會變得復(fù)雜。

圖1 試樣剪切前后變化

試驗數(shù)據(jù)見表1所示，試樣剪切前后的外形變化情況如圖1所示，不同纖維穩(wěn)定土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，其他纖維穩(wěn)定土的曲線規(guī)律相同。

水泥摻量6%長度9mm纖維摻量0.3%的聚乙烯醇穩(wěn)定土三軸試驗數(shù)據(jù) 表1

圖2 水泥摻量6%長度9mm纖維摻量0.3%的JYXC三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖2可以看出，當軸向位移的數(shù)值變大的時候，應(yīng)力-應(yīng)變曲線會出現(xiàn)一些細小的波動，而不是想象中的非常的平滑。造成這種現(xiàn)象的原因是當樣品的受力達到一定值以后，內(nèi)部微觀的顆粒排列方式會發(fā)生變化，這樣會造成其受力的不均勻分布，從而造成上述這種波動現(xiàn)象的產(chǎn)生。

無機穩(wěn)定土的三軸剪切試驗的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線差不多是一樣的。不同情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都表現(xiàn)出三個階段的變化：①線彈性變形階段，該階段的主應(yīng)力差隨著軸向應(yīng)變的增大而近似呈線性增大，而且經(jīng)歷的時間較短；②初始屈服階段，該階段曲線的切線斜率迅速下降；③平緩收斂階級，當樣品的形變繼續(xù)增大的時候，顆粒之間的作用也會隨之變大，從而相互之間會產(chǎn)生各種作用力，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中表現(xiàn)出應(yīng)變軟化收斂。這個階段的存在時間會比較長，直到最后樣品發(fā)生完全的失效。

在不同的壓力作用下，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都具有非線性的特點，類似于雙曲線函數(shù)[7]。隨著圍壓的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)化，圍壓較大時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線變得更陡峭，也就表明它的斜率會很大，同時它的最大值也會很大，這樣會造成土砂顆粒在剪切破壞的時候遇到較大的阻力，也就會表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化；相反，當所加的外力較小的時候，這時候土砂顆粒受到的阻力也會較小，能夠在較小的力作用下就能達到最大應(yīng)力值，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化，這跟邱模清等的研究規(guī)律是一致的[8]。

從圖3可以看出：不同纖維摻雜的膨脹土均表現(xiàn)出三階段變化，即線彈性變形階段、初始屈服階段和平緩收斂階段；對于不同的纖維而言，當摻雜量提升的時候，其最大應(yīng)力都會逐漸變大，且高摻雜比例下的變化幅度要更大。對于應(yīng)變而言，隨著摻雜量的變大，表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢；在相同的摻雜量下，不同纖維所能承受的最大應(yīng)力排序為聚乙烯醇纖維＞聚酯纖維＞聚丙烯纖維，這說明，相比較于其他兩種纖維而言，聚乙烯醇纖維具有更優(yōu)異的力學(xué)性能。

圖3 不同纖維穩(wěn)定土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 不同纖維膨脹土穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度特性分析

由于纖維穩(wěn)定土的強度隨著時間增長而增大，它的破壞形式也會發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為脆性破壞和彈塑破壞，并且隨著所產(chǎn)生應(yīng)變的變大，它的應(yīng)力變化會出現(xiàn)最大值，一般來講，他們的無側(cè)限抗壓強度試驗過程主要分為初始壓密階段、線彈性變形階段、塑性屈服階段和軟化收斂階段等四個變形階段。

①初始壓密階段：在樣品制備的過程中，各種東西的相互混合會產(chǎn)生一定的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生一定的熱量，這就會造成制備的樣品內(nèi)部會存在一定的縫隙。當受到外力作用的時候，這些空隙被壓實，從而造成其密度變大、彈性模量增大，使得在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中表現(xiàn)出微乎其微的下降趨勢，但這個階段持續(xù)的時間不會很長。

②線彈性變形階段：在上述階段以后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出線性變化，也就是應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而增大，并且增長率相對較大，樣品進入彈性變形階段，并且，這個階段的持續(xù)時間較長。從微觀上來看的話，在這種情況下，樣品表面會出現(xiàn)一些微小的裂縫。

③塑性屈服階段：在線型變化階段以后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出非線性的變化，也就是應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系不是線性的，應(yīng)力的增長率變緩，樣品進入塑性變形階段，并且，在這個階段會出現(xiàn)應(yīng)力的最大值。從微觀上來看的話，由于應(yīng)變的不斷變大，樣品表面的裂縫會逐漸變寬，并且不斷地深入，軸向出現(xiàn)明顯的減縮，橫向向外膨脹，表面的一些土砂顆粒會發(fā)生掉落。

④軟化收斂階段：當應(yīng)變繼續(xù)增大的時候，應(yīng)力不增反降，最終達到一個穩(wěn)定值，這時候曲線的斜率是負的，斜率也表現(xiàn)出先減小后不變的趨勢。密實度和彈性模量均減小，它的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)出收斂的狀況。這個階段樣品存在明顯的應(yīng)力集中，裂縫在整個樣品中都會存在，試樣顆粒開始掉落，這是最后一個階段，直到實驗的結(jié)束。

在本實驗中，無側(cè)限抗壓強度試驗的儀器采用山東威海市試驗機械制造有限公司生產(chǎn)的微機控制式電子萬能試驗機，試樣為尺寸70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方體試塊。該試驗主要是為了研究在不同纖維種類在不同水泥摻量配比下穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度特性規(guī)律。試樣的纖維摻量為0.3%，長度為9mm，水泥摻量分別為3%、4.5%、6%，標準養(yǎng)護28天。

從圖4可以看出，在同一纖維穩(wěn)定土下，膨脹土摻量越大，曲線出現(xiàn)峰值應(yīng)力的狀態(tài)更加明顯，強度增強，變形模量增大，其無側(cè)限抗壓的峰值強度越大，且強度增長速率越明顯。同一水泥摻量下，加固效果的優(yōu)劣為：聚乙烯醇纖維（JYXC）＞聚酯纖維（JZXW）＞聚丙烯纖維（JBX）。所以，在接下的實驗中我們選取不同規(guī)則的聚乙烯醇纖維進行相關(guān)的表征。

圖4 膨脹土穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度關(guān)系曲線（纖維摻量0.3%、長9mm）

由表2可知：纖維摻入土體后，土體的內(nèi)摩擦角變化不是很大，幾乎都在一個范圍內(nèi)波動，但隨著纖維含量的增加，粘聚力的提高比較明顯，但增加幅度不斷減小。同一纖維穩(wěn)定土且膨脹土摻量相同時，纖維長度越長，無側(cè)限抗壓強度越大，且呈收斂趨勢變化，最佳長度為9 mm左右。相同條件下?lián)饺?2 mm纖維的穩(wěn)定土，其無側(cè)限抗壓強度是摻入3mm纖維時的1.2倍左右。

不同纖維摻量、長度下的三軸試驗抗剪強度數(shù)據(jù) 表2

4 結(jié)論

將不同特性的纖維（聚酯纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維等）添加到膨脹土中。研究了纖維種類、纖維摻量、纖維長度等參數(shù)對無機穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度及應(yīng)力-應(yīng)變特性等變化情況，發(fā)現(xiàn)相比較于其他兩種纖維，聚乙烯醇纖維表現(xiàn)出更高的性能，當其摻雜量變化時，其性能也會相應(yīng)地發(fā)生變化。在長度方面，實驗中發(fā)現(xiàn)最佳的纖維長度為9 mm，這能夠為相關(guān)生產(chǎn)活動提供借鑒意義。