玻璃纤维改良对浙西山区红黏土力学性能的影响

葛宏盛，刘丽萍

(1.西安工业大学 建筑工程学院,西安 710021;2.浙江成明试验检测有限公司,衢州 324300)

红黏土是指碳酸盐类岩石经强烈化学风化后形成的高塑性土,它广泛分布在我国云贵高原、四川东部、浙江西部,江西东部等一些地区,是一种区域性特殊土。常呈红棕色,吸水易凝结成块,且较为坚硬。因其具有高液限、高塑性的特点[1],在工程施工过程中极易引起不均匀沉降现象[2-3],加大工程灾害的发生,因此需要对红黏土进行改良,使其性能满足工程施工条件,作为合格的路基填料得以运用。目前对于我国红黏土路基的处理方式大多采用直接换填、化学添加剂改良这两种形式,但对于大面积红黏土片区,这两类处理方式需要大量的资金和人力,且存在环境污染问题。因此针对高液限红黏土新型改良方式的研究具有广泛的前景。

随着科学技术的发展,纤维材料[4]因其价格低廉、性能良好逐渐走入工程建设领域。文献[5]和文献[6]采用天然椰壳纤维加固红黏土,通过直剪试验发现椰壳纤维可以明显提高纤维土体的抗剪强度,对黏聚力提升效果尤为显著;文献[7]采用三轴试验对木质素纤维红黏土进行分析,得出添加一定量的木质素纤维可有效提高红黏土强度的结论;文献[8]和文献[9]用聚丙烯纤维改良土体进行了研究,发现聚丙烯纤维作为增强材料用于土体,可有效缓解冻融循环下的不利影响,且加入聚丙烯纤维可增加后期抗压性能与抗拉强度;文献[10]采用玻璃纤维来加固花岗岩土体,通过SEM扫描、击实试验分析花岗岩土样的微观相互作用机理及抗冲击性能,结果发现随着纤维的加入,土体中原有的片状黏土颗粒和纤维发生了“胶结”作用。文献[11]、文献[12]采用无侧限抗压试验,研究了纤维对土体抗压强度的影响规律,分析后得出掺入一定量的纤维可有效提高土体的无侧限抗压强度,缓解土体中裂纹的扩张,提升抗压强度[13]。综合上述学者研究结果可以发现在特殊土中掺入定量纤维可改良其力学性能。

因各类纤维物理、化学性质存在差异,对改良土体的力学性能也存在差异,研究新型纤维材料对改良土体结构性能具有必要性。玻璃纤维具有不易腐蚀、抗拉能力强、不易缠绕、环保等特点,广泛应用于特殊土的改良。文中拟研究玻璃纤维材料掺量、长度等参数对红黏土力学性能的影响,通过击实试验、液塑性试验、直剪试验、无侧限抗压强度试验等研究方法分析玻璃纤维加筋土体抗压、抗剪能力变化规律,为高液限红黏土路基改良提供新的方向和理论依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验所用土取自浙江省常山县黄冈山一带,取土深度2.5～3.0 m。其物理力学参数见表1。试验所用玻璃纤维采购于东安春晖新材料有限公司,其物理力学参数见表2。外观如图1所示。

图1 玻璃纤维

表2 玻璃纤维的物理力学参数

表1 红黏土的物理力学参数

1.2 试验方案

对取得的土样严格按照文献[14],进行液、塑限试验,最佳含水率、最大干密度等试验,测得土样的基本物理力学参数。考虑到玻璃纤维长度、掺量对红黏土力学性能的影响,采用13组试验进行直接剪切试验、无侧限抗压强度试验,具体见表3。其中第1组试验为素土试验;第2—4组为掺入玻维长度为3 mm,掺量分别是1.5‰,3.0‰,4.5‰,6.0‰的加筋土,以此类推。对掺入纤维含量按式(1)进行计算。

(1)

表3 试验分组

式中:fc为纤维掺量;mf为纤维质量;ms为土体质量。

1.2.1 直接剪切试验方案

按照文献[14]所规定的步骤:选取优良的红黏土土样,经过烘干机烘干、橡皮锤敲击、过2 mm筛等步骤,按照最佳含水率将水、纤维、土样进行调配,注意在调配工程中尽量避免纤维的黏团聚集现象。用61.8×20.0 mm环刀取样,每组试验创建4个平行试样,直剪试验采用ZJ型应变控制式直剪仪(如图2),剪切方式为快剪,施加的垂直荷载为50,100,200,400 kPa,并保持剪切速度为0.8 mm·min-1。对得到的数据进行整理,做出应力-位移曲线,计算出c、φ值。

