聚丙烯纤维改良膨胀土抗剪强度试验研究

张紫怡，党芳，郝晨曦，任浩，黄晨，杜甜甜，郭鸿，3

（1.陕西理工大学土木工程与建筑学院，陕西 汉中 723000；2.陕西理工大学人居环境科研学社，陕西 汉中 723000；3.陕西理工大学秦巴山地岩土环境与灾害防治研究中心，陕西 汉中 723000）

1 引言

膨胀土是一种富含蒙脱石、伊利石和高岭石等亲水性矿物的天然粘性土，具有明显的湿胀干缩特性。我国是膨胀土分布较为广泛的国家之一，在我国云南、贵州、四川、广西、陕西、安徽等地，均有不同范围的分布。膨胀土因其特殊的工程力学特性，常使地基出现不均匀沉降，继而使建筑物发生倾斜，甚至发生坍塌，或在降雨-日照-降雨干湿循环作用下导致边坡滑塌失稳。因此，为解决膨胀土带来的工程灾害，改良膨胀土引起了学者们的广泛关注。

截至目前，国内不少学者从不同角度和方向来研究膨胀土的改良方法[1]。傅乃强等[2]通过碱激发剂的类型及掺量、纤维和粉煤灰掺量等开展无侧限抗压强度试验来研究对改良膨胀土强度的影响；秦彩虹等[3]对掺入粉煤灰开展无侧限抗压强度试验来改良膨胀土；郝建斌等[4]通过掺入粉煤灰和剑麻纤维复合改良膨胀土开展无侧限抗压强度试验和干湿循环试验研究改善膨胀土的机理；Ikeagwuani 等[5]通过室内模拟、数值模拟等模拟方法来研究椰壳灰(CSA )改性膨胀土边坡的稳定性；李金蓉[6]采用木质素和玄武岩纤维对膨胀土进行改良试验；庄心善等[7]开展了磷尾矿和玄武岩纤维复合加固膨胀土研究；Ouyang Qianwen 等[8]采取微生物诱导碳酸钙（MICP）法来研究微生物含量对改良膨胀土工程性质的影响。这些膨胀土的改良方法对于后人的研究试验提供了一定的理论基础。

本文以汉中地区膨胀土为研究对象，着重研究干密度对膨胀土剪切强度的影响规律，间接反映不同掺量聚丙烯纤维改良膨胀土膨胀性的效果，最后用离散元数值模拟方法重点分析聚丙烯纤维改良膨胀土的细观机理[9]。研究成果对膨胀土路堤和边坡防护等工程的设计与施工具有借鉴意义。

2 试验材料与试验方案

2.1 试验材料

本次试验所用膨胀土取自陕西省汉中市城固县柳林机场，其颜色呈黄褐色，质地偏硬。将取回的膨胀土置于通风处风干，风干之后再将其充分碾碎，然后用2mm 的圆孔筛进行筛选，并将筛选好的土样进行密封保存。试验时，将筛选好的土样通过 0.075mm、0.25mm、0.5mm、1mm、2mm 的圆孔筛，其颗粒级配曲线见图1，基本物理指标见表1。

图1 膨胀土颗粒级配曲线图

表1 膨胀土基本物理性质指标

试验所用的聚丙烯纤维，呈白色丝状，是用于增强土壤强度最普遍的复合材料。这种材料具有成本低、高韧性、低亲水性、稳定性好等特点，其基本物理性能见表2。

表2 聚丙烯纤维基本物理性质指标

2.2 试验方案

本次试验拟在同一含水率的试样中，通过在不同干密度试样中添加不同量的聚丙烯纤维的方式研究抗剪程度指标的变化规律。试样的底面积为30cm²、高2cm，并考虑不同干密度（1.65g/cm3和1.75g/cm3）、不同竖向压力（100kPa、200kPa、300kPa）以及不同纤维质量含量（0%、0.04%、0.07%、0.11%）为变量进行试验研究，共计24个试样。

3 试验结果与分析

3.1 相同法向压力下不同纤维量的影响

本试验通过对干密度为1.65g/cm3、1.75g/cm3的土样分别施加100kPa、200kPa、300kPa 的法向压力，探究相同法向压力下不同纤维量对剪切力的影响规律。以干密度为1.75g/cm3、法向压力300kPa 的情况为例，不同纤维含量下剪切位移和剪切力的关系如图2所示。

图2 不同纤维含量试样剪切力-剪切位移关系曲线

从图2 可知，在法向压力下，纤维含量对剪切力具有非常显著的影响，随着纤维掺量的提高，剪切力先增大后减小，在纤维含量为0.07%时，土样的剪切力达到峰值，而在纤维含量为0.11%时，土样抗剪能力削弱。由此可知，聚丙烯纤维含量在一定范围内能够提高膨胀土的剪切力，且0.07%含量的聚丙烯纤维为最佳掺量。

