干湿循环对玄武岩纤维加筋膨胀土抗剪强度的影响

彭轶群,薛俊伟

(1.应天职业技术学院,南京 210042;2.江苏省城市规划设计研究院,南京 210036)

干湿循环对玄武岩纤维加筋膨胀土抗剪强度的影响

彭轶群1,薛俊伟2

(1.应天职业技术学院,南京 210042;2.江苏省城市规划设计研究院,南京 210036)

为了对膨胀土进行改良,将分散玄武岩纤维掺入膨胀土中,研究干湿循环对玄武岩纤维加筋膨胀土的抗剪强度的影响规律。试验选取长12 mm玄武岩纤维,以按纤维含量与干土质量比为0.4%掺入膨胀土中。对膨胀土和纤维加筋膨胀土进行0～3次干湿循环试验,然后对试样进行直接剪切试验,研究干湿循环对玄武岩纤维加筋膨胀土抗剪强度的影响。试验结果表明:玄武岩纤维掺入膨胀土能有效提高膨胀土的抗剪强度。膨胀土和纤维加筋膨胀土经过反复干湿循环后,其强度指标持续降低,且在第一次干湿循环之后抗剪强度降低较明显,之后抗剪强度降低幅度变小。相对于内摩擦角,纤维对黏聚力的增强效果要明显得多。同一次干湿循环,纤维加筋膨胀土比素膨胀土强度的降低幅度小。

膨胀土; 玄武岩纤维; 干湿循环; 抗剪强度

膨胀土是一种特殊性黏土。它遇水膨胀、失水收缩的特性常常给工程建设造成麻烦,所以它被称为“难对付土”或“有问题的土”。土中黏土矿物主要由强亲水性的矿物组成,这种特殊的矿物成分,使其具有液限大、胀缩性强、吸水膨胀、失水开裂的特点。在干湿交替的气候环境中,常常造成膨胀土边坡发生滑坡和坍塌等病害。因此,很多学者对干湿循环效应下膨胀土的强度与变形特性进行了研究:Basma[1]对4种塑性不同的重塑膨胀土进行了干湿循环试验,同时研究了试验前后微观结构的变化;慕现杰,张小平[2]通过直剪试验和无侧限抗压强度试验总结了膨胀土随干湿循环强度的变化规律;吕海波,曾召田[3]等总结了膨胀土抗剪强度与含水率、循环次数、循环幅度等循环控制参数的关系。

许多学者对如何对膨胀土进行改良也做了大量研究,而纤维加筋作为一种新型改良土的方法越来越受到重视。国外Prabakar[4]研究发现分散的纤维丝掺入软土中能增大土体的抗剪强度;Consoli[5]等通过三轴压缩试验和现场平板载荷试验证明了掺入纤维能提高土体的内摩擦角和内聚力且变形越大,纤维的增强效果更明显;Tang[6]等通过直剪试验研究了纤维加筋水泥土的强度特性,结果表明纤维的加筋效果在水泥土中能得到更好的发挥,抗剪强度参数随土体中砂含量的增加而增加。徐洪钟[7]等在膨胀土中掺加玄武岩纤维,通过试验证明,玄武岩纤维可抑制膨胀土的胀缩性且土的无侧限抗压强度和抗剪强度也有所提高。

玄武岩纤维(Basalt Fiber简称BF)是一种新型的绿色纤维。其成本低廉,耐高温,耐腐蚀,吸湿性低,绝缘性能好[8,9]。该文将通过在膨胀土中掺入玄武岩纤维这一物理改良方法,研究干湿循环对改良后的玄武岩纤维加筋膨胀土抗剪强度的影响。

1 试验材料

1.1 玄武岩纤维

该试验所使用的玄武岩纤维长度为12 mm,与膨胀土混合时,成束纤维被撕开,均匀分散掺入膨胀土中。其性能指标见表1。

1.2 膨胀土

所采用的土料是南京地区的膨胀粘土,取自南京市浦口区。土样呈灰绿色,采样时试样含水率比较大,土料结成块状。实验前对所采用的膨胀土的物理性质进行了测定,见表2。

表2 膨胀土的物理性质

2 试样制备及试验方案

2.1 试样制备

试样制备、试验步骤均按《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[10]进行。

1)测定膨胀土风干含水率;2)将土样放入烘箱中,将其烘干;3)将土样烘干后在粉碎机上粉碎,过2 mm筛,按配比称好试验材料,并按一定顺序放入搅拌盆内,用搅拌铲人工拌和均匀;4)通过击实试验得最优含水率为17.5%,向土样中加水,按最优含水率配制试样;5)将玄武岩纤维掺入膨胀土中。在试样中掺入与干土质量比为0.4%,长为12 mm的玄武岩纤维,准确到0.01 g。用拌土器充分搅拌,并装入塑料袋放入保湿缸密封24 h,使含水率一致;6)对试样进行重塑。按照最大干密度制备试样。把掺入纤维的试样按照标准击实的方式击实后直接用环刀取样,试件尺寸为ϕ61.8 mm×20 mm。采用质量控制的方法使其达到最大干密度,舍弃干密度相差较大的试样,纤维加筋膨胀土试样见图1。

