波形纤维对砂质黏性紫色土力学性能的影响

2020-06-09杨莉莉，谢春燕，石浩廷，潘建勋，吴达科

人民长江 2020年4期

杨莉莉，谢春燕，石浩廷，潘建勋，吴达科

(西南大学工程技术学院，重庆 400700)

紫色土是由中生代时期紫色砂岩、页岩、泥岩经数个世纪漫长的风化、侵蚀、固结发育演变而成且侵蚀性较高的岩性土。重庆地区紫色土属砂质黏性紫色土，具有一定的湿胀干缩性，在干湿交替作用下容易龟裂[1]。由于重庆地区气候湿热，土体在快速的干湿循环过程中极易发生侵蚀破坏，造成边坡滑落、路基塌陷、泥石流等灾害。

加筋土技术作为一种土体改良技术，被广泛运用在加固软土地基、边坡、挡土墙等工程中。随着各种加筋材料的大量运用，纤维因其具有较好的分散性、力学性能和耐腐蚀等优点而受到学者们的重视[2-3]。纤维加筋土作为一种相对均质的、具有近似各向同性的新型土工复合材料[4-5]，国内外对其已开展了大量研究。

在天然纤维方面，Diab[6]等通过不固结不排水的三轴试验研究大麻纤维对压实黏土负荷响应的影响，结果表明，对Hemp增强的试样，可提高100%剪切强度。Fagone等[7-8]通过试验研究黄麻纤维对加筋土强度的影响，分析了纤维加筋的尺寸效应，其中Wang等发现在纤维含量为0.6%、长度为6 mm时，土体强度最高，且随着纤维含量和长度的增加，纤维加筋土的凝聚力先增加后下降，而内摩擦角无明显变化。Mohamed[9]研究了草纤维土的抗剪强度特性，结果表明随着纤维掺量的增加，纤维土抗剪强度呈先增大后减小的变化趋势，在纤维掺量为1%时抗剪强度最大。刘建龙[10]等通过无侧限抗压强度试验，发现棉纤维加筋土的无侧限抗压强度随加筋量和加筋长度的增加呈现先增大后减小的趋势。在人工合成纤维方面，Estabragh[11]等研究了尼龙纤维对粘土性能的影响，得知掺入尼龙纤维可增加土壤的剪切强度和内摩擦角，且随着纤维含量的增加，加筋土的预固结压力降低，膨胀和压缩系数增加。Patel和Singh[12]研究了玻璃纤维对黏性土强度的影响，发现CBR和割线模量都随着纤维含量和纤维长度的增加而增加。国内学者赵莹莹[13-14]等对聚丙烯纤维加筋土的研究表明，聚丙烯纤维的掺入会提高土体强度、改善其变形特性，且随着围压增加而提高；同时能增强土体的凝聚力，但几乎不会影响内摩擦角。李建[15]对波形纤维加筋粉质黏土开展无侧限压缩试验，研究表明无侧限抗压强度随纤维含量的增加而增强。唐朝生[16]通过电镜微观扫描研究纤维加筋土中筋/土界面相互作用，结果表明纤维的加筋效果取决于筋/土界面作用强度，筋/土界面之间的力学作用主要有2种形式:黏接和摩擦。唐朝生[17]还通过自行设计的纤维拉拔试验装置进行单根纤维的拉拔试验，利用测得的筋土界面强度导出了纤维加筋的临界长度。上述加筋土力学特性的研究有利于促进加筋土的工程实际应用，但仍存在着不足：① 研究中所用的加筋材料普遍是直线形的，缺乏对波形以及其他形状的加筋材料的研究；② 尚需分析波形纤维加筋土的抗剪强度以及其影响因素，如纤维含量、长度等。因此，有必要在现有研究的基础上对波形纤维加筋土进行系统研究。

为此，本文针对重庆地区的砂质黏性紫色土，在土样中掺入不同含量、不同长度的波形聚丙烯纤维进行无侧限压缩和三轴压缩试验，通过对比分析，研究波形聚丙烯纤维对加筋土力学性能的影响，为今后波形聚丙烯纤维加筋土设计提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土样为中国西南地区常见的砂质黏性紫色土。土样呈硬塑状态，矿物成分主要包括高岭石、蒙脱石和蛭石等，其物理力学性质见表1。加筋材料选用波形聚丙烯纤维，其横截面近似于0.4 mm×1.0 mm的长方形，其物理力学参数见表2。

表1 土样的物理力学参数

表2 波形聚丙烯纤维的物理力学参数

1.2 试样设计及制备

试验选取的纤维长度为20,30,40 mm，纤维含量分别为0.2%、0.3%、0.4%。将所取土样进行烘干和粉碎处理后过2 mm的筛备用。以最大干密度1.7 g/cm3来控制试验所制土样的质量，试验按照天然含水率18.4%进行土样配制，并用保鲜膜将配制好的土样密封养护24 h，使水分浸润均匀。无侧限压缩试验选用的模具尺寸为50 mm×100 mm，三轴压缩试验选用的模具尺寸为38.1 mm×80 mm，均采用静压法制样。

1.3 试验方法

试验参照JTGE40-2007《公路土工试验规程》[18]进行，无侧限压缩强度试验采用YSH-2型无侧限抗压仪测定，设定轴向压缩速率为1 mm/min，每隔15 s记录一次数据。三轴压缩试验采用TCK-1型三轴压缩仪，设定轴向压缩速率为0.8 mm/min，在设定的围压下进行压缩。

