聚丙烯纖維改良膨脹土干縮裂隙試驗(yàn)研究

黃芙蓉 方雅蓉 譚夢(mèng)娟 汪 卓 李 佳 王 亮 郭 鴻

（1.陜西理工大學(xué)土木工程建筑學(xué)院，陜西漢中 723001；2.陜西理工大學(xué)人居環(huán)境科研學(xué)社，陜西漢中 723001；3.陜西理工大學(xué)秦巴山地巖土環(huán)境與災(zāi)害防治研究中心，陜西漢中 723001）

0 引言

膨脹土，也被稱為“脹縮性土”，內(nèi)含蒙脫石、伊利石等多種黏土礦物，親水性極強(qiáng)，是一種具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水后承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性的高塑性黏土，其性質(zhì)極不穩(wěn)定[1-3]。膨脹土的這種特殊性質(zhì)使得其強(qiáng)度不穩(wěn)定，工程性質(zhì)較差，修建于其上的筑物易出現(xiàn)的不同程度的開裂、位移、傾斜等一系列工程問(wèn)題，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全[4]。因此，改善膨脹土的脹縮性、控制膨脹土的干縮裂隙發(fā)育、保障膨脹土地區(qū)工程建設(shè)順利開展，一直是學(xué)術(shù)界以及工程界關(guān)注的重點(diǎn)，對(duì)預(yù)防膨脹土類地質(zhì)災(zāi)害有非常重要的工程實(shí)踐價(jià)值。

已有眾多學(xué)者針對(duì)研究膨脹土的脹縮裂隙機(jī)理開展了一系列的試驗(yàn)研究。梅智鵬[5]通過(guò)開展植物根系對(duì)膨脹土干縮裂隙抑制模擬試驗(yàn)研究了膨脹土干縮裂隙發(fā)展演化的過(guò)程。郝建斌等[6]通過(guò)研究粉煤灰－劍麻纖維復(fù)合改良膨脹土的效果和機(jī)理得到塑性鼓脹型破壞圖，從而證實(shí)了在膨脹土中摻入粉煤灰和劍麻纖維可以有效地抑制膨脹土裂隙的發(fā)育及其擴(kuò)展。黎 偉等[7]研究了膨脹土裂隙特征、裂隙深度及其表面特征關(guān)系。韋秉旭等[8]通過(guò)對(duì)室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)研究了裂隙網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)和形態(tài)特征隨循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律，進(jìn)而描述了裂隙的發(fā)育程度。Julina 等[9]通過(guò)試驗(yàn)研究了初始水力梯度對(duì)干燥膨脹土試樣潤(rùn)濕過(guò)程中膨脹、摻和及導(dǎo)水率的影響。曾 浩等通過(guò)試驗(yàn)研究了土體干縮裂隙發(fā)育方向及演化特征[10]。尋找有效的膨脹土改良方法也是研究的重點(diǎn)。膨脹土改良通?？梢苑譃榛瘜W(xué)改良方法和物理改良方法兩種[11]，相較于化學(xué)改良方法，物理改良方法不存在時(shí)效性差問(wèn)題[12]，改良后膨脹土不會(huì)出現(xiàn)二次膨脹破壞，因此應(yīng)用更加廣泛。

基于此，本試驗(yàn)以漢中某地的膨脹土為研究對(duì)象，采用物理改良方法在其中加入不同含量的聚丙烯纖維，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究改良后膨脹土隨聚丙烯纖維摻量增加的裂隙發(fā)育情況，以及比較干濕循環(huán)下膨脹土和改良后膨脹土的裂隙發(fā)育與擴(kuò)展實(shí)際情況。為膨脹土改良提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，所得成果在膨脹土路基工程的設(shè)計(jì)和施工中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)制備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的膨脹土取自陜西省漢中市城固縣的柳林機(jī)場(chǎng)，土體呈黃褐色，土質(zhì)堅(jiān)硬，裂隙較發(fā)育，含鈣質(zhì)礦物。將取回的膨脹土進(jìn)行自然風(fēng)干、碾碎，過(guò)2 mm 篩，測(cè)量其相關(guān)物理指標(biāo)（見(jiàn)表1、表2）。試驗(yàn)所用的纖維是一種高強(qiáng)、高模、低伸的聚丙烯纖維，呈雪白色單束絲狀，見(jiàn)圖1。

圖1 聚丙烯纖維

表1 膨脹土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 聚丙烯纖維基本物理性質(zhì)指標(biāo).

