PVA 纖維水泥土的動力特性試驗研究

孫 磊,王依凡,吳 瑕

（宿州學院 資源與土木工程學院,安徽 宿州 234000）

伴隨我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,公路、鐵路（地鐵） 、機場跑道等交通基礎設施的建設規(guī)模不斷擴大。 在上述工程的建設過程中,水泥土的應用最為廣泛,并且在后期服役過程中,水泥土將承受來自汽車、火車與飛機等交通工具的動力荷載及地震的循環(huán)作用。 因此,研究水泥土在循環(huán)荷載作用下的動力特性,對深入揭示水泥土交通路基在循環(huán)荷載作用下的沉降和疲勞破壞等工程特性,進而提升其服役性能意義重大[1-4]。

隨著施工工藝的不斷改進,水泥土已從最初單純的水泥與土的混合物發(fā)展成為集水泥、土、纖維、外加劑等多種材料為一體的復合物,其工程力學性能也在不斷優(yōu)化改進。 比如在傳統(tǒng)水泥土的基礎上加入纖維材料形成纖維水泥土,其韌性得到了有效提升,在一定程度上避免了傳統(tǒng)水泥土因脆性較大而突然發(fā)生斷裂破壞的情況[5]。 目前纖維材料的種類繁多,可以形成不同種類的纖維水泥土,工程中經(jīng)常使用的有玻璃纖維水泥土、玄武巖纖維水泥土、聚丙烯纖維水泥土等。 針對不同種類的纖維水泥土,國內(nèi)外專家學者也開展了一系列研究。 Ates[6]通過試驗發(fā)現(xiàn)玻璃纖維能夠有效減少水泥土發(fā)生破壞時的位移。 沈晨等[7]通過試驗探究了玄武巖纖維長度對水泥土強度及韌性的影響,發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維長度為9 mm 和12 mm 時對水泥土力學性能的改善最為明顯。 梁仕華等[8]通過試驗發(fā)現(xiàn)在水泥土中摻入0.4%的聚丙烯纖維能夠提升其無側限抗壓強度,且能夠有效延緩水泥土裂縫的發(fā)展。 然而,上述研究多基于靜力學的視角,沒有考慮動力荷載效應。 陳善民等[9]通過三軸循環(huán)剪切試驗和共振柱試驗探究了水泥土的動力特性,并提出了雙曲線函數(shù)形式的動態(tài)本構模型。 王軍等[10]通過逐級三軸循環(huán)加載試驗并結合雙曲線修正模型構建了水泥土應力-應變關系的經(jīng)驗模型。 張鵬等[11]基于共振柱試驗探究了水泥摻量、圍壓和剪應變水平等對水泥土動剪切模量和阻尼比的影響。 馬芹永等[12]通過沖擊壓縮和動態(tài)劈裂試驗探究了玄武巖纖維對水泥土在爆炸沖擊荷載過程中能量吸收及碎塊塊度分布特征的影響。 曹海等[13]通過沖擊試驗探究了玄武巖纖維摻量對水泥土沖擊劈裂性能的影響,指出當玄武巖纖維摻量為1.5%時,水泥土的沖擊劈裂強度和吸收能達到極大值。 王閔閔等[14]通過三軸循環(huán)加載試驗研究了聚丙烯纖維和玄武巖纖維對水泥土動強度和動彈性模量的影響,進一步證實了纖維摻量及種類對水泥土動力特性具有顯著影響。

綜上所述,目前關于水泥土與纖維水泥土的靜力和動力特性均已開展了大量試驗及理論研究,但還鮮有纖維長度對水泥土動剪切模量和阻尼比等動力特性影響的研究。 因此,本研究通過動三軸循環(huán)剪切試驗,探討了不同纖維長度條件下聚乙烯醇（PVA） 纖維對水泥土動力特性的影響,研究結論有助于加深對纖維水泥土動力特性的認知,可為工程實踐提供更加科學的理論依據(jù)和指導。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器

