干濕循環(huán)對玄武巖纖維加筋膨脹土抗剪強度的影響

彭軼群,薛俊偉

(1.應天職業(yè)技術學院,南京 210042;2.江蘇省城市規(guī)劃設計研究院,南京 210036)

干濕循環(huán)對玄武巖纖維加筋膨脹土抗剪強度的影響

彭軼群1,薛俊偉2

(1.應天職業(yè)技術學院,南京 210042;2.江蘇省城市規(guī)劃設計研究院,南京 210036)

為了對膨脹土進行改良,將分散玄武巖纖維摻入膨脹土中,研究干濕循環(huán)對玄武巖纖維加筋膨脹土的抗剪強度的影響規(guī)律。試驗選取長12 mm玄武巖纖維,以按纖維含量與干土質量比為0.4%摻入膨脹土中。對膨脹土和纖維加筋膨脹土進行0～3次干濕循環(huán)試驗,然后對試樣進行直接剪切試驗,研究干濕循環(huán)對玄武巖纖維加筋膨脹土抗剪強度的影響。試驗結果表明:玄武巖纖維摻入膨脹土能有效提高膨脹土的抗剪強度。膨脹土和纖維加筋膨脹土經(jīng)過反復干濕循環(huán)后,其強度指標持續(xù)降低,且在第一次干濕循環(huán)之后抗剪強度降低較明顯,之后抗剪強度降低幅度變小。相對于內摩擦角,纖維對黏聚力的增強效果要明顯得多。同一次干濕循環(huán),纖維加筋膨脹土比素膨脹土強度的降低幅度小。

膨脹土; 玄武巖纖維; 干濕循環(huán); 抗剪強度

膨脹土是一種特殊性黏土。它遇水膨脹、失水收縮的特性常常給工程建設造成麻煩,所以它被稱為“難對付土”或“有問題的土”。土中黏土礦物主要由強親水性的礦物組成,這種特殊的礦物成分,使其具有液限大、脹縮性強、吸水膨脹、失水開裂的特點。在干濕交替的氣候環(huán)境中,常常造成膨脹土邊坡發(fā)生滑坡和坍塌等病害。因此,很多學者對干濕循環(huán)效應下膨脹土的強度與變形特性進行了研究:Basma[1]對4種塑性不同的重塑膨脹土進行了干濕循環(huán)試驗,同時研究了試驗前后微觀結構的變化;慕現(xiàn)杰,張小平[2]通過直剪試驗和無側限抗壓強度試驗總結了膨脹土隨干濕循環(huán)強度的變化規(guī)律;呂海波,曾召田[3]等總結了膨脹土抗剪強度與含水率、循環(huán)次數(shù)、循環(huán)幅度等循環(huán)控制參數(shù)的關系。

許多學者對如何對膨脹土進行改良也做了大量研究,而纖維加筋作為一種新型改良土的方法越來越受到重視。國外Prabakar[4]研究發(fā)現(xiàn)分散的纖維絲摻入軟土中能增大土體的抗剪強度;Consoli[5]等通過三軸壓縮試驗和現(xiàn)場平板載荷試驗證明了摻入纖維能提高土體的內摩擦角和內聚力且變形越大,纖維的增強效果更明顯;Tang[6]等通過直剪試驗研究了纖維加筋水泥土的強度特性,結果表明纖維的加筋效果在水泥土中能得到更好的發(fā)揮,抗剪強度參數(shù)隨土體中砂含量的增加而增加。徐洪鐘[7]等在膨脹土中摻加玄武巖纖維,通過試驗證明,玄武巖纖維可抑制膨脹土的脹縮性且土的無側限抗壓強度和抗剪強度也有所提高。

玄武巖纖維(Basalt Fiber簡稱BF)是一種新型的綠色纖維。其成本低廉,耐高溫,耐腐蝕,吸濕性低,絕緣性能好[8,9]。該文將通過在膨脹土中摻入玄武巖纖維這一物理改良方法,研究干濕循環(huán)對改良后的玄武巖纖維加筋膨脹土抗剪強度的影響。

