纤维水泥粉砂土耐久性试验研究

2011-05-04李宏波

铁道建筑 2011年9期

王勃，李宏波，田帅

(1.中交二公局第三工程有限公司，西安 710016;2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021;3.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021)

宁夏地区多条用粉砂土填筑的路基，经受车辆和冻融作用，路面开裂较为严重。宁夏处于季节性冻土区，冬季冰雪覆盖，路基土体中自由水凝结成冰，使含水量下降，土体开始出现形变;春季冰雪融化，含水量增加，路基强度随之下降，易产生冻胀和翻浆等冻害现象［1-4］。破坏路基承载力，严重损害了道路的使用质量。通过以往纤维土在道路工程上的研究和应用，发现纤维土作为一种新的路用材料，通常具有良好的抗拉性能。基于宁夏银川地区粉砂土路基的现状，结合实际情况，在粉砂土中掺入一定量的聚丙烯纤维，以研究其掺入量对粉砂土路基耐久性的影响规律。

1 试验内容

1.1 试验材料

加筋用的纤维为聚丙烯纤维丝，水泥为硅酸盐水泥。

1.2 击实试验

由击实试验得出粉砂土的最佳含水量为12.9%，最大干密度为1.936 g/cm3。3%水泥粉砂土的最佳含水量为13.8%，最大干密度为1.943 g/cm3。

1.3 三轴试验

根据文献［5］的试验分析，本次试验主要分析干湿循环和冻融循环对粉砂土和纤维粉砂土力学性能的影响。试验分组:粉砂土(1#)和纤维掺量分别为0.1%，0.2%，0.3%的粉砂土(2#～4#);水泥粉砂土(5#)和纤维掺量分别为 0.1%，0.2%，0.3%的水泥粉砂土(6#～8#)。共分为两大组(一组干湿循环试验，一组冻融循环试验)8小组试验，每小组8个试块，共64块。在100%压实度的条件下，在围压分别为100 kPa，200 kPa，300 kPa 和 400 kPa 时，进行不固结不排水试验。干湿循环模拟试验参照文献［6］中的试验方法进行了15次干湿循环;冻融试验根据规范进行了15次循环试验。

2 试验结果分析

2.1 干湿循环和冻融循环对试块变形的影响

经过三轴试验的水泥纤维粉砂土无冻融和冻融试块破坏后的照片见图1，无冻融水泥纤维粉砂土破坏后无明显的鼓起，而冻融后的水泥纤维粉砂土破坏后中下部有较明显的鼓起，说明冻融后水泥纤维粉砂土的抗变形能力有所下降，所以纤维土作为季冻区道路路基或者其它构造物基础必须考虑其抗冻性。

图1 水泥纤维粉砂土试块破坏后的照片

2.2 干湿和冻融循环对土体极限应变和应力的影响

2.2.1 干湿和冻融循环对土体极限应变的影响

根据三轴试验确定的试块破坏点得出各组试块的极限应变见表1。

表1 试块的极限应变%

由表1可知:

1)同围压下，试块经过干湿循环后，极限应变降低了16.7%～60.0%，但随着纤维掺量的增加其极限应变的降幅有明显的减小，说明纤维的掺入可以提高土体的水稳定性。

2)同围压下，试块经过冻融循环后，极限应变最大降低了24%，但随着纤维掺量的增加其极限应变的降幅显著降低，说明纤维的掺入可以提高土体的抗冻融能力。比较干湿循环和冻融循环发现，干湿循环对土体极限应变影响更为显著。

3)经过干湿循环和冻融循环后，土体的极限应变均有所降低，但掺入纤维和水泥的粉砂土比素粉砂土的极限应变显著增强。这说明土体掺入水泥和纤维可改善其水稳性和抗冻性，但不能忽视干湿循环和冻融循环对土体极限应变的影响。

2.2.2 干湿和冻融循环对土体极限应力的影响

根据破坏点的主应力差计算出试块破坏时的最大主应力，在剪力与应力平面图上绘制莫尔破损应力圆。根据每组莫尔破损应力圆包线得出试块的黏聚力和内摩擦角，见表2。

表2 各组试块的黏聚力和内摩擦角

由表2可知，干湿和冻融循环使土体的极限应力均有较大的降低。对于纤维土在干湿循环后其黏聚力降低了55% ～77%，在冻融循环后其黏聚力降低了43%～58%，其中干湿和冻融循环对素土黏聚力的影响更为明显。对水泥纤维土而言，干湿循环后其黏聚力降低了28% ～39%，冻融循环后其黏聚力降低了22%～38%。素土的摩擦角有大幅降低，而纤维土体内摩擦角有小幅降低，进一步说明了纤维的掺入可以改善粉砂土的耐久性。