图2 ZJ型应变控制式直剪仪

1.2.2 无侧限抗压强度试验

按照文献[14]所规定的步骤:对处理完成的土样,按照最佳含水率将水、纤维、土样进行调配,并控制压实度在0.97,随后装填至Φ为50 mm,h为50 mm的钢型套筒内,在装填过程中应分三次填入,且每次都要进行刮毛处理,为的是防止土体内部出现断层现象。后使用脱模机进行脱模养护。养护条件为:温度为(20 ± 2) ℃,相对湿度≥ 95%。每组试验建立6个平行试块。试验采用WDW-50型微机控制电子万能试验机(如图3),对养护完成的试模进行无侧限抗压试验,试验过程中应变速率控制在1 mm·min-1,轴向应变控制在10%以内(或出现明显破坏变形)。通过测得数据做出应力-应变曲线。

图3 WDW-50型微机控制电子万能试验机

2 试验结果及分析

2.1 直剪试验结果及分析

根据直剪试验获得的数据算出黏聚力c值和内摩擦角φ值,具体见图4、表4。从图4、表4可以看出,随着纤维掺量、纤维长度的变化,改良后土体的c值得到了很大的提升,c值从素土的16.80 kPa增加到最大的37.32 kPa,相比于素土提高了1.70～2.22倍;φ值也得到了一定的提升,从素土的15.79°提升到了最大的19.23°,相比于素土提高了1.08～1.22倍,说明改良有明显的效果。对c、φ值提升这一现象,可能的原因是:随着纤维的掺入,纤维、土体、水三者产生了胶结作用,内部形成若干个三维网状结构,能有效的传递、分解各方向上的力,增强了抗剪性;且纤维直径在μm级,长度在3～9 mm间,随机均匀的分布在土体内,极易产生“锚固”现象,抗拉能力得到增加,使土体难以被剪坏。该结论与文献[15]得到的结论有一致性。

图4 直剪试验c、φ值对比

表4 玻璃纤维土体与素土的c、φ比值

此外,还可以看出掺量在0～3‰时,c值是呈增加趋势,而掺量在3～6‰这一阶段,c值则呈现出下降趋势,相比于3‰,最大下降了22.93%,下降幅度较为明显。对于c值出现下降趋势可能的原因是:随着纤维的不断掺入,在3‰以后,出现了“过载”现象,土体内部纤维含量过多,导致纤维极易发生“缠绕”反应,使土体内部结构受力不均匀,局部发生了应力集中的现象,从而导致c值发生了一定程度的下降,削弱了纤维的作用。

纤维的掺入可以提高红黏土体的黏聚力和内摩擦角,过量的掺入会影响纤维加筋土体的黏聚力数值,但对于内摩擦角影响较小。

2.2 无侧限抗压强度试验结果及分析

对无侧限抗压试验得到的数值按式(2)进行整理归纳,计算出无侧限抗压强度值;按照式(3)计算标准偏差,按《规程》规定,对标准偏差大于10%的数据组进行二次试验。

qu=P/A,

(2)

式中:qu为无侧限抗压强度,MPa;P为试样破坏时的最大荷载,N;A为试样面积,mm2。

(3)

2.2.1 无侧限抗压峰值对比

由图5可知,在掺入同一长度的纤维情况下,随着掺入量的增加,无侧限抗压强度也出现增加;以3 mm纤维长度纤维土体为例,掺入1.5‰,3.0‰,4.5‰,6.0‰的纤维后,qu值分别为1.74,1.86,2.05,2.12 MPa,相比于素土各自提升了1.47,1.58,1.74,1.80倍。由可能的原因是:随着纤维的掺入,纤维与水、土体发生了“胶结”反应,土体内部孔隙被大量的纤维填充,且纤维吸收了土体内少量的水分,得以使土体内部粘结性提升;在无侧限抗压时,轴向产生的压力作用在土体上使土体受挤压,内部若干个网状结构承担起了抗压作用,力系得以分解,增加了土体的结构性和稳定性,抗压性能得到了增强。这一结论与文献[16]相符合。

图5 纤维土体无侧限抗压峰值对比

同时可以看出,在纤维长度为9 mm、掺量为6.0‰时,无侧限抗压值达到最大的2.30 MPa,这说明此时的掺量为无侧限抗压最优掺量,纤维掺入能提高土体无侧限抗压强度。