本試驗采用DSZ-2 型電磁振動三軸測試系統(tǒng)（圖1） 進行。 該系統(tǒng)采用電磁振動施加動應力,氣壓提供靜壓力,提供方波、三角波、正弦波、半正弦波、鋸齒波等多種波形的動力加載,加載頻率為0 ～10 Hz,可以實現(xiàn)對地震、交通、風浪等動態(tài)作用的模擬。

圖1 DSZ-2 型電磁振動三軸測試系統(tǒng)Fig.1 DSZ-2 electromagnetic vibration triaxial apparatus

1.2 試驗材料及試樣制備

試驗所用材料主要包括粉質(zhì)黏土、水泥和PVA 纖維。 粉質(zhì)黏土取自安徽宿州某在建工程工地基坑內(nèi),經(jīng)實驗室基本物理指標測定可知,其相對密度約為2. 69,最優(yōu)含水率約為21. 3%,液限和塑限分別為37.27%和24.64%,塑性指數(shù)為12.63,最大干密度約為1.71 g/cm3;水泥為海螺牌P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥;PVA 纖維采購自長春化工（江蘇） 有限公司,選擇纖維長度為3 mm、6 mm、9 mm 和12 mm 4 種規(guī)格,單絲直徑約為30 μm,抗拉強度約為1 100 MPa,彈性模量約為30 GPa,密度約為1.5 g/cm3。 PVA 纖維水泥土試樣制作的基本流程如圖2 所示。

圖2 PVA 纖維水泥土三軸試樣制備流程Fig.2 Triaxial sample preparation process of PVA fiber reinforled cement soil

本研究主要探究PVA 纖維長度對土體動力特性的影響,制樣時控制水泥摻量統(tǒng)一為干土質(zhì)量的5%,水灰比（質(zhì)量比） 按0.5 控制,纖維摻量統(tǒng)一為干土質(zhì)量的0.2%,三軸試樣高80 mm、直徑39.1 mm,詳細步驟如下:

1） 將工地現(xiàn)場所取土體在實驗室烘干、破碎并過2 mm 篩,按照21.3%的最優(yōu)含水率用噴壺將自來水噴在土樣表面并攪拌均勻,隨后裝入密封袋中浸潤24 h,備用。

2） 根據(jù)配合比取定量的土樣、水泥和PVA 纖維混合并攪拌均勻,利用三軸靜壓加載裝置和模具,采用分層壓實法制備標準的圓柱體三軸試樣。

1.3 試驗方法

本試驗主要模擬剛施工完成工況下的水泥土動力特性,同時考慮到地下水、降雨及儀器等因素的影響,故采用飽和試樣進行動力特性測試。 PVA 纖維水泥土飽和試樣三軸循環(huán)加載試驗基本流程見圖3。

圖3 PVA 纖維水泥土三軸循環(huán)加載試驗流程Fig.3 Cyclic triaxial test process of PVA fiber reinforced cement soil

如圖3 所示,PVA 纖維水泥土三軸動力測試流程可大致分為以下3 個步驟:

1） 首先將制備好的水泥土三軸試樣裝入飽和器中,然后放入真空飽和缸內(nèi)并注入自來水直至漫過飽和器,最后連接真空泵抽真空飽和,一般持續(xù)48 h 以確保試樣充分飽和。

2） 待試樣飽和完成后取出三軸飽和器中的水泥土試樣并在其周邊和上下端貼上濾紙,隨后利用橡皮膜對試樣進行包裹并安裝固定到三軸壓力室底座上,整個過程盡量避免對試樣的擾動。