7)把制备好的试样分为两组,一组为素膨胀土,另一组为掺入长为12 mm,含量为0.4%的玄武岩纤维加筋膨胀土。对两组试样同时进行干湿循环试验。

2.2 试验方案

试验选取无竖向荷载的干湿循环试验,以模拟膨胀土边坡由于季节变化、降雨渗入和蒸发等情况强度与变形变化特性及加筋效果。试验过程中,膨胀土与纤维加筋膨胀土的含水量应保持一致。试验前,用电子秤(精确到0.01 g)称取试样的质量并记录。测得其初始含水率为10.3%。循环过程如下。

2.2.1 吸水膨胀过程

将环刀连同膨胀土试样一起放入固结仪中,上下分别覆盖透水石,加水膨胀,用最小分度值为0.01 mm的百分表实时记录浸水膨胀过程中试样的竖向膨胀变形。以安置百分表后记录的第一个数为试验干湿循环前的初始高度,数据的量测在开始的前3 h每15 min记录1次,其后的500 min每间隔100 min记录1次,最后间隔1 d记录一次。直至前后两次读数之差不超过0.01 mm时停止读数,此时水不再渗入,试样饱和。认为该循环的吸水膨胀阶段结束。用电子秤(精确到0.01 g)称取试样此时的质量,测其含水率[5,6],并对土样顶面进行拍照。

2.2.2 失水收缩过程

待试样膨胀稳定后,将试样和环刀一起从固结仪中推出。失水收缩在底部为多孔板的收缩仪上进行。将装置好的收缩仪移入烘箱中,采用低温烘干法模拟膨胀土土体脱湿过程,使试样在60～70℃下干燥失水,烘干时间控制为6 h。烘干过程中,分别于试验开始后10 min、20 min、30 min、1 h、2 h、3 h、4 h、6 h实时记录失水收缩过程中试样的竖向收缩变形,最后用电子秤(精确到0.01 g)称取试样的重量并记录,测其含水率。

至此,试样经历了一次干湿循环。将试样重复上述步骤一次,即完成第二次干湿循环;再次将试样重复上述步骤,即完成第三次干湿循环。

该次试验共进行了三次干湿循环试验,每次干湿循环4个试样同时进行。完成某次干湿循环后,将试样用保鲜膜包好,并放入保鲜袋中,贴上标签。然后放入保湿缸中进行保湿72 h,以确保不同循环次数最终试样含水率一致。

将试样放入ZJ型应变控制式直剪仪上进行直接剪切试验,测定干湿循环结束后试样的抗剪强度。剪切速率为0.8 mm/min,并保证试样在3～5 min内剪损。试验过程中垂直施加的四级荷载,分别为100 k Pa、200 kPa、300 k Pa和400 k Pa。试验结果见图2、图3。

3 试验结果与分析

对经历不同次数干湿循环试验的素膨胀土与纤维加筋膨胀土进行室内直剪试验,研究素膨胀土和玄武岩纤维加筋膨胀土的抗剪强度随干湿循环次数的变化规律。试验所得的抗剪强度数据如表3所示。对抗剪强度与垂直压力值进行拟合后,得到试样的抗剪强度指标黏聚力c与内摩擦角ϕ,见表4。

由表3可以看出:干湿循环过程可以降低素膨胀土与纤维加筋膨胀土的抗剪强度;由表4可以看出:素膨胀土黏聚力c从干湿循环试验前为41.32 k Pa,降低到第3次干湿循环后的19.85 k Pa。纤维加筋膨胀土的黏聚力c从干湿循环试验前的60.49 k Pa,降低到第3次干湿循环的31.77 k Pa。两者的黏聚力c随着循环次数的增加下降明显。素膨胀土的内摩擦角ϕ在经历干湿循环后降低,纤维加筋膨胀土内摩擦角ϕ变化规律不明显。这是因为干湿循环过程导致试样中水分不断反复迁移,形成大量裂隙,破坏了试样的整体性。

表3 干湿循环试样抗剪强度试验结果

表4 干湿循环试样抗剪强度指标值

对比同一次干湿循环试验发现:经历相同次数干湿循环的纤维加筋膨胀土的黏聚力c明显高于素膨胀土。这是因为玄武岩纤维掺入膨胀土中后纤维可以把土体连结在一起,整体性较好。

