基于最优含水率的聚丙烯纤维加固膨胀土试验研究

2023-02-12汪卓，李佳，谭梦娟,黄芙蓉，王亮，方雅蓉，郭鸿

四川建筑 2023年5期

汪卓，李佳，谭梦娟, 黄芙蓉，王亮，方雅蓉，郭鸿

[摘要]以陕西省汉中市城固县柳林机场膨胀土为原材料，在最优含水率和最大干密度的条件下，将聚丙烯纤维按照0.06％、0.12％、0.18％的重量分别掺入膨胀土中制备试样。通过三轴试验和无侧限抗压强度试验研究了聚丙烯纤维对膨胀土强度的影响规律。结果表明：随着纤维的加入，膨胀土的抗剪强度有了明显的提升，膨胀土的变形破坏得到了一定的抑制。

[关键词]膨胀土；聚丙烯纤维；抗剪强度；掺量；最优含水率

[中国分类号]TU411.3 [文獻标志码]A

0引言

膨胀土是一种浸水后体积剧烈膨胀，失水后体积明显收缩的黏性土［1］。因为土壤中含有较多的黏土矿物，如蒙脱石和伊利石等，具备很强的亲水性，是一种气候敏感性土体。在岩边坡治理、基坑工程及路基、桥基等工程中，因为膨胀土的膨胀效应会发生道路沉降、建筑物变形开裂、边坡坍塌等，这将会给基础设施以及人民生命财产带来较大损失。因而研究膨胀土的改良，已经成为工程界和学术界普遍重视的问题。在工程实践中，主要采用石灰、粉煤灰和纤维等材料与素土混合进行改良膨胀土，使膨胀土路基、地基或边坡达到规范规定的强度标准。国内许多学者针对聚丙烯纤维改良膨胀土的强度进行了大量的试验研究，其结果显示，经改良后的纤维膨胀土强度都不同程度高于素土，纤维起到补强作用。邓友生等［2］学者通过试验发现聚丙烯纤维对膨胀土的增强作用在纤维膨胀土处于最优含筋量0.3%时尤为明显。庄心善等［3］学者通过试验得出磷尾矿-玄武岩纤维改良膨胀土的最佳掺量分别为6%和0.3%。施利国等［4］将纤维作为改良材料掺入灰土中，发现其峰值应力和抗剪强度均高于普通灰土。介玉新等［5-8］学者经过研究得出了加筋土在几种计算方法下的关系。李国维等［9］学者通过试验，以改良弱膨胀土后强度不损失的标准，确定了砂岩合理掺量为30%。孙树林等［10］学者通过用碱渣来改良膨胀土，表明了碱渣能改善膨胀土的各项强度指标，并且膨胀土的胀缩性能有所下降，得出了碱渣与膨胀土的合理配合比。张艳美等［11］学者对土工合成纤维补强机理进行了细致的理论说明，提出了能够反映多种影响因素的补强纤维计算公式。吴继玲［12］将不同长度的纤维掺入膨胀土，试验结果显示，纤维使得膨胀土的峰值强度有所增强，并在一定程度上抑制其破坏。以上学者的理论分析表明了外加物质改良膨胀土的工程力学特性具有很强的可行性。

汉中地区的膨胀土具有一定的典型性，其地域特征相对比较明显。但是目前就汉中地区膨胀土改良方面的文章报道还比较少。此外，膨胀土改良施工的关键在于其最优含水率，探求最优含水率条件下聚丙烯纤维对膨胀土工程力学特性的影响具有重要的实际意义。基于此，本文通过三轴剪切试验和无侧限抗压强度试验，研究不同掺量纤维下对汉中膨胀土的影响，旨在为用聚丙烯纤维改良膨胀土后的施工提供一定的理论参考。

1试验材料与试验方案

1.1试验材料

本试验所用膨胀土取自陕西省汉中市城固县柳林机场附近，颜色为黄褐色、红褐色，天然含水率条件下呈坚硬块状形态，其基本物理指标如表1。本文采取的聚丙烯纤维是一种高强、高模量、低延伸的工业合成纤维，该纤维的抗拉强度范围为500～650 MPa，直径范围为15～75 μm之间，长度为17 mm。聚丙烯纤维技术参数如表2。

1.2试样制备

试样制备前，先将准备好的膨胀土块进行去核处理，再在日光条件下进行晾晒，把较大的土块锤碎，再将较小的土块碾碎，分别过5 mm和2 mm的筛。将已过5 mm筛的土样进行击实试验，经试验测得膨胀土的最优含水率为19%，其最大干密度为1.85 g/cm3。以该膨胀土最优含水率和最大干密度为基础，配置每组所需膨胀土和水的质量，共9组。分别将0.06%、0.12％、0.18％的纤维手工撕开，均匀分散在土中（不同掺量的纤维试样各3组），并充分搅拌混合均匀。再将已经准备好的水均匀撒在纤维与膨胀土的混合物中，边搅拌边缓慢喷水，最后达到预定含水率。将配置好的膨胀土混合物放入容器内，并对每组进行标号，用保鲜膜将其密封完好。所有制备的土样静止24 h后开始制样。

将养护好的土体按每组标号，分别将其平均分为5份，依次装入内径为39.1 mm，高为80 mm的金属制样器。制作过程分5层进行由下至上的击实，每层压实后进行刮毛处理，确保每层土充分均匀接触。最后将制作好的试样用保鲜膜进行包裹处理并做好标识，准备力学试验。

