玻璃纖維加筋石灰土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗研究

阮波，彭學(xué)先，馬超，周堃野，韓釗

玻璃纖維加筋石灰土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗研究

阮波，彭學(xué)先，馬超，周堃野，韓釗

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

依托室內(nèi)試驗，研究玻璃纖維和石灰對紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明：在紅黏土中摻入玻璃纖維能顯著提高其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，使其具有較好的水穩(wěn)定性；纖維石灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長率高于純纖維土或石灰土；纖維土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著纖維長度的增加而增加，隨著纖維摻量的增加先增加后減小，當(dāng)摻量超過1‰后，強(qiáng)度隨著摻量的增加而減??；纖維石灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在未浸水條件下均隨著纖維長度和摻量的增加而增大；浸水條件下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在纖維長度未達(dá)到9 mm時隨著纖維長度和摻量的增加而增大。研究成果可為纖維和石灰改良路基填土的工程應(yīng)用提供參考價值。

玻璃纖維；石灰；紅黏土；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；水穩(wěn)定性

近些年來，交通在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來越大的作用，交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模也在持續(xù)擴(kuò)大，其必然導(dǎo)致公路或者鐵路建設(shè)向高等級、高標(biāo)準(zhǔn)的方向發(fā)展，對于一些較高強(qiáng)度的填筑路基而言，采用相應(yīng)的加固措施才能滿足工程需求?，F(xiàn)階段路基填料改良處治措施主要有化學(xué)改良法和物理改良法。其中化學(xué)改良法常采用在土體中摻入石灰、粉煤灰、水泥等無機(jī)結(jié)合料來提高土體的強(qiáng)度，降低土體壓縮性，改善土體變形特性。這種方法研究較早、理論較全，現(xiàn)場的施工技術(shù)也相應(yīng)比較成熟。物理改良法主要是在土中埋設(shè)抗拉強(qiáng)度較高的加筋材料，這種復(fù)合土屬于土工合成材料的范疇。這種方法在不改變土體本身性質(zhì)之外提高了土體的強(qiáng)度，又不會對環(huán)境造成污染，因此在工程應(yīng)用中越來越受到工程師們的青睞。但是在工程實踐中，通常是將條帶、土工格柵、土工織物或者土工網(wǎng)按照一定的方向分層鋪設(shè)在需要加固的土體中，從而加筋土存在施工工藝復(fù)雜和施工后土體存在各向異性等缺點。最新發(fā)展起來的加筋土分支的纖維土技術(shù)卻能夠克服這個弊端。它是將纖維隨機(jī)地添加到土體里，纖維在土中彎曲，彼此交錯、連接，互成空間網(wǎng)絡(luò)體系，因此可以將之視為各向同性的材料，曾軍等[1]探究了聚丙烯纖維對紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響和作用機(jī)理。杜偉飛等[2]探究了聚丙烯纖維對黃土的抗壓和抗剪強(qiáng)度的影響，得出纖維的摻入增加了基質(zhì)土的抗壓和抗剪性能，提高了峰值應(yīng)變和殘余強(qiáng)度，減少了破壞后應(yīng)力的衰減速度，抑制貫穿裂縫的發(fā)育。牛向飛等[3]為了解決水泥灰土穩(wěn)定砂的收縮裂縫，在其中摻入聚丙烯纖維后發(fā)現(xiàn)其能夠減少裂縫病害的發(fā)生，且應(yīng)用在一段高速公路中，改良效果顯著。璩繼立等[4]探究了不同含量的纖維素纖維和石灰粉在不同養(yǎng)護(hù)齡期情況下對上海黏土的抗壓強(qiáng)度影響，提出了最適宜的加筋率和摻灰率分別為0.8%和10%。沈圓順等[5]研究了纖維對石灰土路基和水泥土路基的影響，試驗結(jié)果說明纖維的摻入對其黏聚力影響較大，對內(nèi)摩擦角影響較小，初始彈性模量隨著纖維的增加而減小。纖維加筋土屬于一種新型的土體改良技術(shù)，目前玻璃纖維對石灰改良土強(qiáng)度影響的研究相對較少。為了探究玻璃纖維對紅黏土的加固效果，文中開展對紅黏土、石灰土、纖維土和纖維石灰土等4種土的對比試驗，采用規(guī)范常用的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢驗改良效果，研究成果可為玻璃纖維和石灰改良路基填土的工程應(yīng)用提供一定的參考價值。

1 試驗研究

1.1 試驗材料

試驗所用土取自滬昆鐵路貴州段的紅黏土，其物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。石灰為深圳市長隆科技有限公司生產(chǎn)的清源牌石灰，其化學(xué)成分見表2。選取的纖維為日升玻璃纖維廠生產(chǎn)的短切玻璃纖維，其物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表1 紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)