分析认为产生这种现象的原因主要是膨胀土受到外力作用后，随机分布的聚丙烯纤维能有效地减小裂缝尖端的应力集中，并能抑制裂缝的进一步扩大。同时，在土壤中随意分散的单根聚丙烯纤维能够有效地抑制土壤颗粒之间的滑动，并阻止其发生咬合破坏，而相邻纤维能防止其它纤维发生位移变化。但随着纤维含量的增大，纤维聚集在土壤中分散不开，这让纤维间的黏结面积减少，从而使土壤中的薄弱点增多。表明纤维含量与剪切力并非呈线性关系，较高的纤维含量反而对膨胀土的抗剪特性有抑制作用[4]。

3.2 不同干密度下最佳纤维掺量的影响

在上述试验中，同一含水率下，不同干密度、不同纤维含量的土样中，聚丙烯含量为0.07%时，改良膨胀土的效果较佳。因此，以0.07%纤维含量为基础，进一步研究干密度对剪切力的影响，如图3所示。

图3 不同干密度下最佳纤维掺量对比图

由图可知，在干密度为1.65g/cm3时，掺量为0.07%的聚丙烯纤维随着法向压力的增加，剪切力也随之增大，且其剪切峰值稳定在39kPa 上下波动；在干密度为1.75g/cm3时，掺量为0.07%的聚丙烯纤维随着法向压力的增加，剪切力也随之增大，且其剪切峰值在47kPa 上下进波动。说明在相同含水率情况下，较大干密度（1.75g/cm3）土样的聚丙烯纤维的改良效果更好。在实际工程应用中要严格控制土体的密实度，最大程度地发挥聚丙烯纤维的改良作用。

4 离散元数值模拟

为了以微观角度观察聚丙烯纤维改良膨胀土的变化，进一步用Cundall 在1979 年提出的离散元方法进行分析[10]。本文所使用的离散元模拟软件为PFC，该软件具有不受限于材料变形的特点，能够较好地模拟介质的非连续力学行为，真实地反映介质的力学机制、细观变化、变形结果等，因此应用广泛[11]。

4.1 PFC 模型细观参数的确定

由于本文所建立的离散元数值模型为二维，为了和实际试验中的三维相对应，需要对孔隙率参数进行转化[12]，其余细观参数的标定方法参考文献[12]。本文PFC模型细观参数如表3所示。

表3 离散元模拟参数一览表

4.2 直接剪切试验的数值模拟

针对干密度分别为1.65g/cm3和1.75g/cm3的试样进行离散元直接剪切数值模拟，如图4、图5所示。

图4 膨胀土的离散元数值模拟（干密度为1.65g/cm3）

图5 膨胀土的离散元数值模拟（干密度为1.75g/cm3）

由图可知，膨胀土在发生剪切时，颗粒与颗粒之间发生相对错动，位移变化较大的颗粒集中在上剪切盒靠近墙壁一侧，且位移最大的颗粒位于发生剪切的上剪切盒右方靠近墙壁的一侧；力链强度较大的集中在上剪切盒左方靠墙壁一侧、上剪切盒中部以及下剪切盒中部。

由离散元模拟试验可知，在土样剪切变形过程中，在剪切力作用下，剪力盒左上区域的膨胀土首先被压缩，从而使力链的整体向左上部集中，力链走向也由法向为主向剪切方向传递。随着剪切力的增加，颗粒与颗粒之间的挤压变形逐渐增强，新的力链受剪切力和法向荷载的共同作用，由合力方向向力链的右下方进行传递，因此在力链的传递过程中，力链会倾向于在对角线方向聚集[11]。

综上所述，在同一含水率、纤维含量、竖向压力下，干密度为1.75g/cm3的膨胀土球体位移较干密度为1.65g/cm3距离变化更大，同时力链也相较范围更广、强度更大。因此，离散元数值模拟也可证实在相同含水率、纤维含量、不同干密度情况下，干密度为1.75g/cm3的土样的抗剪程度较为理想。

5 结论

在同一含水率下，膨胀土抗剪强度随聚丙烯纤维含量的变化呈上升再缓慢下降的趋势，说明聚丙烯纤维改良膨胀土并不是纤维含量越多越好。而在本试验中，纤维含量为0.07%时，膨胀土抗剪强度的改良效果最优。

在同一含水率和聚丙烯纤维含量下，膨胀土样的干密度对于膨胀土的改良也有一定影响。在本试验中，通过室内试验与离散元模拟试验，得出土样颗粒在对角线方向受剪较强，且在干密度为1.75g/cm3时，膨胀土的抗剪特性最优。

本文主要研究了聚丙烯纤维对膨胀土抗剪强度的改良效果，对聚丙烯纤维改良膨胀土的膨胀性问题，将在下一步的研究中进行。