2.2.2 玻璃纤维土体应力-应变曲线分析

纤维土的应力-应变关系见图6,表5。结合图6可以看出,纤维改良土体的应力-应变关系呈现抛物线形式,应变在0～2.5%左右时,纤维土体处于弹性变形阶段,曲线呈快速上升期;在2.5%～4.0%左右时,纤维土体各自出现了对应的qu峰值,峰值过后曲线出现下浮,但下浮速率低于其上升期速率,最后平缓下降直至破坏。

图6 三种长度纤维无侧限抗压下应力-应变曲线

表5 无侧限抗压峰值对应的应变

在上升期间,我们可以看到纤维掺量越大,曲线增长越陡峭,且在长度9 mm、掺量6‰时,曲线斜率最大,增长最快;在峰值区间内,可以明显的看出纤维土体相比于素土有更好的稳定性,并不会在峰值过后迅速的下降,有明显的缓和曲线,这说明纤维土体在达到强度峰值之后,纤维仍具有张拉作用,使土体从脆性变为了塑性,这也论证了为何图6中的纤维土体下降曲线较为平缓。

由图6发现,掺量为6‰的纤维土体在下降区间5%～7%内会产生明显的“凹”限,强度值下降较为明显,这可能的原因是:过量的纤维在土体内发生了“缠绕”的现象,在峰值过后土体的结构发生了严重变形,而纤维过量导致了结构受力的不均匀性增加,从而使得小范围内出现陡降的现象。

在图6、表5中,还可看到纤维土体峰值对应的应变ε随纤维掺量的增加也表现出增加,以3 mm长度的纤维土体为例,随着纤维掺量的增加,无侧限抗压峰值对应的应变从2.6%增加到3.2%,3.6%,3.9%,4.0%,这说明了纤维能增强土体的塑性,同时也能达到缓解应力集中的现象。

综上可以总结出,纤维加筋土能提高土体峰值应变,增强土体挤压变形能力,使纤维加筋土从“脆性”向“塑性”转变。

3 玻璃纤维改良土无侧限状态下破坏类型分析

无侧限抗压试验结束后,对被破坏土体进行观察,如图7所示。发现素土的破坏类型为“倒三角”形态(如图7(a)),存在明显的掉渣现象。这是由于红黏土土性特殊,失水后易凝结成块状,土质变得密实,且缺少纤维加筋作用,从而引起明显的掉渣现象。掺纤维土体的破坏类型则呈现出“花瓣状”(如图7(b))均匀破裂;纵断面出现“漏斗状”形态(如图7(c))掉渣现象相比于素土明显减少,且破坏断面内能明显看见纤维产生的锚固作用。这是由于纤维掺入土体使土体内部结构稳定性得到提升,土体在无侧限抗压情况下变形分布更具有层次性,并且纤维对土体具有锚固作用,可有效缓解掉渣现象。

图7 无侧线抗压后破坏的土体

4 结 论

在红黏土中掺入适量的玻璃纤维可以显著提高土体抗剪强度,其中对黏聚力提升作用明显,相比于素土提高了1.70～2.22倍;红黏土中掺入过量的玻璃纤维会使土体内部产生“缠绕”现象,使土体的黏聚力明显下降,但对于内摩擦角影响较小。

随着纤维长度、掺量的增加,纤维土体的无侧限抗压强度逐渐增大,提升效果明显,相比于素土提高了1.47～1.95倍。在无侧限抗压试验中,纤维掺入使土体内部产生了三维网状空间结构,有效的传递、分解了轴向压力,并且纤维具有“锚固”作用,对支撑土体结构发挥了积极作用;素土无侧限峰值对应的应变为2.6%,而纤维土体的应变集中在3.5%～4.0%,说明纤维增加了土体的残余应力,增强了土体抗变形能力;纤维掺入使土体从“脆性”向“塑性”转变,增强了加筋土体的抗变形能力。

通过试验发现改良后的纤维加筋土力学性能得到了显著的提升,各项力学指标满足路基填料的要求,在具体工程实例中使用具有可行性。改良后的纤维土体可满足路用性要求,为纤维加筋土体治理提供参考。在本次试验中仍存在很多不足,如:对红黏土进行烘干的时候未考虑到烘箱烘干可能会破坏土颗粒原有的水稳结构,烘干后的土体可能会丧失部分吸水性,在往后的试验中应尽量考虑自然烘干等方法以确保起始试验的准确性。在今后的研究方向上,可考虑采用除玻璃纤维以外的新型符合材料对土体进行改良。