图2是素膨胀土与纤维加筋膨胀土垂直压力与抗剪强度曲线。图3是素膨胀土垂直压力与抗剪强度关系曲线,图4纤维加筋膨胀土垂直压力与抗剪强度关系曲线,图5是干湿循环次数与抗剪强度关系曲线。结合图2～图5可知:试样经历的干湿循环次数越高,其抗剪强度越低。对于同一次干湿循环而言,纤维加筋膨胀土的抗剪强度明显高于素膨胀土的抗剪强度。图5中还可以看出,不管是素膨胀土还是纤维加筋膨胀土,均在第1次干湿循环后试样抗剪强度的衰减幅度达到最大。即第1次干湿循环决定了试样抗剪强度的衰减,第2次、第3次干湿循环抗剪强度和黏聚力c的降低值逐渐的减少。

4 结 论

通过室内直剪试验,分析玄武岩纤维加筋膨胀土在干湿循环效应后抗剪强度的变化规律,可以得出如下结论:a.无论膨胀土还是玄武岩纤维加筋膨胀土,经历多次干湿循环后抗剪强度均明显降低。随着试样的干湿循环次数的增加,其抗剪强度越低,且均在第1次干湿循环后试样抗剪强度的降低幅度达到最大。

b.经历干湿循环效应后,膨胀土和纤维加筋膨胀土的粘聚力的大幅降低,素膨胀土的内摩擦角在干湿循环效应下有所降低,但对纤维加筋膨胀土的内摩擦角影响规律性不强。

c.对同一次干湿循环而言,纤维加筋膨胀土的抗剪强度明显高于素膨胀土的抗剪强度。并且同一次干湿循环作用下,纤维加筋膨胀土较素膨胀土抗剪强度的降低幅度较小。

[1] Basma A A,Ai-Homoud A S,Husein Malkawi A I,et al.Swelling-shrinkage behavior of natural expansive clays[J].Applied Clay Science,1996,(11):211-227.

[2] 慕现杰,张小平.干湿循环条件下膨胀土力学性能试验研究[J].岩土力学,2008,28(增):580-582.

[3] 吕海波,曾召田.膨胀土强度干湿循环试验研究[J].岩土力学,2009,30(12):3797-3802.

[4] Prabakar J,Sridhar RS.Effect of random inclusion of sisal fibre on strength behavior of soil[J].Construction and Building Materials,2002,16(2):123-131.

[5] Consoli NC,Casagrande MDT,Prietto PDM,et al.Plate load test on fiber-teinforced soil[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2003,129(10):951-955.

[6] Tang C,Shi B,Gao W,et al.Strength and mechanical behavior of short polypropylene fiber reinforced and cement stabilized clayey soil[J].Geotextiles and Geomembranes,2007,25(3):194-202.

[7] 徐洪钟,彭轶群等.短且玄武岩纤维加筋膨胀土的试验研究[J].建筑科学,2012,28(9):44-47.

[8] 刘嘉麒.绿色高新材料——玄武岩纤维具有广阔前景[J].科技导报,2009,27(9):卷首语.

[9] 胡显奇.我国连续玄武岩纤维的进展及发展建议[J].高科技纤维与应用,2008,33(6):13-18.

[10]GB/T 50123—1999,土工试验方法标准[S].北京:中华人民共和国建设部,1999.

Influence of Wetting-drying Cycles on the Shear Strength of Basalt Fiber Reinforced Expansive Soil

PENG Yi-qun1,XUE Jun-wei2
(1.Yingtian College,Nanjing 210042,China;2.Jiangsu institute of Urban Planning and Design,Nanjing 210036,China)

To improve the strength of expansive soil,this paper studies the shear strength of fiber reinforced soil with expansive soil which mixed with dispersed basalt fibers.In the study,the ratio of fiber content and dry soil by weight was 0.4%and the length of the fiber is 12 mm.Before the shear tests,the fiber reinforced expansive soil were treated by wetting-drying cycles for 0～3 times.The study results show as follows:the basalt fibers can improve the shear strength of the reinforced soil in the influence of wetting-drying cycles.Whether it is expansive soil or the fiber reinforced expansive soil,shear strength declined with the increase of wetting-drying cycles and the decline reached the maximum in the first cycles,and then gradually mitigated and finally stabilized.Compared to the internal friction angle,the influence of the fiber reinforcing effect on cohesion is much more obvious.The effects of the basalt fibers in certain range were to restrain the attenuation of shear strength in the same wetting-drying cycles.

expansive soil; basalt fiber; wetting-drying cycles; shear strength

2014-08-03.

彭轶群(1987-),硕士.E-mail:yiqunpeng@126.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.007