木质纤维对红黏土性质改良的实验研究

红黏土在贵州六盘水地区分布极广，被广泛应用于生态保护与工程建设之中。为进一步探究红黏土特殊性质并加以改良，从而更好地应用于工程建设中，本文研究了不同掺量木质纤维对六盘水地区红黏土压缩性和抗剪强度的影响。试验结果显示，掺入适宜比例的木质纤维可提高红黏土的抗剪能力、压缩系数及压缩模量。本研究可为改良红黏土性质提供理论依据。

1实验设计

实验材料选自六盘水地区的红黏土，该地区红黏土是在热气候条件下，经过风化作用、成土作用形成的一种含有较多散装粘粒并富含Fe、Al氧化物胶结的红色高塑性黏性土，风化程度相对较高，矿物质含量十分丰富。实验采用的木质纤维是一种有机絮状纤维物质，束状，粉末80目，可用于铺设沥青道路、拌合混凝土砂浆以及制备石膏制品等。将木质纤维混合后可形成一个三维空间网状组织结构，均匀度、稳定性、分散性及柔韧性较好，是一种新型环保材料。实验中红黏土样品基本物理性质参数见表1，木质纤维样品相关物理性质参数见表2。

1.1实验过程

将不同比例的木质纤维（3%、6%、9%、12%）掺入到制备土样中，含水率为45%，每个比例都采取平行试样以减少误差，再严格按照标准分别进行直接剪切试验及固结试验。

直接剪切试验：在不同比例纤维掺入的情况下，以4个试验为一组，依次施加100、200、300、400 kpa的垂直压力，然后对试样施加水平剪应力进行剪切，当剪切量剪切变形≤0.005 mm/h时，判断试样是否固结稳定，特别注意在施加外力时需轻拿轻放以避免扰动试件。稳定之后，卸去施加的垂直压力，将试样取出，得出破坏时的相应剪应力，然后根据库仑定律确定土体的抗剪强度参数，包括内摩擦角值和凝聚力值。

固结试验需在严格制备好试样后测定土样密度，并取用土样测定不同含水率，玻璃片需将环刀两端盖上，以避免水分蒸发影响试验数据。后将带试件的切土环刀安装在固结仪的固结容器内固定，并准确放置在加载中心，保证容器部件之间接触良好。依次按照50、100、200、300、400 kpa的顺序进行加压，结束后得出相关数据，进行计算分析。

2试验结果和分析

2.1纤维对于红黏土抗剪能力的影响

每个比例木质纤维掺入量与土体之间的抗剪强度影响对比，由直线倾角得出土的内摩擦角φ以及直线在纵坐标上的截距得出土样的黏聚力c，分别如下图1～3，表3所示：

从图1可得出，不同比例下的土样随着垂直压力的增加，抗剪强度也在不断增大，不同纤维掺入量的抗剪强度增长幅度较为一致。纤维掺入比为6%的垂直压力增长幅度较其他掺入量更为明显。随着木质纤维掺入量的增加，内摩擦角呈现出先增大后减小的趋势，但是变化区间较小，整体变化幅度保持在6°之间。随着纤维掺入量的增加，黏聚力也呈现出先增大后减小的趋势，且峰值都出现在掺入量为6%的纤维土样上。这表明木质纤维含量对红黏土物理性质的变化有一定程度的影响，当纤维掺量为6%时土体的抗剪强度最高，内摩擦角及黏聚力最佳。

2.2纤维对于红黏土压缩系数和压缩模量的影响

不同掺入量的木质纤维土体对抗压强度的影响如下图4～6，表4所示：

隨着木质纤维掺入量的增加，红黏土抗压强度也在不断增加。在图4中，各掺量的曲线斜率差距较小，各掺入量在同级受压时的孔隙比值差距平均。当掺入量为3%和6%时，其抗压强度在受压为0～200 kpa时的趋势线接近重合，说明此时的抗压强度接近一致。

图5显示，随着木质纤维掺入量的增加，土样的压缩模量呈现先增大后减小再增大的趋势，在纤维掺入量为12%时，压缩模量达到最大。在掺入量为0%～3%时，压缩模量有明显上升，在掺入量为3%之后，变化较为平缓，最大差值为0.35。

图6显示，随着木质纤维掺量的增加，红黏土的压缩系数呈现先减小后增大再减小的趋势。不渗入木质纤维时，土样的压缩系数最多。掺入量为3%～12%，压缩系数变化较小，接近平缓。在掺入量为3%时，压缩系数的下降趋势比较明显。同时在纤维掺入量为3%之后压缩系数的变化接近平缓。

根据表4及其标准规范，当时，属于低压缩性土；当时，属于中压缩性土；当大于等于0.5，或小于4 Mpa时，属于高压缩性土。由此得出原土为高压缩性土，掺入量为3%、6%、9%、12%的土体均为中压缩性土。木质纤维的掺入有助于降低红黏土压缩性，并增强土体的抗压强度。

3讨论与结论

在不同加压等级下，木质纤维有效增强了土体的抗剪强度，且呈规律性变化。纤维掺量基本不影响红黏土的黏聚力和内摩擦角。内摩擦角随着掺量的增加呈现先增加再减小的趋势，当掺入量为6%时，黏聚力与内摩擦角达到峰值。内摩擦角基本保持不变，变化仅维持在5°之间。抗剪强度在木质纤维掺入量为6%时达到最高值。当纤维掺入量为0%～3%时，红黏土的抗压强度及土体的压缩模量明显提高，土体的压缩系数明显降低。

基金项目：六盘水地区红黏土物理力学性质分析（No.20195201529）；六盘水师范学院科技创新团队项目（No.LPSSYKJTD201902）。

[贵州六盘水师范学院矿业与土木工程学院李常娜，粟梅（通讯作者），翟雨雨，钱德银，黄学锐，黄木金]