1 試驗材料

1.1 玄武巖纖維

該試驗所使用的玄武巖纖維長度為12 mm,與膨脹土混合時,成束纖維被撕開,均勻分散摻入膨脹土中。其性能指標見表1。

1.2 膨脹土

所采用的土料是南京地區(qū)的膨脹粘土,取自南京市浦口區(qū)。土樣呈灰綠色,采樣時試樣含水率比較大,土料結成塊狀。實驗前對所采用的膨脹土的物理性質進行了測定,見表2。

表2 膨脹土的物理性質

2 試樣制備及試驗方案

2.1 試樣制備

試樣制備、試驗步驟均按《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)[10]進行。

1)測定膨脹土風干含水率;2)將土樣放入烘箱中,將其烘干;3)將土樣烘干后在粉碎機上粉碎,過2 mm篩,按配比稱好試驗材料,并按一定順序放入攪拌盆內,用攪拌鏟人工拌和均勻;4)通過擊實試驗得最優(yōu)含水率為17.5%,向土樣中加水,按最優(yōu)含水率配制試樣;5)將玄武巖纖維摻入膨脹土中。在試樣中摻入與干土質量比為0.4%,長為12 mm的玄武巖纖維,準確到0.01 g。用拌土器充分攪拌,并裝入塑料袋放入保濕缸密封24 h,使含水率一致;6)對試樣進行重塑。按照最大干密度制備試樣。把摻入纖維的試樣按照標準擊實的方式擊實后直接用環(huán)刀取樣,試件尺寸為?61.8 mm×20 mm。采用質量控制的方法使其達到最大干密度,舍棄干密度相差較大的試樣,纖維加筋膨脹土試樣見圖1。

7)把制備好的試樣分為兩組,一組為素膨脹土,另一組為摻入長為12 mm,含量為0.4%的玄武巖纖維加筋膨脹土。對兩組試樣同時進行干濕循環(huán)試驗。

2.2 試驗方案

試驗選取無豎向荷載的干濕循環(huán)試驗,以模擬膨脹土邊坡由于季節(jié)變化、降雨滲入和蒸發(fā)等情況強度與變形變化特性及加筋效果。試驗過程中,膨脹土與纖維加筋膨脹土的含水量應保持一致。試驗前,用電子秤(精確到0.01 g)稱取試樣的質量并記錄。測得其初始含水率為10.3%。循環(huán)過程如下。

2.2.1 吸水膨脹過程

將環(huán)刀連同膨脹土試樣一起放入固結儀中,上下分別覆蓋透水石,加水膨脹,用最小分度值為0.01 mm的百分表實時記錄浸水膨脹過程中試樣的豎向膨脹變形。以安置百分表后記錄的第一個數(shù)為試驗干濕循環(huán)前的初始高度,數(shù)據(jù)的量測在開始的前3 h每15 min記錄1次,其后的500 min每間隔100 min記錄1次,最后間隔1 d記錄一次。直至前后兩次讀數(shù)之差不超過0.01 mm時停止讀數(shù),此時水不再滲入,試樣飽和。認為該循環(huán)的吸水膨脹階段結束。用電子秤(精確到0.01 g)稱取試樣此時的質量,測其含水率[5,6],并對土樣頂面進行拍照。

2.2.2 失水收縮過程

待試樣膨脹穩(wěn)定后,將試樣和環(huán)刀一起從固結儀中推出。失水收縮在底部為多孔板的收縮儀上進行。將裝置好的收縮儀移入烘箱中,采用低溫烘干法模擬膨脹土土體脫濕過程,使試樣在60～70℃下干燥失水,烘干時間控制為6 h。烘干過程中,分別于試驗開始后10 min、20 min、30 min、1 h、2 h、3 h、4 h、6 h實時記錄失水收縮過程中試樣的豎向收縮變形,最后用電子秤(精確到0.01 g)稱取試樣的重量并記錄,測其含水率。