1.3试验方案

为研究聚丙烯纤维对膨胀土各个指标的影响，分别对养护好的试样进行无侧限抗压强度试验和固结不排水三轴试验。试验所选用的仪器均为TSZ-1型应变控制式三轴仪。

（1）固结不排水三轴试验。试验开始前，将轴向变形和轴向力外表盘调零，并分别记录内表盘初始数据。将仪器的应变速率调节为0.08 mm/min。准备完毕后，将养护好的试样进行对比试验，分别对纤维掺量相同的试样施加100 kPa、200 kPa、300 kPa的围压，轴向变形外表盘每转一圈，记录2表数据，直至试样高度压缩量为原来高度的15％。

（2）无侧限抗压强度试验。将仪器应变速率调节为0.08 mm/min，将纤维含量为0.18％的2组试样进行无侧限抗压强度试验。

2试验结果分析

在诸多实际工程中，膨胀土因其缩胀特性，受力剪切变形甚至破坏，都会对工程造成较大影响。一方面，不同埋置深度的膨胀土剪切峰值强度也不尽相同，另一方面，无侧限条件下的膨胀土工程诸如人工夯筑墙体在上覆荷载破坏时属于无侧限工况。本文分别就这2种工况进行了三轴剪切试验和无侧限抗压强度试验。

在试验过程中，改良土试样无侧限抗压强度试验以及三轴剪切试验破坏后的状况如图1所示。可以看出，不同纤维含量条件下膨胀土的破坏主要以压剪破坏为主，没有出现明显的斜向剪切面。

图2为不同的纤维掺量下膨胀土试样分别在100 kPa、200 kPa、300 kPa这3组围压下的应力-应变曲线。通过对比发现，不同纤维掺量的下的膨胀土应力-应变曲线有显著的变化。在轴向应变初始变化阶段，随着轴向应变逐渐增大，主应力差呈增长趋势，且增长趋势较快，没有明显的峰值强度，属于弹性变形阶段，试样基本没有出现裂隙，其应力-应变曲线呈应变硬化形。随着轴向应变继续增大，主应力差的增长趋于平缓，试样逐渐进入屈服和破坏阶段。

从图2（c）明显看出，在纤维掺量相同的情况下，无侧限条件下的2组试样应力应变曲线基本趋于一致，与素土相比，其抗压强度有显著的提升。在纤维掺量不变的情况下，有围压下的一组试样比无围压的俩组试样抗压强度明显提升。其结果表明，当施加的围压增大时，土粒之间的压缩愈加紧密，适当数量的纤维均匀分布在土颗粒表面，使颗粒周围的约束更加明显，从而使得改良膨胀土斜截面的破坏得到了抑制。

从图3可以看出，在围压的变化下，主应力差和轴向应变呈线性关系。随着轴向应变的增加，主应力差呈增长趋势，其增长率逐渐减小。一方面，对比不同纤维掺量的曲线，其增长率随着纤维掺量的增加而逐渐提高。这是因为在纤维掺量较小的情况下，纤维以单根的状态与土体颗粒相接触，从而产生一维约束。随着纤维掺量的增加，纤维之间形成网状形态，当试样受力时，纤维对土体产生三维约束。另一方面，在围压一定的情况下，随着纤维掺量的增加，膨胀土的抗压强度有明显的增强。产生此现象的原因是纤维与土颗粒之间相互交汇，从而产生摩擦力，在一定程度上抑制了膨胀土在侧向和竖向变形，使得土体的破坏程度减小。随着纤维掺量的增加，改良后的膨胀土其变形抑制作用更加明显。

为了进一步讨论不同纤维掺量对膨胀土强度的影响，绘制了莫尔破坏包线，得到了总内摩擦角和总黏聚力，如图4和表3所示。由莫尔破坏包线可知，该试验试样属于超固结试样。在素土中掺入纖维，使得原土壤与土壤之间的黏附力被破坏，纤维与膨胀土之间所产生摩阻力远大于原来的黏附力。此摩阻力增大了土颗粒间的拉力，抵抗剪切时的部分剪切力，从而使膨胀土的总内摩擦角和总黏聚力在一定的范围内有所提升。随着纤维掺量的增加，改良后的膨胀土其抗剪强度与素土相比有明显增强。

3结论

在膨胀土最大干密度和最优含水率的条件下，分别将不同掺量的纤维均匀掺入膨胀土中，进行了固结不排水三轴试

验和无侧限抗压强度试验。经过对比9组试样在不同条件下的强度，得出结论：

（1）经过聚丙烯纤维改良后的膨胀土，其无侧限抗压强度有所增强，俩者之间相互交织产生摩擦力，有效抑制了土体的变形。

（2）聚丙烯纤维改良后的膨胀土，其总黏聚力和总内摩擦角在一定范围内随着纤维掺量的增加而有所提高。

（3）不同纤维掺量的膨胀土，无论是三轴条件还是无侧限条件，其破坏方式基本都是压剪破坏。

参考文献

［1］周亮，尹诚，韩雪刚.地质聚合物在特殊土处理中的应用研究进展［J］.科学与生活，2021，15（7）：56-60.

［2］邓友生，吴鹏，赵明华，等. 基于最优含水率的聚丙烯纤维增强膨胀土强度研究［J］. 岩土力学，2017，38（2）：349-353+360.

［3］庄心善，杨文博，胡其志，等. 磷尾矿最佳掺量下玄武岩纤维加固膨胀土研究［J］. 人民长江，2017，48（S2）：244-247.

［4］施利国，张孟喜，曹鹏. 聚丙烯纤维加筋灰土的三轴强度特性［J］. 岩土力学，2011，32（9）：2721-2728.

［5］介玉新. 加筋土不同计算方法之间的关系［J］. 岩土力学，2011，32（S1）：43-48.