纖維水泥粉砂土受力性能試驗研究

李宏波，底國民，賈 彪

(寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021)

寧夏地區(qū)多條用粉砂性土填筑的路基，經(jīng)受車輛和凍融作用后，路面開裂嚴(yán)重。其原因是道路處于季節(jié)性凍土區(qū)，冬季冰雪覆蓋，自由水凝結(jié)成冰，使含水量下降，土體開始出現(xiàn)形變;春季冰雪融化，含水量增加，路基強度隨之下降，易產(chǎn)生開裂和翻漿等凍害現(xiàn)象[1]，破壞路基承載力，嚴(yán)重?fù)p害了道路質(zhì)量。

根據(jù)文獻(xiàn)［2-3］等對纖維混凝土的研究成果，改性處理的聚丙烯纖維與水泥具有良好的黏結(jié)力和分散性，在混凝土或砂漿中摻入纖維，可大大提高其抗裂防滲性能，有效增強混凝土韌性，明顯減少混凝土塑性收縮引起的裂縫。依據(jù)上述成果，擬采用聚丙烯纖維對粉砂性土進(jìn)行改善力學(xué)性能的探索試驗研究。在粉砂土和水泥固化粉砂土(對于粉砂土水泥的固化效果好于石灰固化效果)中摻入聚丙烯纖維，則有可能提高其力學(xué)性能。為此，本試驗以寧夏銀川市某道路路基填筑材料粉砂性土為試驗對象，研究摻入聚丙烯纖維后粉砂土和水泥土抗剪強度的變化規(guī)律，以期為粉砂土填筑的道路工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗研究

1.1 試驗材料

加筋用的纖維為聚丙烯纖維絲，其物理力學(xué)性質(zhì)見表1。用水泥穩(wěn)定土?xí)r，硅酸鹽水泥比鋁酸鹽水泥效果好一些，不宜采用快硬或早強水泥，故采用硅酸鹽水泥。

1.2 擊實試驗

為了得到最大干密度和最佳含水量，首先進(jìn)行了擊實試驗，試驗包括素土和水泥土擊實試驗。

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》的規(guī)定，本試驗均采用小型擊實儀進(jìn)行，儀器用小試筒，小試筒適用于粒徑不大于25 mm的土，本試驗用土為粉砂土，故可采用小型擊實筒。所用擊實筒內(nèi)徑10 cm，筒高12 cm，筒的容積997 cm3，填土分5層擊實，擊錘質(zhì)量4.5 kg，落距45 cm，單位體積上所用的擊實功為2.687 MJ/m3，總的擊實功為2.679 MJ。

表1 聚丙烯纖維的物理力學(xué)性質(zhì)

由擊實試驗得出粉砂土的最佳含水量為12.9%，最大干密度為1.936 g/cm3。3%水泥粉砂土的最佳含水量為13.8%，最大干密度為1.943 g/cm3。

1.3 三軸試驗

根據(jù)以前文獻(xiàn)對纖維土的相關(guān)研究［4-5］，本次試驗中最大的纖維摻量為0.3%。為了比較粉砂土(1#)、水泥粉砂土(5#)、纖維摻量分別為 0.1%，0.2%，0.3%的粉砂土(2#～4#)和水泥粉砂土(6#～8#)的強度特性，分8組試驗。試樣尺寸大小為 φ61.8×H125 mm，每組 4個試塊，共32塊。在100%壓實度的條件下，在圍壓σ3分別為 0 kPa，50 kPa，100 kPa和 200 kPa時，進(jìn)行不固結(jié)不排水試驗。粉砂土和纖維粉砂土試塊制備完畢即可進(jìn)行試驗;水泥土和纖維水泥土養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行三軸試驗。試驗儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TSZ30-2.0型三軸儀和YCK-2三軸測控儀。

本次試驗試樣剪切速率均為0.4 mm/min。所有試樣剪切均達(dá)到一定的軸向應(yīng)變(15%)后停機。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 纖維對試塊變形的影響

三軸試驗試塊破壞后的照片如圖1。從圖1可見，粉砂土和纖維粉砂土在試塊破壞后，中下部鼓起，沒有出現(xiàn)明顯的剪切面，說明其黏聚力較小;水泥纖維粉砂土在破壞后都存在明顯的剪切面，與水平面夾角約在57°～65°之間，在剪切面之間纖維交織成網(wǎng)狀，未發(fā)現(xiàn)有剪斷的纖維，表示纖維粉砂土和水泥纖維粉砂土比粉砂土的抗變形能力有顯著提高。

圖1 試塊破壞后的照片

2.2 纖維水泥對粉砂土力學(xué)參數(shù)的影響

三軸試驗后，分別以每塊試塊的軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，以主應(yīng)力差為縱坐標(biāo)繪制應(yīng)變與主應(yīng)力差關(guān)系曲線如圖2～圖9。

取各圖應(yīng)變與主應(yīng)力差曲線的峰值為破壞點。無峰值時取15%軸向應(yīng)變時的主應(yīng)力差作為破壞點。根據(jù)確定的破壞點得出各組試塊的極限應(yīng)變見表2。根據(jù)破壞點的主應(yīng)力差計算出試塊破壞時的最大主應(yīng)力，在剪力與應(yīng)力平面圖上繪制莫爾破損應(yīng)力圓。根據(jù)每組莫爾破損應(yīng)力圓包線即可得出試塊的黏聚力和內(nèi)摩擦角見表3。