1.2 試樣制備

（1）為配制一定含水率的土樣，取過(guò)2 mm 篩的足夠試驗(yàn)用的風(fēng)干土1 kg，平鋪在不吸水的盤內(nèi)，按規(guī)程計(jì)算所需的加水量，用噴霧器噴灑預(yù)計(jì)的加水量靜置一段時(shí)間后，裝入玻璃缸內(nèi)蓋緊，潤(rùn)濕一晝夜以備用；

（2）將備用的膨脹土分為8 組試樣，每組凈重100 g；

（3）準(zhǔn)備7 個(gè)質(zhì)量添加百分比為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%和1.4%聚丙烯纖維試樣；

（4）將每組膨脹土100 g 試樣和70 g 水用攪拌器充分拌勻，制成70%初始含水率的膨脹土泥漿；

（5）將每組膨脹土泥漿分別均勻倒入玻璃培養(yǎng)皿（直徑10 cm，厚度2 cm）中，并進(jìn)行標(biāo)號(hào)和稱重（其中素膨脹土用N1 標(biāo)記，其余摻量用F1-F7 標(biāo)記）。

需要說(shuō)明的是，摻加纖維的膨脹土泥漿采用分層添加法：先將部分素膨脹土泥漿均勻鋪在玻璃培養(yǎng)皿底部，再均勻添加一層纖維，共添加3 層纖維，重復(fù)步驟5，以確保纖維全部均勻添加到膨脹土泥漿內(nèi)。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）提前預(yù)熱烘箱至60 ℃，將所有試樣小心放入烘箱內(nèi)中；

（2）放入烘箱19 h 后取出試樣進(jìn)行稱重和表面拍照；

（3）直到每個(gè)試樣表面完全干燥，質(zhì)量和表面裂隙不再變化時(shí)停止烘箱內(nèi)蒸發(fā)；

（4）分析不同試樣的蒸發(fā)情況及表面裂隙圖像。

2 干縮裂隙圖像分析

以試驗(yàn)溫度為60 ℃的情況為例，在蒸發(fā)19 h后分析聚丙烯纖維素的摻入以及膠凝材料用量對(duì)其裂隙形態(tài)所產(chǎn)生的影響，如圖2 所示。

圖2 不同聚丙烯纖維摻量下膨脹土裂隙形態(tài)（60 ℃，19 h）

由圖2 可知，相同的溫度條件下聚丙烯纖維改良后的膨脹土較素膨脹土有更多的裂縫，但比素膨脹土表面上的裂縫更加均勻。同時(shí)，改良后膨脹土表層的裂縫相對(duì)細(xì)長(zhǎng)、狹窄，裂縫更密集且集中在中心區(qū)域，大多數(shù)裂縫未形成貫通[13]。此外，聚丙烯纖維的數(shù)量越少，土中出現(xiàn)的裂縫就越少，但裂縫越寬。聚丙烯纖維含量越多，膨脹土裂隙越小，且呈現(xiàn)越來(lái)越密集。從裂隙深度上看，素膨脹土呈現(xiàn)出的裂隙最深，隨著聚丙烯纖維摻量增多，裂隙越來(lái)越淺，且越來(lái)越細(xì)。在實(shí)際的建筑工程中，如果土體裂縫越長(zhǎng)、越寬，那么在強(qiáng)降雨的情況下，水體越容易順著裂隙滲入土體內(nèi)部，從而引起土體黏聚力和內(nèi)摩擦角急劇降低，發(fā)生不同程度的變形與破壞。膨脹土干縮裂隙的條數(shù)和寬度反映了聚丙烯纖維對(duì)膨脹土加固的影響。通過(guò)60 ℃蒸發(fā)條件下的膨脹土裂隙情況為例分析，充分說(shuō)明聚丙烯纖維對(duì)膨脹土干縮裂隙的裂縫有明顯的抑制作用，且隨著纖維含量的增加，抑制作用更加明顯。

3 結(jié)果與分析

3.1 含水率及水分蒸發(fā)速率變化

應(yīng)用試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，按照含水率計(jì)算式（見(jiàn)式（1））和蒸發(fā)速率計(jì)算式（見(jiàn)式（2））分別計(jì)算并得到在試驗(yàn)溫度為60 ℃條件下，0 h、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、7 h、8 h、9 h、19 h 下所有不同纖維摻量試樣的含水率和蒸發(fā)速率隨時(shí)間變化而變化的曲線圖（見(jiàn)圖3）。