表2 石灰的化學(xué)成分及含量

表3 玻璃纖維的物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗方案

本次試驗采用石灰摻入比分別為0%，4%，6%，8%和10%，嚴(yán)格按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB10102—2010)[6]進(jìn)行擊實試驗，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)隨著摻灰量的增加，最大干密度逐漸減小，最優(yōu)含水率增加。這是因為石灰的相對體積比紅黏土的相對體積小，在沒有養(yǎng)護(hù)時存在一定程度的膠結(jié)作用，形成新的膠結(jié)物質(zhì)，改變了石灰土的壓實性能，所以最大干密度降低；同時由于土顆粒和石灰之間的離子交換作用，導(dǎo)致土顆粒周圍的雙電子層密度與厚度發(fā)生改變，石灰與水還會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，消耗了其中一部分水，所以最優(yōu)含水率一直增大。

不同石灰摻量下的紅黏土根據(jù)其最大干密度和最優(yōu)含水率進(jìn)行配樣后，再進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，結(jié)果如2所示。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在摻灰量為8%時達(dá)到最大，且由于玻璃纖維不會與土體發(fā)生反應(yīng)，故本次試驗的摻灰量選定為8%。

圖1 不同石灰摻量下改良土的擊實曲線

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的結(jié)果

考慮玻璃纖維對石灰土的影響，本次試驗設(shè)計了紅黏土、石灰土、纖維土和纖維石灰土的對比試驗，詳細(xì)的設(shè)計方案如表4所示。同時為了研究纖維石灰土的水穩(wěn)定性，所有試樣均一式2份，一份在保濕缸中養(yǎng)護(hù)7 d；另一份在保濕缸中養(yǎng)護(hù)6 d后浸水1 d。

表4 試驗方案

1.3 試樣制備

選取代表性的土樣風(fēng)干、碾碎、過2 mm篩，壓實度選為94%。按照上述不同的對比試驗，分別稱取干土、水和相應(yīng)的石灰或者玻璃纖維(或者石灰和纖維均有)的質(zhì)量，并拌和均勻，通過壓樣法分2層將混合料統(tǒng)一制成尺寸為直徑50 mm、高度50 mm的圓柱體試樣，兩層之間適當(dāng)刮毛以增大上下層之間土樣摩擦咬合作用。注意若有玻璃纖維的摻入，一定要將玻璃纖維充分拌和均勻，避免它們之間的黏結(jié)成團(tuán)，給試樣的壓實帶來困難。每組試樣制備5個以保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。脫模后養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)的齡期再進(jìn)行試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗采用WDW-50型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)，試驗過程中應(yīng)變速率控制在1 mm/min，記錄每個試樣破壞時的最大壓應(yīng)力及峰值強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變。試驗現(xiàn)象和結(jié)果說明：紅黏土和纖維土在浸水后完全崩解成土渣，而石灰土和纖維石灰土保持原狀且具有一定的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；未浸水的纖維石灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是紅黏土的3.9~5.5倍，浸水后纖維石灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高倍數(shù)也達(dá)到了1.3~2.0，說明在紅黏土中同時摻入纖維和石灰能有效提高自身的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并使其具有良好的水穩(wěn)定性和整體性。石灰與紅黏土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增大了孔隙之間的密實程度，從而改變了土體本身的性質(zhì)，而纖維的作用是其和土顆粒之間相互咬合、摩擦，增大了土顆粒之間的拉 應(yīng)力。

2.1 纖維對紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

玻璃纖維對紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖3所示。

圖3 玻璃纖維對紅黏土的關(guān)系曲線

從上圖可以看出，在紅黏土中摻入纖維能夠提高土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出隨著纖維長度的增加而增加，隨著纖維摻量的增加而增加，當(dāng)摻量超過1‰后，強(qiáng)度隨著摻量的增加而減小。玻璃纖維在長度不同時，纖維土的強(qiáng)度增長率為10%~47%，其中12 mm的增長幅度最快。

纖維摻量對紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的補(bǔ)強(qiáng)作用存在一個最優(yōu)值，當(dāng)纖維的摻量超過最優(yōu)值后，纖維的弱化作用就會體現(xiàn)出來。纖維細(xì)小，比表面積大，隨機(jī)分布到紅黏土中，可以在其內(nèi)部形成一種空間網(wǎng)狀的隨機(jī)支撐體系，起到“錨桿”加固作用，所以能提高土體的強(qiáng)度。但纖維摻量超過最優(yōu)值后，纖維在土體的空間網(wǎng)狀的橋梁紐帶作用就會削弱。分布越多，纖維的定向分布以及它們之間疊加抱團(tuán)現(xiàn)象就會越顯著，強(qiáng)度提高的能力反而下降。

