冻融条件下玄武岩纤维改良水泥土抗剪强度试验研究*

巨澍朋，贾 斌，张文权

（塔里木大学 水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

我国季节性冻土和常年冻土分布广泛，在这些地区的路基和复合地基工程中，提高集合料在冻融循环条件下的强度和改善其在恶劣环境下抵抗侵蚀的能力是水泥土在上述地区能够长期使用的关键[1]。董慧等[2-4]通过试验发现与未冻融水泥土相比，冻融水泥土的强度受含水率的影响更大；冻融水泥土的强度和剩余质量均随冻融次数的增加而减小。

相关研究表明，在水泥土中均匀地掺入适量纤维可以改善水泥土的抗压强度、抗拉强度和抗冻融性能[5-8]。高常辉等[9]研究了玄武岩纤维和砂对水泥土强度的影响，发现掺砂量适宜时，水泥土的强度有一定程度的提高。王闵闵等[10]通过试验发现纤维掺量相同时玄武岩纤维水泥土的抗压强度、最大动弹性模量均高于聚丙烯纤维水泥土。张迪迪等[11]通过试验研究发现，玄武岩纤维掺量为1.5%的水泥土，试样的高度、质量和波速随着冻融循环次数的增加总体呈先减小后增大的趋势。陈峰[12]通过试验研究了玄武岩纤维水泥土的劈裂抗拉强度和无侧限抗压强度，建立了劈裂抗拉强度与无侧限抗压强度的经验关系式。目前，对玄武岩纤维水泥土冻融特性的研究非常缺乏。

1 研究内容

试验土样均取自兵团第一师阿拉尔市沙漠公路周边沿线附近，根据《土工试样方法标准》（GBT 50123-2019）的要求，对试验用土进行一系列的基本物理性质试验，得到该黏土的基本物理性质指标见表1；改良材料为玄武岩纤维，由浙江石金玄武岩纤维有限公司生产，其性质见表2；以及42.5 普通硅酸盐水泥，由天山水泥股份有限公司生产。针对冻融循环后的玄武岩纤维水泥改良土，在水泥含量ac为18%、纤维长度lf为12～13mm、纤维掺量af为1.5%，在冻融循环次数N 为0、1、2、3、4、5 次条件下进行一系列直剪试验，测出在不同垂直压力下最大的抗剪强度，并研究抗剪强度、粘聚力、内摩擦角与冻融循环次数变化的关系。涉及的直剪试验均在新疆阿拉尔市塔里木大学工科实训大楼土工试验室的ZJ 型应变式控制直剪仪上进行。

表1 试样土的基本物理性质指标数值

表2 玄武岩纤维性质

2 试验方案

本次直剪试验的试验方案见表3。

表3 试验方案

3 分析冻融循环次数对抗剪强度以及抗剪强度指标的影响

3.1 冻融循环次数对抗剪强度的影响

冻融循环次数N 为0、1、2、3、4、5 次，水泥含量ac为18%，玄武岩纤维长度lf为12～13mm 和玄武岩纤维掺量af为1.5%，在不同法向应力下，取每种配比的3个数据的平均值作为一次试验结果进行分析，分别见表4，图1。

表4 抗剪强度随冻融循环次数变化关系

由图1 可知，随着法向应力的逐级增加，在水泥含量ac为18%，玄武岩纤维长度lf为12～13mm 和玄武岩纤维掺量af为1.5%下的玄武岩纤维改良水泥土的抗剪强度呈现增大趋势，并在法向应力为400kPa 时，其抗剪强度达到最大值。这说明法向应力的增大，对抗剪强度起有利影响。

由图1 可知，随着冻融循环次数的依次增加，在水泥含量ac为18%，玄武岩纤维长度lf为12～13mm 和玄武岩纤维掺量af为1.5%下的玄武岩纤维改良水泥土的抗剪强度呈现降低趋势。冻融循环次数在0 至1 阶段时，下降的趋势最大，说明此阶段对玄武岩纤维改良水泥土的抗剪强度不利影响趋势最大；当冻融循环次数增加时，下降趋势越来越平缓，这说明对其抗剪强度不利影响增加趋势逐渐平缓。当冻融循环次数达到5 次时，抗剪强度最小，此时的不利影响达到最大。

3.2 冻融循环次数与粘聚力和内摩擦角的关系

从表5 和图2 可以发现，5 种配比下的玄武岩纤维改良水泥土冻融循环次数从0 次增加到3 次，所对应的粘聚力呈现急剧降低趋势，这说明在此阶段冻融次数的变化对玄武岩纤维改良水泥土的粘聚力的不利影响最大。

图2 冻融循环次数与粘聚力的关系

表5 冻融循环次数与粘聚力的关系

从表6 可以得出：当冻融循环次数一定时，玄武岩纤维长度为12～13mm，纤维掺量为1.5%，水泥含量为18%时，此配比下对玄武岩纤维改良水泥土的内摩擦角达到极限。

表6 冻融循环次数与内摩擦角的关系

3.3 冻融循环次数对抗剪强度指标的影响

根据试验所得出的试验结果和绘制出的抗剪强度曲线，通过查询《工程地质手册》（第五版）中的最小二原理计算土体的内摩擦角和粘聚力值C，用以下公式求得：

式中：σi-第i 次试验的法向应力；τi-对应于σi的抗剪强度。

根据表4 中的数据，再根据式（1）和式（2），计算随纤维含量变化的内摩擦角和粘聚力值C，见表7，图3。

图3 抗剪强度指标随冻融循环次数变化关系

表7 抗剪强度指标随冻融循环次数变化关系

由图2 可知，随着冻融循环次数的增加，粘聚力呈现明显降低趋势，这说明冻融循环对粘聚力起着不利影响。从图中可以得知随着冻融循环次数的增加，粘聚力的下降量在逐渐减小，这说明随着冻融循环次数的增加，对其粘聚力的不利影响增加趋势逐渐平缓。当冻融循环次数达到5 次时，粘聚力达到最小值，此时达到最不利影响。从图中得知内摩擦角随着冻融循环次数的增加呈现出先增大后减小的趋势。在冻融循环次数为1 次时，其粘聚力为最不利影响。随着冻融循环次数的增加，其内摩擦角逐渐增大，增加量逐渐趋于平缓，这说明随着冻融循环次数的增加，对其内摩擦角的不利影响正在减小。

4 结论

（1）抗剪强度随着冻融循环次数的增加而呈现降低趋势，且在冻融循环次数为5 次时，抗剪强度达到最低值。

（2）粘聚力随着冻融循环次数的增加而呈现降低趋势，且在冻融循环次数为5 次时，粘聚力达到最低值。

（3）当冻融循环次数、玄武岩纤维长度、水泥含量不变时，内摩擦角随着玄武岩纤维掺量的增加而呈现先增大后减小的趋势。

（4）本试验由于仪器精度不够，因此试验数据还存在一定的误差。

（5）本试验的数据可作为季节性冻土地区地基集合料提供相关基础数据进行参考。