聚丙烯纤维红黏土渗透性与剪切特性试验研究

张 金 利， 蒋 正 国， 闫 春 程， 杨 庆， 杨 钢， 张 林 林

（1.大连理工大学 建设工程学部 土木工程学院 岩土工程研究所，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；

3.中国石油集团工程设计有限责任公司，北京 100085）

0 引 言

在土体加固改良的实际工程中，广泛采用土工合成材料.常用的土工隔栅、土工布等通过筋材与土体接触的界面特性达到对土体的加固，而土的工程特性未得到改善.近年来，纤维土的力学特性研究受到广泛关注，因纤维可承受一定的拉力，由此可弥补土不能承受拉力的缺陷.近年来，纤维砂土的力学特性研究成果较多，主要涉及砂土的颗粒级配、颗粒形状、纤维添加量、长径比、拉伸模量、纤维与剪切面的方向、试验条件等因素对强度的影响.研究表明，纤维土与土的变形特性显著不同[1－7].Consoli等[8－10]采用环剪试验，探讨了 加纤维的砂与膨润土在大变形下的力学性质，试验结果表明，当砂中添加纤维后，即使在较大剪切位移下，峰值强度降低也不大，而纤维膨润土在较大剪切位移下的强度并未得到改善.

由于工程需要，近期逐渐开展了细粒土加纤维的力学特性研究.李广信等[11，12]试验研究了纤维加筋土的抗剪强度与土坡稳定性等问题.研究表明，黏土中加入竹、剑麻、椰子壳等纤维，其强度与刚度可显著提高[12－16].在黏土的塑性范围内，加入聚丙烯纤维后，可增加黏土的拉伸强度，破坏模式为柔性破坏[17].对于高塑性黏土，当添加适量纤维后，其无侧限抗压强度可提高70%～115%[18].Miller等[19]探讨了黏土加纤维在填埋场防渗层中的应用，发现当纤维含量在0.4%～0.5%时，其渗透系数满足填埋场防渗要求.纤维黏土与黏土的收缩试验结果表明，纤维黏土干裂缝较黏土可降低50%.为探讨纤维黏土在差异沉降下的拉裂缝开裂特性，Viswanadham等[20]通过离心模型试验对此进行了研究，试验结果表明，纤维长径比与含量可有效控制裂缝形成.

垃圾填埋场常采用压实黏土作为底部与封顶防渗层.黏土抗剪强度低，在较大工程荷载下，可能发生剪切破坏，因此，改良其工程性质具有一定的理论与工程意义.

为改良黏土的工程性质，本文将聚丙烯纤维与红黏土混合，通过三轴试验与渗透试验研究纤维含量与长度等对纤维红黏土的渗透特性与力学性质的影响.

1 材料及试验方法

1.1 材 料

土样为大连地区典型红黏土，室外风干中经多次破碎大的土块并过0.5mm筛，取筛下土备用.由室内土工试验，确定红黏土的工程性质指标见表1.

聚丙烯纤维为圆形截面的束状单丝，如图1所示（盐城市恒固纤维有限公司，HG－0X2砂浆纤维）.其物理和力学性质指标见表2.试验所采用的长度分别为7、13、19mm.

1.2 纤维土试样制备

红黏土黏性大不利于与纤维混合.确保纤维与土均匀混合，得到一致性良好的试样是本项研究工作的关键.经过大量试验与反复摸索，在黏土含水量接近液限时，多次少量加纤维并不断搅拌，所得到的土样纤维分布较均匀，但达不到试样制备要求.为此采用了如图2所示的制样装置.试验中，加入适量水，使红黏土处于流动状态，再加入一定比例纤维，在搅拌过程中反复检查混合情况，待纤维均匀混合后，将土样装入制样箱，表层用塑料布密封，负压排水，直到满足制样要求为止.

