膨胀合成纤维土工程特性研究

潘洋，邱模清，张虹

（1.安徽省交通航务工程有限公司，安徽 合肥 230001；2.中化学南方建设投资有限公司，广东 广州 341000）

1 引言

膨胀土[1]是在自然地质发展过程形成的具有明显胀缩性和多裂隙的黏性地质土体，亦称胀缩土，有的地方称为裂隙粘土。膨胀土由于其失水收缩、遇水膨胀的特性在工程建设中一直以来都是屡见不鲜的病害原因之一[2]。有学者发现，石灰、水泥等稳定剂在土性改良上发挥很大作用[3-4]，也可以通过添加纤维作为一种加筋材料，以提高填筑土的工程性质[5-6]。

本文主要将不同特性的纤维（聚酯纤维（JZXW）、聚乙烯醇纤维(JYXC)、聚丙烯纤维(JBX)等）添加到膨胀土土质中。通过室内试验分析研究，掺加水泥、石灰、粉煤灰等无机料形成无机稳定土，研究纤维种类、纤维掺量、纤维长度等参数对无机稳定土的无侧限抗压强度及应力-应变特性等变化情况研究。

2 不同纤维膨胀土稳定土的应力-应变试验研究

本文进行室内试验的膨胀土取自合肥某一市政工程，并按研究试验设计方案进行配土制样，进行掺加不同纤维稳定土的三轴剪切试验，试样尺寸（直径×高度）为D×H=39.1mm×80mm。试样为水泥掺量6%，聚乙烯醇（JYXC）纤维（掺量0.3%，长度9mm），标准养护1天。其他纤维的试验规律相同。为减小试验的误差，每组试样做3个平行试验取平均值。试验制样时，把干密度作为控制标准，通过击实的方式制备试样，并确保试样的体积相同。

从图1中可以看出，样品的形态会受到剪切的影响。在施加不同的力作用下，试样发生的形变具有力的方向缩减、垂直力的方向变大的特点。在试样的中间地方会出现明显的膨胀变形，并且，试样的剪切面不是一个简简单单的一维平面，而是一个缓慢变化的立体结构。造成这种现象的原因是，当施加的力较小的时候，在力的方向上的形变很小，样品表现出脆性破坏的特征；微观上来说的话，在力的作用下，颗粒会趋向于定向排列，颗粒之间的受到的作用力情况不是很复杂。但施加的外力变大的时候，在力的方向上的形变也随之变大，样品表现出塑性破坏的特征，这时候样品被压实，只能通过向垂直于力的方向扩张来抵消这个作用，造成颗粒也会沿着这个方向发生移动，从而，这时候的作用力也会变得复杂。

图1 试样剪切前后变化

试验数据见表1所示，试样剪切前后的外形变化情况如图1所示，不同纤维稳定土的应力-应变曲线如图2所示，其他纤维稳定土的曲线规律相同。

水泥掺量6%长度9mm纤维掺量0.3%的聚乙烯醇稳定土三轴试验数据 表1

图2 水泥掺量6%长度9mm纤维掺量0.3%的JYXC三轴应力应变曲线

由图2可以看出，当轴向位移的数值变大的时候，应力-应变曲线会出现一些细小的波动，而不是想象中的非常的平滑。造成这种现象的原因是当样品的受力达到一定值以后，内部微观的颗粒排列方式会发生变化，这样会造成其受力的不均匀分布，从而造成上述这种波动现象的产生。

无机稳定土的三轴剪切试验的应力-应变关系曲线差不多是一样的。不同情况下的应力-应变曲线都表现出三个阶段的变化：①线弹性变形阶段，该阶段的主应力差随着轴向应变的增大而近似呈线性增大，而且经历的时间较短；②初始屈服阶段，该阶段曲线的切线斜率迅速下降；③平缓收敛阶级，当样品的形变继续增大的时候，颗粒之间的作用也会随之变大，从而相互之间会产生各种作用力，在应力-应变曲线中表现出应变软化收敛。这个阶段的存在时间会比较长，直到最后样品发生完全的失效。

在不同的压力作用下，试样的应力-应变曲线都具有非线性的特点，类似于双曲线函数[7]。随着围压的增加，应力-应变曲线由应变软化型向应变硬化型转化，围压较大时，应力-应变曲线变得更陡峭，也就表明它的斜率会很大，同时它的最大值也会很大，这样会造成土砂颗粒在剪切破坏的时候遇到较大的阻力，也就会表现出明显的应变硬化；相反，当所加的外力较小的时候，这时候土砂颗粒受到的阻力也会较小，能够在较小的力作用下就能达到最大应力值，表现出明显的应变硬化，这跟邱模清等的研究规律是一致的[8]。