至此,試樣經(jīng)歷了一次干濕循環(huán)。將試樣重復上述步驟一次,即完成第二次干濕循環(huán);再次將試樣重復上述步驟,即完成第三次干濕循環(huán)。

該次試驗共進行了三次干濕循環(huán)試驗,每次干濕循環(huán)4個試樣同時進行。完成某次干濕循環(huán)后,將試樣用保鮮膜包好,并放入保鮮袋中,貼上標簽。然后放入保濕缸中進行保濕72 h,以確保不同循環(huán)次數(shù)最終試樣含水率一致。

將試樣放入ZJ型應變控制式直剪儀上進行直接剪切試驗,測定干濕循環(huán)結束后試樣的抗剪強度。剪切速率為0.8 mm/min,并保證試樣在3～5 min內剪損。試驗過程中垂直施加的四級荷載,分別為100 k Pa、200 kPa、300 k Pa和400 k Pa。試驗結果見圖2、圖3。

3 試驗結果與分析

對經(jīng)歷不同次數(shù)干濕循環(huán)試驗的素膨脹土與纖維加筋膨脹土進行室內直剪試驗,研究素膨脹土和玄武巖纖維加筋膨脹土的抗剪強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。試驗所得的抗剪強度數(shù)據(jù)如表3所示。對抗剪強度與垂直壓力值進行擬合后,得到試樣的抗剪強度指標黏聚力c與內摩擦角?,見表4。

由表3可以看出:干濕循環(huán)過程可以降低素膨脹土與纖維加筋膨脹土的抗剪強度;由表4可以看出:素膨脹土黏聚力c從干濕循環(huán)試驗前為41.32 k Pa,降低到第3次干濕循環(huán)后的19.85 k Pa。纖維加筋膨脹土的黏聚力c從干濕循環(huán)試驗前的60.49 k Pa,降低到第3次干濕循環(huán)的31.77 k Pa。兩者的黏聚力c隨著循環(huán)次數(shù)的增加下降明顯。素膨脹土的內摩擦角?在經(jīng)歷干濕循環(huán)后降低,纖維加筋膨脹土內摩擦角?變化規(guī)律不明顯。這是因為干濕循環(huán)過程導致試樣中水分不斷反復遷移,形成大量裂隙,破壞了試樣的整體性。

表3 干濕循環(huán)試樣抗剪強度試驗結果

表4 干濕循環(huán)試樣抗剪強度指標值

對比同一次干濕循環(huán)試驗發(fā)現(xiàn):經(jīng)歷相同次數(shù)干濕循環(huán)的纖維加筋膨脹土的黏聚力c明顯高于素膨脹土。這是因為玄武巖纖維摻入膨脹土中后纖維可以把土體連結在一起,整體性較好。

圖2是素膨脹土與纖維加筋膨脹土垂直壓力與抗剪強度曲線。圖3是素膨脹土垂直壓力與抗剪強度關系曲線,圖4纖維加筋膨脹土垂直壓力與抗剪強度關系曲線,圖5是干濕循環(huán)次數(shù)與抗剪強度關系曲線。結合圖2～圖5可知:試樣經(jīng)歷的干濕循環(huán)次數(shù)越高,其抗剪強度越低。對于同一次干濕循環(huán)而言,纖維加筋膨脹土的抗剪強度明顯高于素膨脹土的抗剪強度。圖5中還可以看出,不管是素膨脹土還是纖維加筋膨脹土,均在第1次干濕循環(huán)后試樣抗剪強度的衰減幅度達到最大。即第1次干濕循環(huán)決定了試樣抗剪強度的衰減,第2次、第3次干濕循環(huán)抗剪強度和黏聚力c的降低值逐漸的減少。