2 结果和讨论

2.1 无侧限压缩试验

2.1.1无侧限抗压强度

图1是纤维含量对无侧限抗压强度的影响。由图1可知，与素土相比，掺入纤维可明显增强试样的无侧限抗压强度，且在3种纤维长度下，随着纤维含量的增加，加筋土的无侧限抗压强度均呈先增大后减小的趋势；在波形纤维含量为0.3%时，无侧限抗压强度达到最大值。当纤维含量为0.2%时，试样的无侧限抗压强度小于纤维含量为0.3%和0.4%的试样，这是由于在纤维含量较低时，提供的约束作用有限，对试样的无侧向抗压强度提升较低。随着波形纤维含量的增加，纤维产生的约束作用随之增强；当裂隙产生时，纤维的拉筋作用可有效减缓裂缝的发展速度，保持土体的整体性，对加筋土的抗压强度提升更大。当纤维含量进一步增加时，纤维之间相互发生堆叠，存在潜在裂隙、形成薄弱面，在破坏时产生的裂缝易沿薄弱面发展，从而导致抗压强度下降。所以存在最优纤维掺量0.3%，使加筋效果达到最佳。

图1 纤维含量对无侧限抗压强度的影响

图2是纤维长度对无侧限抗压强度的影响。由图可知，纤维长度为30 mm和40 mm的试样其无侧限抗压强度显著高于20 mm的试样，在纤维长度为30 mm时强度最大。其主要原因有两方面，① 单根纤维与土体产生的约束作用；② 纤维数量。纤维在含量相同的情况下，纤维较短时，单根纤维与土样接触面积小，产生的约束作用较弱，且纤维数量更多，潜在裂隙更多，产生的裂缝更易发展，进而无侧限抗压强度相对较小。随着纤维长度增加，单根纤维产生的约束作用增强；且纤维数量减少，存在的潜在裂隙也减少，两种作用同时产生增强作用，对无侧限抗压强度提升很大。随着纤维长度进一步增加，单根纤维与土体产生的约束作用更强，潜在裂隙也减少，但由于数量减少，纤维产生的总的约束作用降低了，两种作用产生消减效果，故无侧限强度反而比长度为30 mm的试样还低。

图2 纤维长度对无侧限抗压强度的影响

2.1.2变形特性

图3是纤维含量和长度对试样应力-应变的影响。由图3可知，加筋土和素土试样的应力-应变曲线均呈现应变软化特征。由图3(a)～(c)可得，加筋土轴向应变在2%之前，轴向应力随轴向应变呈直线增长；随着应变的增大，应力增长变慢并逐渐趋于平缓；当轴向应变达到5%，曲线出现转折，应力随应变的增加逐渐减小并趋于稳定。同时观察试件的残余强度可以发现，加筋土试样的残余强度明显大于素土试样。其中纤维含量为0.3%的试件残余强度最大。由图3(d)可发现，不同纤维长度的试样，其应力-应变曲线明显不同。在线弹性阶段，“长纤维”试样的轴向应力增长明显大于“短纤维”试样，且轴向应力峰值也明显提高。“长纤维”试样达到应力峰值时，应变约为4%；“短纤维”试样达到应力峰值时，应变约为5%。达到峰值后应力随应变出现呈下降趋势，且破坏后，“短纤维”的残余强度大于“长纤维”。说明在纤维含量相同时，增加纤维长度可增加加筋土试样的无侧限抗压强度，但同时也会削弱试样的破坏韧性，导致试件在软化阶段下降的强度多，残余强度较低。

图3 纤维含量和长度对试样应力-应变曲线的影响

2.2 三轴压缩试验

按照试验设计的纤维含量和长度制作试样，依照试验规范要求，在不同围压(50,100,150 kPa)下进行不固结不排水的三轴压缩试验，选取偏应力峰值与围压的关系进行线性拟合，根据拟合曲线(见图4)计算得到内摩擦角和凝聚力，以此探究纤维对波形纤维加筋土抗剪特性的影响。从图4(a)～(c)中可发现，与素土试样比，加筋土的偏应力在各种含量和长度下均有所提升，抗剪能力增强；且通过增加纤维含量和长度均可提升试样的偏应力强度。图4(a)中，当纤维长度为20 mm时，同一围压下不同纤维的加筋土偏应力拟合直线与素土的差别较小；图4(c)中，当纤维长度为40 mm时，加筋土试样偏应力较素土试样增加较多，拟合直线差别较大。说明当纤维长度较长时，对土体的偏应力强度提高较多，试样的加筋效果较好。

图4 偏应力与围压的关系曲线

图5是纤维含量和长度对土体凝聚力的影响。由图5可知，纤维含量和长度对加筋土凝聚力影响较大。随着纤维含量的增加，试样凝聚力逐渐增大；同一含量下，随着纤维长度的增加，试样的凝聚力也会增大。在长度为20 mm时，纤维含量为0.4%的试样其凝聚力较原始试样增加了39.7%；含量为0.3%时，增加了30.0%；含量为0.4%时，增加了26.3%。说明在纤维长度较低时，纤维含量的增加对凝聚力增加更明显。在含量为0.2%时，40 mm纤维试样的凝聚力较20 mm试样增加了26.4%；含量为0.3%时，增加了8.7%；含量为0.4%时，增加了11.6%。显然纤维含量较少时，长度的变化对凝聚力影响更大。