圖3 不同纖維摻量試樣含水率和蒸發(fā)速率隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線（60 ℃）

式中：w為 含水率，%；m為濕土重，g；md為土粒重，g；u為 蒸發(fā)速率，g·mm-2·h-1；Δm為 水份減少量，g；s為土面積，mm2；h為時(shí)間，h。

由圖3 可以得出，在溫度相同、纖維摻量不同的條件下，試樣的含水率、蒸發(fā)速率隨時(shí)間變化曲線具有相同的趨勢(shì)，即隨著時(shí)間的增加，含水率、蒸發(fā)速率都呈下降趨勢(shì)。

從圖3（a）可以看出，試樣在觀察期0～9 h 內(nèi)，含水率下降幅度最大，除纖維摻量為0.2% 的試樣外，其余摻量膨脹土的失水量隨時(shí)間增加而近似呈線性變化。纖維含量為1.2%的曲線斜率最緩和其試樣的含水率最大，纖維含量為0.2% 的曲線斜率最大，殘余含水量最低即含水率最低。9 h 后，其下降幅度明顯減緩，并逐漸趨于0。因此可以看出在9 h 時(shí)曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)試樣含水量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，觀察在此拐點(diǎn)時(shí)試樣的裂隙狀態(tài)，其裂隙已無(wú)明顯變化，裂隙的發(fā)展已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

從圖3（b）可以看出，試樣蒸發(fā)速率總體呈下降趨勢(shì)，在0～10 h 蒸發(fā)速率變化緩慢，而在10～12 h內(nèi)，蒸發(fā)速率變化顯著，此時(shí)膨脹土的干縮裂隙程度最大，12 h 以后又逐漸趨于穩(wěn)定。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，纖維摻量為0.6%的試樣，蒸發(fā)速率最快，纖維摻量為0.4%的試樣蒸發(fā)速率最慢。說(shuō)明在相同的條件下，纖維摻量對(duì)膨脹土中水分的蒸發(fā)率有直接影響。實(shí)際工程中，通過(guò)纖維摻加率可以控制基地土中的蒸發(fā)速率。

3.2 裂隙節(jié)點(diǎn)數(shù)和裂隙條數(shù)

壓實(shí)膨脹土表面與裂隙參數(shù)之間存在一定的關(guān)系[14]。在膨脹土干縮裂隙，裂縫節(jié)點(diǎn)[15]和裂縫的數(shù)量有一定的規(guī)則。本文分析了膨脹土干縮裂隙穩(wěn)定時(shí)節(jié)點(diǎn)和裂縫的數(shù)量，定義了一個(gè)比率關(guān)系，其表達(dá)式為：

式中：Sb為樣品中裂紋的數(shù)量；Sc為樣品中的節(jié)點(diǎn)數(shù)。該值可以表示膨脹土干縮裂縫的“分割”程度。根據(jù)圖2 分析，當(dāng)比值較大時(shí)，表明有更多的膨脹土塊被裂縫分隔，裂縫和裂縫處于穩(wěn)定階段。當(dāng)比值較小時(shí)，表明裂縫分隔的土體塊數(shù)減少，裂縫交叉現(xiàn)象更加明顯。根據(jù)試樣干縮裂紋穩(wěn)定后獲得的裂紋分析該值，如表3 所示。

表3 不同膨脹土試樣裂隙數(shù)、裂隙節(jié)點(diǎn)數(shù)和比值（60 ℃）

由表3 可以看出，不同試樣具有不同的裂隙數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)。由分析可得：裂隙數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)在不斷增加的同時(shí)，裂隙寬度也在不斷減小。

4 結(jié)論

在相同蒸發(fā)溫度（60 ℃）下，對(duì)不同纖維摻量的膨脹土試樣產(chǎn)生的干縮裂隙進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得到了如下結(jié)論：

（1）纖維摻量對(duì)膨脹土的蒸發(fā)速率和含水率均有直接影響，當(dāng)纖維摻量為0.2%時(shí)實(shí)際含水率變化最大，纖維摻量為0.6%時(shí)實(shí)際蒸發(fā)速率變化最大。

（2）通過(guò)干縮裂隙的圖像分析以及裂隙數(shù)和裂隙節(jié)點(diǎn)的比值分析發(fā)現(xiàn)，隨著纖維摻量的增加，干縮裂隙數(shù)量變多，分布變均勻，寬度變小，說(shuō)明添加纖維后土體受力更均勻，纖維對(duì)干縮裂隙的抑制作用明顯。