改性玄武岩残积土的固结试验研究

张璧玮，陈 斌，王子腾

（武汉科技大学城市建设学院，武汉 430065）

近年来，随着我国公路交通事业和住房建设事业的高速发展，玄武岩残积土成为云贵地区工程建设中最常见的土体之一。研究表明，玄武岩残积土具有低密度、高含水率、大孔隙比及高压缩性等不良物理特性，同时遇水易崩解、软化，属区域性特殊土[1]。以上不良特性对工程建设十分不利，容易导致不均匀沉降而产生开裂、倾覆等问题，特别是在降水丰富的云贵地区，玄武岩残积土的这种特性往往会造成滑坡、崩塌等地质灾害，成为工程建设中的严重威胁。

本文以位于地表风化程度相对严重的红棕色玄武岩残积土为研究对象，鉴于其不良的物理性能可能引起的局部变形和脆性破坏问题，人们往往需要对其进行一定的改良处理，使工程在较长的一段时间内保持较高的安全性和耐久性。国内现有研究工作侧重于纤维加筋土的抗压强度、抗剪强度等研究，关于其固结、压缩特性等研究较少。本文通过选定具有强度高、稳定性好等特性的玄武岩纤维作为加筋材料，利用标准固结试验来研究掺入玄武岩纤维对玄武岩残积土压缩性能的改性效果，为解决该地区沉降变形问题提供一定的参考。高速公路路基不仅需要较好的稳定性，还需要较小的变形，以确保行车的平稳性、安全性和舒适性。针对这一设计要求，本研究可以为其提供新的思路和理论依据。

1 土样制备和研究方案

1.1 土样的基本物理性质

试验所用土样取自贵州省毕威高速公路沿线玄武岩残积土路段斜坡，颜色为红棕色，具有大孔隙比，遇水易发生崩解，并且渗透系数比较大。其基本物理性能如表1所示[2]。

表1 天然红棕色玄武岩残积土的物理参数

1.2 玄武岩纤维的物理力学性质

本试验采用的玄武岩纤维为短切玄武岩纤维，直径为17 μm，长度有6 mm和12 mm两种，具有细小但比表面积大的特点，形状如图1所示，具体力学参数如表2所示。

图1 掺入纤维形状

1.3 试验方案

按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999） 规定的试验步骤进行[3]。试验设备采用WG-1B型三联中压固结仪，试验土样分为两组：一组控制纤维的长度一定，改变土样中纤维掺量；另一组控制纤维的掺量一定，改变土样中纤维的长度。试验采用的纤维的长度有6 mm、12 mm两种规格，掺量控制为0.1%、0.2%、0.3%和0.6%四种掺量，并设置空白组作为对照。

1.4 试样制备

将土样风干并碾磨过2 mm筛，按照最优含水率计算出所需水的质量，然后称量水、风干土和纤维的质量。为了使玄武岩纤维能够均匀地分散到制备土样中，本次试验均采用分3次拌，然后集中拌和的方法将土样拌和均匀。将各组风干试样分成三等份，每一份按照设计的掺量和长度添加玄武岩纤维，遇到纤维结团时手工将其撕开，并均匀地将其拌入土样中，确保纤维在土样中均匀分散。

表2 玄武岩纤维的物理力学参数

搅拌均匀后，加水到最优含水率25.6%，然后置于保湿缸内养护备用。试验前将称好的养护后的混合土样倒入装有带有环刀的击样器中，用静力压样的方法将试样分成三层夯实，每层土样击实至要求的高度后，再填第二层土料继续填平击实，如此进行直至完成最后一层。制备完成的试样直径为61.8 mm，高度为20 mm。

1.5 试验步骤

首先在固结容器内放入护环、透水石和一片薄型滤纸，然后将带有试样的环刀装入护环内，放上导环，在试样上部依次再放上一片薄型滤纸、透水石和加压上盖，并将固结容器置于加压上盖的正中央，对准加压上盖的中心安装百分表。安装完毕后，开始施加 1 kPa的压力使试样与仪器上下各部件之间接触良好，记录初始读数，然后卸载。预压后开始试验，设定加压等级为50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa，以施加每级压力后24 h测定试样高度变化作为稳定标准，记录施加压力后不同时间的土样在竖直方向上的压缩变形量。

具体数据记录方式如下：每一级加载前先读取一个百分表的读数初始值，加载按照慢速法固结稳定标准时间24 h为每一级固结所需时间，即每一级加载后24 h认为稳定，并读取该稳定值。然后，绘制固结试验得到的压缩曲线（e-p曲线），再计算土样的压缩模量和压缩系数。