从图3可以看出：不同纤维掺杂的膨胀土均表现出三阶段变化，即线弹性变形阶段、初始屈服阶段和平缓收敛阶段；对于不同的纤维而言，当掺杂量提升的时候，其最大应力都会逐渐变大，且高掺杂比例下的变化幅度要更大。对于应变而言，随着掺杂量的变大，表现出先减小后增大的趋势；在相同的掺杂量下，不同纤维所能承受的最大应力排序为聚乙烯醇纤维＞聚酯纤维＞聚丙烯纤维，这说明，相比较于其他两种纤维而言，聚乙烯醇纤维具有更优异的力学性能。

图3 不同纤维稳定土的应力-应变曲线

3 不同纤维膨胀土稳定土的无侧限抗压强度特性分析

由于纤维稳定土的强度随着时间增长而增大，它的破坏形式也会发生变化，主要表现为脆性破坏和弹塑破坏，并且随着所产生应变的变大，它的应力变化会出现最大值，一般来讲，他们的无侧限抗压强度试验过程主要分为初始压密阶段、线弹性变形阶段、塑性屈服阶段和软化收敛阶段等四个变形阶段。

①初始压密阶段：在样品制备的过程中，各种东西的相互混合会产生一定的化学反应产生一定的热量，这就会造成制备的样品内部会存在一定的缝隙。当受到外力作用的时候，这些空隙被压实，从而造成其密度变大、弹性模量增大，使得在应力-应变关系曲线中表现出微乎其微的下降趋势，但这个阶段持续的时间不会很长。

②线弹性变形阶段：在上述阶段以后，应力-应变曲线表现出线性变化，也就是应力随着应变的增大而增大，并且增长率相对较大，样品进入弹性变形阶段，并且，这个阶段的持续时间较长。从微观上来看的话，在这种情况下，样品表面会出现一些微小的裂缝。

③塑性屈服阶段：在线型变化阶段以后，应力-应变曲线表现出非线性的变化，也就是应力与应变的关系不是线性的，应力的增长率变缓，样品进入塑性变形阶段，并且，在这个阶段会出现应力的最大值。从微观上来看的话，由于应变的不断变大，样品表面的裂缝会逐渐变宽，并且不断地深入，轴向出现明显的减缩，横向向外膨胀，表面的一些土砂颗粒会发生掉落。

④软化收敛阶段：当应变继续增大的时候，应力不增反降，最终达到一个稳定值，这时候曲线的斜率是负的，斜率也表现出先减小后不变的趋势。密实度和弹性模量均减小，它的应力-应变关系曲线表现出收敛的状况。这个阶段样品存在明显的应力集中，裂缝在整个样品中都会存在，试样颗粒开始掉落，这是最后一个阶段，直到实验的结束。

在本实验中，无侧限抗压强度试验的仪器采用山东威海市试验机械制造有限公司生产的微机控制式电子万能试验机，试样为尺寸70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体试块。该试验主要是为了研究在不同纤维种类在不同水泥掺量配比下稳定土的无侧限抗压强度特性规律。试样的纤维掺量为0.3%，长度为9mm，水泥掺量分别为3%、4.5%、6%，标准养护28天。

从图4可以看出，在同一纤维稳定土下，膨胀土掺量越大，曲线出现峰值应力的状态更加明显，强度增强，变形模量增大，其无侧限抗压的峰值强度越大，且强度增长速率越明显。同一水泥掺量下，加固效果的优劣为：聚乙烯醇纤维（JYXC）＞聚酯纤维（JZXW）＞聚丙烯纤维（JBX）。所以，在接下的实验中我们选取不同规则的聚乙烯醇纤维进行相关的表征。

图4 膨胀土稳定土的无侧限抗压强度关系曲线（纤维掺量0.3%、长9mm）

由表2可知：纤维掺入土体后，土体的内摩擦角变化不是很大，几乎都在一个范围内波动，但随着纤维含量的增加，粘聚力的提高比较明显，但增加幅度不断减小。同一纤维稳定土且膨胀土掺量相同时，纤维长度越长，无侧限抗压强度越大，且呈收敛趋势变化，最佳长度为9 mm左右。相同条件下掺入12 mm纤维的稳定土，其无侧限抗压强度是掺入3mm纤维时的1.2倍左右。

不同纤维掺量、长度下的三轴试验抗剪强度数据 表2

4 结论

将不同特性的纤维（聚酯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维等）添加到膨胀土中。研究了纤维种类、纤维掺量、纤维长度等参数对无机稳定土的无侧限抗压强度及应力-应变特性等变化情况，发现相比较于其他两种纤维，聚乙烯醇纤维表现出更高的性能，当其掺杂量变化时，其性能也会相应地发生变化。在长度方面，实验中发现最佳的纤维长度为9 mm，这能够为相关生产活动提供借鉴意义。