表1 试验采用红黏土工程特性Tab.1 Engineering properties of red clay used in the study

图1 试验用HG－0X2纤维Fig.1 The HG－0X2fibers used for experiment

表2 聚丙烯纤维的物理和力学性质参数Tab.2 Physical and mechanical properties of polypropylene fibers

图2 试样制样装置示意图Fig.2 The equipment for preparing clay samples

纤维含量按质量比计算：

式中：r为纤维含量，%；mf为纤维的质量，kg；ms为干土的质量，kg.纤维含量主要依据文献资料，并考虑工程实际，分别取为0.15%、0.25%、0.35%、0.50%、0.80%等5个含量.

1.3 试验方法及仪器

采用变水头渗透试验确定纤维红黏土的渗透系数.试验中，分别对3种纤维长度（7、13、19mm）与 5 种 纤 维 含 量 （0.15%、0.25%、0.35%、0.50%、0.80%），以及红黏土等进行渗透试验，并配合一定数量的平行试验，共进行56组试验，确定其渗透系数.

为研究纤维黏土的力学特性，分别对红黏土与纤维红黏土进行固结不排水试验.三轴试样为圆柱体，高为8cm，直径为3.91cm，采用应变控制式三轴仪进行试验，应变速率0.08mm/min.试验中以偏差主应力出现峰值点作为破坏标准，当无峰值时，轴向应变达到15%时作为破坏标准.

2 试验结果分析

2.1 纤维红黏土的击实特性分析

针对3种纤维长度与5种含量的不同组合，共进行16组击实试验，进而确定纤维红黏土的最优含水率与最大干密度，受篇幅限制，这里仅给出纤维长度为7mm下的试验结果，如图3所示.

图3 纤维含量对击实曲线的影响Fig.3 Effects of fibers content on the compactioncharacteristics

由图可见，由于纤维所占质量分数较小，对纤维红黏土的最大干密度影响不大.最优含水率受纤维影响较大，相差近1%.由此可见，红黏土加纤维后，其加工特性发生了一定变化.

2.2 纤维红黏土渗透特性分析

为确定纤维红黏土的渗透系数，共进行56组试验，结果如图4所示.由图可见，红黏土加纤维后，渗透系数随纤维含量增加而增大，长度19 mm纤维所受影响较13mm与7mm的更为显著，尽管纤维红黏土的渗透系数略有变化，但与红黏土渗透系数处相同量级，表明在试验中确定的纤维含量下，纤维红黏土渗透系数可满足工程防渗要求（如垃圾填埋场防渗要求渗透系数小于10－7cm/s）.因此，对于特殊防渗工程意义重大.

图4 纤维长度与含量对渗透系数的影响Fig.4 Effects of fibers length and fibers content on the permeability coefficient

2.3 纤维含量对强度的影响分析

针对5种纤维含量与3种纤维长度，在不同围压下，通过固结不排水三轴试验研究纤维红黏土的抗剪特性.图5给出了围压为200kPa下的试验结果，其他围压下的试验结果与其相近，这里未列出.由图可见，纤维红黏土与红黏土的应力－应变关系曲线形状完全不同，前者随偏差应力增加，轴向应变亦增加，无峰值点；而后者，其曲线先增加达到峰值，后逐渐下降.表明纤维红黏土具有加工硬化特征，且随纤维含量增加，硬化现象愈趋明显.与红黏土相比，若取极限应变为9%时，红黏土的峰值强度为400kPa，对于纤维含量分别为0.15%与0.80%的纤维红黏土，其强度分别为536、865kPa，分别提高34%与116%.若取极限轴向应变为15%，对于5种纤维含量下的纤维红黏土，其强度分别为616、678、742、835、1 019 kPa，为红黏土强度的1.53～2.53倍，红黏土加纤维后，强度得到显著提高.