表2 試塊的極限應(yīng)變 %

2.2.1 纖維對土體極限應(yīng)變的影響規(guī)律

由表2可知:

圖2 粉砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3 摻0.1%纖維粉砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線

1)在相同圍壓下，試塊的極限應(yīng)變隨纖維含量的增加而增大，說明纖維可以提高土體的抗變形能力。

2)在0圍壓的情況下，在粉砂土中摻入水泥反而降低了粉砂土的極限應(yīng)變，說明水泥的摻入使得土體的脆性增強，而塑性降低，但其承載能力增強。

3)水泥粉砂土在摻入纖維后，其塑性和承載力均顯著增大，纖維對水泥粉砂土力學(xué)性能改善效果顯著。

2.2.2 纖維對土體極限應(yīng)力的影響

圖4 摻0.2%纖維粉砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 摻0.3%纖維粉砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6 摻3%水泥粉砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7 摻3%水泥和0.1%纖維粉砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖2～圖9和表3可知，對于粉砂土和水泥粉砂土，在相同密實的條件下，極限應(yīng)力隨纖維含量的增加而增大，即纖維土抵抗變形的能力隨著纖維摻量的增加而提高。圍壓在200 kPa時，0.3%纖維粉砂土極限應(yīng)力是粉砂土的1.66倍;3%水泥粉砂土極限應(yīng)力是粉砂土的1.17倍;0.3%纖維3%水泥粉砂土極限應(yīng)力是粉砂土的2.20倍。

圖8 摻3%水泥和0.2%纖維粉砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖9 摻3%水泥和0.3%纖維粉砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線

表3 各組試塊的黏聚力和內(nèi)摩擦角

2.2.3 纖維對土體抗剪強度的影響

纖維的摻入對土體抗剪強度指標(biāo)黏聚力 c和內(nèi)摩擦角φ的影響見表3。土體摻入纖維后c值顯著增大，而且是隨著纖維摻量的增加而增大;φ值也有增加。土中纖維絲的抗拉作用，阻止了土體的側(cè)向變形，土體整體受力性能增強，使粉砂土的c值增大。其次，纖維和土顆粒之間咬合力的增大也導(dǎo)致了φ值的提高。水泥的摻入使粉砂土的黏聚力顯著增大，但對內(nèi)摩擦角基本沒有影響。

1)纖維對土體內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律

土體摻入纖維對其內(nèi)摩擦角有較明顯的的影響，內(nèi)摩擦角的表達(dá)式為

式中，φ為纖維土的內(nèi)摩擦角;φ0為粉砂土或水泥粉砂土的內(nèi)摩擦角;Δφ為內(nèi)摩擦角增量。

①摻入纖維后粉砂土內(nèi)摩擦角增量公式可表示為

式中，a(0.1～0.3)為纖維摻量(%);Δφ為內(nèi)摩擦角增量(°)。

②摻入纖維后摻3%水泥的水泥粉砂土內(nèi)摩擦角增量公式可表示為

式中，a(0.1～0.3)為纖維摻量(%);Δφ為內(nèi)摩擦角增量(°)。

2)纖維對土體黏聚力的影響規(guī)律

土體摻入纖維對其黏聚力影響顯著，纖維土的黏聚力表達(dá)式為[6]

式中，c為纖維土的黏聚力;c0為粉砂土或水泥粉砂土的黏聚力;Δc為黏聚力增量。

①摻入纖維后粉砂土黏聚力增量公式可表示為

式中，a(0.1～0.3)為纖維摻量(%);Δc為黏聚力增量(kPa)。

②摻入纖維后摻3%水泥的水泥粉砂土黏聚力增量公式可表示為

式中，a(0.1～0.3)為纖維摻量(%);Δc為黏聚力增量(kPa)。

3 結(jié)論

通過三軸強度試驗對粉砂土、纖維粉砂土和纖維水泥粉砂土工程力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了初步的研究。由試驗分析，主要結(jié)論如下:

1)對于粉砂土和水泥粉砂土，在相同密實條件下，其極限應(yīng)力隨纖維含量的增加而增大，即纖維土抵抗變形的能力隨著纖維摻量的增加而提高;

2)水泥粉砂土中摻入纖維可以提高水泥粉砂土的塑性，使水泥粉砂土的破壞形式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐模译S著纖維含量的增加，使得纖維水泥土的塑性增強;

3)在粉砂土和水泥粉砂土中摻入纖維明顯地提高了土體的抗剪強度。給出了纖維土內(nèi)摩擦角和黏聚力增量計算的簡單公式。

由試驗分析結(jié)果可以看出，將新型聚丙烯纖維摻入粉砂土和水泥粉砂土中，不僅可以有效地改善土體的抗剪強度，而且可以提高土體的塑性。亦即，在粉砂土和水泥粉砂土中摻入纖維作為路基或建筑物基礎(chǔ)填料，在理論上講對于提高其抗凍、抗裂會效果顯著，同時可以根據(jù)工程需要進(jìn)行水泥和纖維摻量最佳配比試驗。但是，對其實際抗凍能力和施工工藝還需要進(jìn)一步研究。

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