3） 安裝三軸壓力室外罩,打開進水閥向壓力室注入無氣水直至漫過試樣頂部約1 cm 后關閉。 在試樣前期抽真空飽和的基礎上進一步利用反壓對試樣進行二次飽和,待試樣的飽和度達到96%以上則認為試樣處于完全飽和狀態(tài),隨后保持反壓恒定繼續(xù)增大圍壓到試驗方案設定值使試樣排水固結,整個固結過程持續(xù)48 h。 待試樣固結完成后關閉排水閥,利用設備自帶的動模量和阻尼測試軟件,選擇圖3 中所示的正弦波并輸入相關參數(shù)（圍壓、頻率、動應力幅值、循環(huán)次數(shù)等） 進行逐級循環(huán)加載,軸向動態(tài)偏應力幅值qd分10 級,按照0.1 倍的圍壓值逐級增大,加載頻率選擇1 Hz,每一級循環(huán)加載10 次。 具體試驗方案如表1 所示。

表1 動三軸試驗方案Tab.1 Cyclic triaxial test plan

2 結果與分析

2.1 動態(tài)剪切模量與阻尼比的定義

土體動態(tài)剪切模量（Gd） 和阻尼比（λd） 的確定通常采用動態(tài)單剪試驗,圖4 為土體在動態(tài)單剪試驗下的典型動剪應力與剪應變（γd） 關系曲線。 連接圖4 中滯回曲線最低點（C） 與最高點（A） 可得直線AC,其斜率定義為Gd;λd通常用于表征土體在循環(huán)荷載作用下的能量耗散,其定義如下:

圖4 動剪應力和γd 關系曲線Fig.4 The relation curve of dynamic shear and γd

式中:WD為圖4 中滯回曲線的面積;WS為圖4 中三角形OAB的面積。

由于本研究采用的是動態(tài)三軸試驗,故需要通過如下?lián)Q算得到動態(tài)剪切模量[15],即

式中:μ為泊松比,當土體處于飽和狀態(tài)時取0.5;εd和Ed分別為動三軸試驗中土體的軸向應變和動彈性模量。

2.2 圍壓對Gd 和λd 的影響

圖5 給出了PVA 纖維摻量和纖維長度一定（w=0.2%,L=6 mm） 時,不同圍壓下水泥土試樣在逐級循環(huán)加載作用下的Gd隨γd的變化曲線。 從圖5 可以看出,PVA 纖維水泥土在不同圍壓下的Gd-γd關系曲線基本類似,隨γd的增大,Gd逐漸衰減,同等γd水平下,圍壓越高,Gd越大;此外,圖5 中的曲線還表明圍壓對PVA 纖維水泥土Gd的影響程度隨著γd的增大逐漸減弱。 根據(jù)圖5 中曲線變化特點發(fā)現(xiàn),可以采用雙曲線函數(shù)對Gd與γd的關系曲線進行擬合,即

圖5 不同圍壓下Gd 與γd 的關系Fig.5 Relationship between Gd and γd under different confining pressures

式中:a和b為擬合參數(shù)。 擬合結果如圖5 中的虛線所示,可見擬合值與實測值吻合較好。

進一步對不同圍壓下纖維水泥土試樣的Gd采用最大動剪切模量（Gdmax） 進行歸一化處理,結果如圖6所示。 其中,Gdmax可利用式（4） 通過外推法確定,當γd=0 時,Gdmax=1/a,對應于圍壓50、100、200、300 kPa,Gdmax分別為172.71、181.49、191.94、204.92 MPa。 從圖6 可以看出,當PVA 纖維摻量和長度一定時,同等γd水平下,歸一化動剪切模量（Gd/Gdmax） 伴隨圍壓的增大逐漸變小。 此外,不同圍壓下的Gd/Gdmax與γd之間近似存在良好的非線性關系且與圍壓有關,Gd/Gdmax與γd的關系曲線同樣符合雙曲線函數(shù)的變化特征,可采用式（4） 進行擬合,結果如圖6 所示。

圖6 不同圍壓下Gd/Gdmax 與γd 的關系Fig.6 Relationship between Gd/Gdmax and γd under different confining pressures