图5 纤维含量对应力－应变关系曲线影响（σ3＝200kPa）Fig.5 Effects of fibers content on stress－strain curves（σ3 ＝200kPa）

2.4 纤维长度对强度的影响分析

对于红黏土，添加不同含量的纤维后其抗剪强度提高幅度较大，纤维长度如何影响红黏土的强度特性，需要进一步研究.为此开展了不同纤维长度下的三轴固结不排水试验.试验中采用的纤维长度分别为7、13、19mm，围压分别为100、200、300kPa.图6给出纤维含量0.5%，围压为100kPa下的试验结果.由图可见，在相同纤维含量下，随着纤维长度的逐渐增加，曲线切线模量在增加，表明材料的刚度逐渐增大，加工硬化特征愈趋明显，进而说明纤维越长，纤维红黏土的抗剪能力越强.从图上可看出，纤维红黏土的应力－应变关系曲线以轴向应变约3%为分界点，小于3%部分具有双曲线特征，大于3%部分具有线性特征.因此，不可以采用常规的双曲线表征纤维红黏土的应力－应变关系，而应采用可表征纤维含量与长度影响的分段模型.红黏土随机均匀添加纤维后，其抗剪强度显著提高，其机制为由于在剪切破裂面上存在一定数量纤维，处于破裂面上的纤维两端固定在破裂面两侧，当破裂面两侧发生相对位移时，纤维处于受拉状态，由表2可知，纤维初始弹性模量极高且抗拉强度较大（592MPa），因此，在纤维较小拉伸变形下，其可提供较大拉力，限制了破裂面的扩展，从而提高了纤维红黏土的抗剪强度.由于纤维所能提供的拉力大小与纤维在剪破面两侧锚固长度有关，当纤维未达到抗拉强度时，纤维长度越长，拉力越大，抗剪强度越大，这一结论与试验结果吻合.

图6 纤维长度对抗剪强度的影响（σ3＝100kPa）Fig.6 Effects of fibers length on the shear strength（σ3 ＝100kPa）

表3给出不同试样的固结不排水抗剪强度指标.由此可见，红黏土加纤维后，内摩擦角φ提高幅度较小，但黏聚力c显著提高.

表3 抗剪强度指标Tab.3 Parameters of shear strength

2.5 围压对强度影响分析

为探讨围压对纤维红黏土的抗剪强度影响，于100、200、300kPa下，在考虑纤维含量、长度的多种组合下，开展了大量试验，图7给出了纤维含量为0.5%的结果，其他含量下结果相似，这里未列出.随围压增加，纤维红黏土强度相应增加，亦符合普遍规律.相同围压下，随着纤维长度的增大，抗剪强度相应增加，特别是在较大轴向应变时更为明显.

图7 围压对应力－应变关系曲线影响（r＝0.5%）Fig.7 Effects of confined pressure on stressstrain curves（r＝0.5%）

2.6 破坏模式

图8给出3种试样破坏后的照片.由图可见，红黏土破坏时具有典型的剪破面，应力－应变曲线具有峰值，属典型的剪切破坏模式.对于纤维红黏土，当纤维含量较少（0.25%），破坏时无明显剪破面，试样中部外凸，属鼓胀型破坏模式.当纤维含量较大（0.80%）时，即使在较大轴向应变下（15%），亦未出现破坏.由此可见，红黏土加纤维后，其破坏模式受纤维含量、纤维长度、试验条件等多种因素控制，可能存在多种破坏模式.

图8 破坏试样Fig.8 The failure shape of samples

3 结 论

（1）在搅拌机中加入干土，加水搅拌，使土样呈流塑状态，在搅拌过程中，逐渐少量地加入纤维，直到达到要求的添加量，经反复搅拌，纤维即可均匀混合；然后将制备好的泥浆样装入本文所采用的真空固结排水装置，进行排水.由此所制备的试样具有较好的一致性.

（2）红黏土加入纤维对最大干密度影响较小，对最优含水率影响较大.

（3）在0.25%～0.80%纤维含量下，纤维红黏土的渗透系数略有增加，但仍保持较低渗透性.

（4）纤维红黏土的应力－应变关系曲线具有典型的应变硬化特征.同时，在某一轴向应变下，可分为两段，且随纤维含量增加，切线模量增大.纤维含量与长度显著地影响纤维红黏土的力学特性.随围压增加，纤维红黏土的抗剪强度亦增加.

（5）纤维含量较低时，纤维红黏土具有鼓胀型破坏模式；纤维含量较高时，纤维红黏土在较高轴向应变下，亦未发生破坏.

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