2 试验结果分析

2.1 固结试验结果

根据试验数据绘制压缩曲线（e-p曲线），图2和图3分别为土样在采用6 mm和12 mm纤维长度时不同纤维掺量下的e-p关系曲线。

孔隙比是土中孔隙的体积与固体颗粒的体积之比，反映了土的紧密程度，数值越大说明土的可压缩性越大。从图2、图3可以看出，随着施加荷载的不断提高，土的压缩曲线趋于平缓。为了更加直观地反映纤维长度和掺量对土样压缩性的影响，列出了p1=200 kPa，p2=200 kPa时对应的压缩模量Es1-2和压缩系数a1-2，以便衡量土的压缩性，如表3所示。

图2 6 mm纤维不同掺量下的e-p关系曲线

图3 12 mm纤维不同掺量下的e-p关系曲线

表3 100～200 kPa压力段的压缩模量和压缩系数

2.2 试验结果分析

压缩模量是判断土的压缩性高低和计算地基土沉降量的重要指标之一，试验结果表明，纤维长度和纤维掺量都会对土体压缩模量产生一定的影响。比较在各级固结压力下的数据可以发现，6 mm和12 mm纤维均可以改善玄武岩残积土的孔隙结构，而合理的纤维长度和纤维掺量将有助于减小土体的压缩性。

在纤维掺量对土壤改性效果方面，试验结果表明，掺入6 mm纤维后，土的压缩模量随着掺量的增大有先增大后减小的趋势，并且在掺量为0.3%时达到峰值，说明纤维的加入在一定范围内能够改善土体的压缩特性，但在超过合理的掺量之后，压缩模量反而降低，过多纤维所导致的弱化作用就会显现出来。因此，纤维掺量并不是越多越好，其间存在最优掺量。

掺量小于0.3%时，压缩模量趋于增大。一方面是因为纤维的掺入使得土颗粒之间的孔隙被填充，可压缩的体积变小，导致土体更加不容易被压缩；另一方面是由于纤维土的交织机理，即土中无序分布的纤维存在无数交织点，如果纤维交叉处受到力的作用而有位移趋势，其他纤维将阻止这种位移，从而形成空间的受力区，即整个纤维网对土体形成一种空间约束作用，不仅提高了土的强度，还可以减小土体的竖向和侧向变形[4-5]。

在掺量超过0.3%之后，虽然纤维随机分布到玄武岩残积土中，可以在其内部形成一个空间网状支撑体系，能提高土体强度，但纤维掺量和长度超过最优值后，纤维分布越多，纤维之间就容易发生抱团和叠加现象，导致过量的纤维在土体中堆积重叠，纤维在土体的空间网状的“锚杆”加固作用就会削弱[6]。土体无法挤压密实，会形成软弱受力区，纤维网的形状一定程度上发生了改变，荷载作用下抵抗变形的能力反而下降。

在纤维长度对土壤改性效果方面，试验结果表明，掺入6 mm纤维后土样的压缩模量较原状土而言有明显提高，而掺入12 mm纤维的土样压缩模量同原状土相比均有减少。已有的研究表明，当玄武岩纤维含量确定时，纤维土柱之间的接触概率随纤维长度的增加而增大，使应力的传递和叠加更加容易，纤维网的形成更加有效。但是，当玄武岩纤维长度过长时，纤维在拉伸、弯曲、扭转等方面的强度较低，土中形成的纤维土柱在拉伸、弯曲和扭转方面的强度也较低。弯曲和扭转引起的应力对土的强度不利，当土壤受到扰动时，长纤维主要处于连续弯曲状态，导致纤维土柱半径和强度减小，因此在外荷载的作用下更加容易被压缩变形[7]。因此在进行土体改性时，不宜过于追求纤维的长度提高，而是通过试验去验证最适合的长度使纤维网的形成最行之有效。

3 结论

短切玄武岩纤维可以作为一种外加材料来改善玄武岩残积土的力学性能，尤其是可以显著提高其压缩性能，对实际工程建设提供良好的思路。纤维掺量对于土体压缩性的改善具有较大影响。在纤维长度固定的情况下，随着纤维掺量的提高，玄武岩残积土的压缩模量呈现先增大后降低的趋势，且压缩模量的峰值在掺量为0.3%时出现，即掺量为0.3%土体压缩性最低，因此0.3%为最优掺量。

纤维长度对同样会对土体压缩性的改善产生影响。掺入6 mm纤维后的土样压缩模量大于原状土，而掺入12 mm纤维的土样压缩模量小于原状土。同时，在纤维掺量相同的情况下，12 mm长度组的压缩模量小于6 mm组。在合理长度下，压缩模量会因为纤维的掺入而增大，但纤维长度过长时反之会有所减小。