南疆季冻区玄武岩纤维改良水泥土抗剪强度试验研究∗

2023-12-25巨澍朋张文权杨保存杨晓松张勤玲

粉煤灰综合利用 2023年6期

巨澍朋，张文权，杨保存，杨晓松，张勤玲

（塔里木大学水利与建筑工程学院／南疆岩土工程研究中心，中国阿拉尔843300）

0 引言

近年来，学者们将不同的纤维掺入到水泥土中，将土体改良技术中的化学改良法和力学改良法有机结合，形成纤维加筋水泥土，通常简称纤维水泥土。大量结果表明，在水泥土中加入聚丙烯纤维［1］、玻璃纤维［2］、聚苯乙烯纤维［3］等纤维材料可以提高水泥土抗压和抗拉强度。

季节性冻土区是指地表层冬季冻结、夏季全部融化的地区。玄武岩纤维抗拉强度高、弹性模量大，具有耐腐蚀、耐高温等特性，在性价比上比其他纤维具有较明显的优势，因此，许多学者开展了玄武岩纤维对水泥土加固效果影响的研究［4－5］。胡建林等［6］发现玄武岩纤维对水泥土抗压、抗拉强度均有所提升；陈峰［7－9］发现玄武岩纤维的掺入不仅可以提高水泥土的抗拉强度，还可增强水泥土塑性，对其黏聚力增强效果较为明显；高常辉等［10］通过试验表明，掺入适量玄武岩纤维能够使水泥土在破坏时保持较好的整体性。然而，目前将玄武岩纤维掺入南疆季冻区黏土的研究很少见到，本文以玄武岩纤维和水泥为加固材料，对此进行了相应的研究，为玄武岩纤维在南疆季冻区的水泥土加固提供参考。

1 研究内容

本文采用的土样取自新疆第一师阿拉尔市周边沙漠公路沿线附近，其基本物理性质指标见表1；试验中所采用的水泥为新疆天山水泥股份有限公司生产的普通硅酸盐水泥，水泥的强度等级为P·O 42.5，试验掺入水泥含量为9%；试验所选的玄武岩纤维为浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的短切玄武岩纤维，其参数见表2，掺入纤维长度lf为12 mm～13 mm、纤维掺量af为1.5%。

表1 土的基本物理性质指标数值Table 1 Basic physical property index of soil

表2 玄武岩纤维参数Table 2 Basalt fiber parameters

本研究按照JGJ／T233－2011 《水泥土配合比设计规程》的要求进行试验。试样制作用面积为30 cm2，高为2 cm 环刀的圆柱体试模，将制作好的试样进行包膜，并在－20 °C 和20 °C 下分别冻融12 h，冻融循环次数N 分别为0 次、1 次、2 次、3 次、4 次、5 次。最后再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，并研究抗剪强度及抗剪强度指标与冻融循环次数变化的关系。

本次直剪试验的试验方案见表3。

表3 试验方案Table 3 Experimental research program

2 分析冻融循环次数对抗剪强度以及抗剪强度指标的影响

2.1 冻融循环次数对抗剪强度的影响

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，如图1 所示。

图1 水泥土抗剪强度随冻融循环次数变化关系Fig.1 Relationship between shear strength of soil－cement and the number of freeze－thaw cycles

由图1 可知，随着法向应力的逐级增加，抗剪强度呈现增大趋势，并在法向应力为400 kPa时，其抗剪强度达到最大值。这说明加入纤维后，随着法向应力的增大，改良土与纯土相比其抗剪强度增加幅度更大。

随着冻融循环次数的增加，两种试样的抗剪强度呈现降低趋势。冻融循环次数在0 ～1 次时，降低幅度最大，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；当冻融循环次数在增加时，降低幅度趋于平缓，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，且对抗剪强度不利影响达到最大。

由图1 和图2 对比可知，水泥含量为9%、纤维长度为12 mm～13 mm 和纤维含量为1.5%的配比组成的改良水泥土的抗剪强度明显比纯土的抗剪强度大，这说明该配比下，纤维的加入，能有效地提高水泥土的抗剪强度。

图2 纯土的抗剪强度随冻融循环次数变化关系Fig.2 The relationship between shear strength of pure soil and the number of freeze－thaw cycles

2.2 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，最小二乘法拟合土体的内摩擦角和黏聚力值c。

水泥土和纯土两种试样的抗剪强度指标，如表4 和表5 所示。

表5 纯土的抗剪强度指标随冻融循环次数变化关系Table 5 The relationship between shear strength index of pure soil and the number of freeze－thaw cycles

由图3 可知，随着冻融循环次数的增加，两种试样的黏聚力呈现降低趋势，这说明冻融循环对黏聚力起着不利影响。从图中可以得知随着冻融循环次数的增加，黏聚力的下降幅度逐渐减小，这说明随着冻融循环次数的增加，对其黏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，黏聚力达到最小值，对黏聚力不利影响达到最大。

图3 抗剪强度指标随冻融循环次数变化关系Fig.3 The relationship between shear strength index and the numberof freeze－thaw cycles

从图3 得知，该配比下的改良水泥土内摩擦角变化范围21.61°～15.33°，随着冻融循环次数的增加呈现出先增大后减小再减小的趋势。且在冻融循环次数从1 次增加到2 次，内摩擦角降低幅度最大，这说明此阶段对其内摩擦角的不利影响增加趋势最大。在冻融循环次数增加到5 次时，内摩擦角达到最小值，对内摩擦角不利影响达到最大。纯土的内摩擦角变化范围13.13°～19.01°。随着冻融循环次数的增加呈现出先增大后减小再减小的趋势。且在冻融循环次数从1 次增加到2 次，内摩擦角降低幅度最大，这说明此阶段对内摩擦角的不利影响增加趋势最大。在冻融循环次数增加到1 次时，内摩擦角降到最小值，对内摩擦角不利影响达到最大。