為分析圍壓對PVA 纖維水泥土λd的影響,進一步繪制了相同條件（w=0.2%,L=6 mm） 下,水泥土試樣在不同圍壓下逐級循環(huán)加載所獲得的λd隨γd的變化曲線,見圖7。 從圖7 可以發(fā)現(xiàn),隨著γd的增大,λd呈現(xiàn)出與圖5 完全相反的演化規(guī)律,即伴隨γd的增大逐漸增大。 此外,同等剪應變水平下,隨著圍壓的增大,λd逐漸變小。

圖7 不同圍壓下λd 與γd 的關系Fig.7 Relationship between λd and γd under different confining pressures

2.3 纖維長度對Gd 和λd 的影響

圖8 為PVA 纖維摻量和圍壓一定（w=0.2%,p′0=100 kPa） 時,不同纖維長度條件下,水泥土試樣Gd隨γd的變化曲線。 從圖8 中可以看出,摻入不同長度PVA 纖維的水泥土在循環(huán)荷載下的Gd隨著γd的增大逐漸降低。 對比圖8 中的曲線可以發(fā)現(xiàn),當γd一定時,PVA 纖維越長,水泥土試樣的Gd就越大,說明纖維長度對水泥土的Gd具有重要影響,然而伴隨γd的增大,影響逐漸減弱。 圖8 中虛線為采用式（4） 對實測Gd與γd的關系曲線擬合的結果,可見擬合效果較好。

圖8 不同纖維長度下Gd 與γd 的關系Fig.8 Relationship between Gd and γd under different fiber lengths

根據(jù)圖8 中Gd與γd的關系曲線擬合結果可以確定,L為3、6、9、12 mm 時,水泥土試樣的Gdmax分別為161.29、181.49、200.04、216.93 MPa。 采用Gdmax對圖8 中纖維水泥土試樣的Gd進行歸一化處理,結果如圖9 所示。 從圖9 可以看出,Gd/Gdmax與γd之間存在良好的非線性關系且與纖維長度有關,采用式（4） 的雙曲線函數(shù)進行擬合,結果如圖9 中的虛線所示。 進一步對比圖9 和圖8 可以看出,在PVA 纖維摻量、圍壓等試驗參數(shù)以及γd水平相同的工況下,隨著PVA 纖維長度的增加,Gd/Gdmax與Gd呈現(xiàn)出完全相反的演化規(guī)律。

圖9 不同纖維長度下Gd/Gdmax 與γd 的關系Fig.9 Relationship between Gd/Gdmax and γd under different fiber lengths

PVA 纖維摻量和圍壓一定（w=0.2%,p′0=100 kPa） 時,不同PVA 纖維長度條件下水泥土試樣λd隨γd的演化規(guī)律如圖10 所示。 圖10 中的曲線表明,纖維長度對水泥土試樣的λd具有一定影響,且影響程度隨著γd的增大逐漸增強,在給定的γd水平下,纖維越長,水泥土試樣的λd越小。

圖10 不同纖維長度下λd 與γd 的關系Fig.10 Relationship between λd and γd under different fiber lengths

3 結論

1） PVA 纖維水泥土的動剪切模量隨著剪應變的增大逐漸變小,兩者之間的關系可通過雙曲線函數(shù)加以表征,其他試驗參數(shù)一定時,增大圍壓和PVA 纖維長度均能夠提高水泥土的動剪切模量。

2） 通過回歸分析結合外推法確定PVA 纖維水泥土的最大動剪切模量,并對不同工況下的動剪切模量進行歸一化處理,Gd/Gdmax-γd關系曲線同樣可以用雙曲線函數(shù)加以描述,且與圍壓和PVA 纖維長度有關。

3） PVA 纖維水泥土的阻尼比隨著剪應變的增大逐漸增大,且受圍壓和PVA 纖維長度的影響,影響程度隨著剪應變的增加逐漸增強;其他試驗條件一致時,PVA 纖維水泥土的阻尼比隨著圍壓的增大或PVA 纖維長度的增加逐漸變小。