4 結 論

通過室內直剪試驗,分析玄武巖纖維加筋膨脹土在干濕循環(huán)效應后抗剪強度的變化規(guī)律,可以得出如下結論:a.無論膨脹土還是玄武巖纖維加筋膨脹土,經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后抗剪強度均明顯降低。隨著試樣的干濕循環(huán)次數(shù)的增加,其抗剪強度越低,且均在第1次干濕循環(huán)后試樣抗剪強度的降低幅度達到最大。

b.經(jīng)歷干濕循環(huán)效應后,膨脹土和纖維加筋膨脹土的粘聚力的大幅降低,素膨脹土的內摩擦角在干濕循環(huán)效應下有所降低,但對纖維加筋膨脹土的內摩擦角影響規(guī)律性不強。

c.對同一次干濕循環(huán)而言,纖維加筋膨脹土的抗剪強度明顯高于素膨脹土的抗剪強度。并且同一次干濕循環(huán)作用下,纖維加筋膨脹土較素膨脹土抗剪強度的降低幅度較小。

[1] Basma A A,Ai-Homoud A S,Husein Malkawi A I,et al.Swelling-shrinkage behavior of natural expansive clays[J].Applied Clay Science,1996,(11):211-227.

[2] 慕現(xiàn)杰,張小平.干濕循環(huán)條件下膨脹土力學性能試驗研究[J].巖土力學,2008,28(增):580-582.

[3] 呂海波,曾召田.膨脹土強度干濕循環(huán)試驗研究[J].巖土力學,2009,30(12):3797-3802.

[4] Prabakar J,Sridhar RS.Effect of random inclusion of sisal fibre on strength behavior of soil[J].Construction and Building Materials,2002,16(2):123-131.

[5] Consoli NC,Casagrande MDT,Prietto PDM,et al.Plate load test on fiber-teinforced soil[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2003,129(10):951-955.

[6] Tang C,Shi B,Gao W,et al.Strength and mechanical behavior of short polypropylene fiber reinforced and cement stabilized clayey soil[J].Geotextiles and Geomembranes,2007,25(3):194-202.

[7] 徐洪鐘,彭軼群等.短且玄武巖纖維加筋膨脹土的試驗研究[J].建筑科學,2012,28(9):44-47.

[8] 劉嘉麒.綠色高新材料——玄武巖纖維具有廣闊前景[J].科技導報,2009,27(9):卷首語.

[9] 胡顯奇.我國連續(xù)玄武巖纖維的進展及發(fā)展建議[J].高科技纖維與應用,2008,33(6):13-18.

[10]GB/T 50123—1999,土工試驗方法標準[S].北京:中華人民共和國建設部,1999.

Influence of Wetting-drying Cycles on the Shear Strength of Basalt Fiber Reinforced Expansive Soil

PENG Yi-qun1,XUE Jun-wei2
(1.Yingtian College,Nanjing 210042,China;2.Jiangsu institute of Urban Planning and Design,Nanjing 210036,China)

To improve the strength of expansive soil,this paper studies the shear strength of fiber reinforced soil with expansive soil which mixed with dispersed basalt fibers.In the study,the ratio of fiber content and dry soil by weight was 0.4%and the length of the fiber is 12 mm.Before the shear tests,the fiber reinforced expansive soil were treated by wetting-drying cycles for 0～3 times.The study results show as follows:the basalt fibers can improve the shear strength of the reinforced soil in the influence of wetting-drying cycles.Whether it is expansive soil or the fiber reinforced expansive soil,shear strength declined with the increase of wetting-drying cycles and the decline reached the maximum in the first cycles,and then gradually mitigated and finally stabilized.Compared to the internal friction angle,the influence of the fiber reinforcing effect on cohesion is much more obvious.The effects of the basalt fibers in certain range were to restrain the attenuation of shear strength in the same wetting-drying cycles.

expansive soil; basalt fiber; wetting-drying cycles; shear strength

2014-08-03.

彭軼群(1987-),碩士.E-mail:yiqunpeng@126.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.007