2.2 纖維對石灰改良紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

纖維摻量對石灰土強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖4所示，圖5反映的是纖維長度對石灰土強(qiáng)度的關(guān)系 曲線。

圖4 纖維摻量對石灰土的關(guān)系曲線

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，纖維石灰土的強(qiáng)度在未浸水狀態(tài)時均隨著摻量的增加而增加，較紅黏土而言，強(qiáng)度增長率達(dá)到了289%~451%，提高幅度比纖維土大很多；在浸水狀態(tài)時，強(qiáng)度規(guī)律大體(纖維長度為3，6和9 mm)是隨著摻量的增加而增加，在12 mm時卻出現(xiàn)了先增加后減小的現(xiàn)象。

在圖5中可以看出，在相同纖維摻量條件下，纖維石灰土在未浸水時呈現(xiàn)出隨著長度增長而增加的規(guī)律，且長度越長，曲線則表現(xiàn)越陡；在浸水狀態(tài)時，強(qiáng)度卻是先增加后減小，在9 mm時達(dá)到最大值。同樣也在長度為12 mm時，摻量為3‰時纖維石灰土的強(qiáng)度突然降到未摻入纖維的石灰土強(qiáng)度之下。

圖5 纖維長度對石灰土的關(guān)系曲線

圖6 破壞形式

纖維石灰土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高是纖維和石灰二者共同作用的結(jié)果，就其一而言，石灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是紅黏土的3.9倍；而纖維土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較紅黏土而言，提高的最大幅度僅僅為1.9倍，可見石灰在提高強(qiáng)度發(fā)揮的作用比纖維大，從而使纖維石灰土呈現(xiàn)不同于纖維土的規(guī)律。在浸水條件下，纖維長度為12 mm時強(qiáng)度均出現(xiàn)了反常，其原因主要歸結(jié)于試樣在泡水后會發(fā)生膨脹、冒泡現(xiàn)象，如果有水進(jìn)入到試樣的內(nèi)部，試樣的抗壓強(qiáng)度就會降低。此次試驗中試樣的尺寸為50 mm×50 mm圓柱體，長度為12 mm的纖維在摻量越高的情況下就越容易在試樣中相互搭接，形成貫穿的通道，使得水由通道從外部進(jìn)入內(nèi)部，從而使強(qiáng)度降低。

2.3 破壞形式

4種土的破壞形式各不相同，詳見圖6。紅黏土試樣的裂縫長而寬，破壞面和水平面的夾角近似為60度，同時伴隨著局部少量掉渣現(xiàn)象的發(fā)生。摻入纖維后，試樣的裂縫方向和紅黏土類似，不過高度更窄、長度更短一些，試件壓縮后的高度更高，仔細(xì)觀察裂縫處，可以發(fā)現(xiàn)一些纖維細(xì)絲相互交叉。石灰土和纖維石灰土的破壞形式成倒三角錐形，不過纖維石灰土的掉渣情況不是特別明顯，纖維的抵抗剪切變形能力延緩了裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，使試件保持一定的韌性。

3 結(jié)論

1) 紅黏土中摻入纖維和石灰能有效提高自身的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并使其具有良好的水穩(wěn)定性和整體性。

2) 纖維土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出隨著纖維長度的增加而增加，隨著纖維摻量的增加而增加，摻量超過1‰后，強(qiáng)度隨著摻量的增加而減小。

3) 纖維石灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在未浸水條件下，隨著纖維長度和摻量的增加而增大；在浸水條件下，在長度為未達(dá)到9 mm，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨著纖維長度和摻量的增加而增大。

4) 在土中加入纖維減少了掉渣現(xiàn)象的發(fā)生。纖維的抵抗剪切變形能力延緩了裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，使試件保持一定的韌性。

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(編輯 涂鵬)

Experimental study on unconfined compressive strength of glass fiber reinforced lime soil

RUAN Bo, PENG Xuexian, MA Chao, ZHOU Kunye, HAN Zhao

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Relying on the laboratory tests, a series of red clay specimens were prepared and subjected to the unconfined compressive strength (UCS) tests. The results indicate that the UCS values of red clay soil specimens mixed with a certain amount of glass fiber and lime increase significantly. Meanwhile, red clay soil specimens modified by lime and glass fiber show water stability. The strength increment of soil specimens modified with glass fiber and lime was higher than that of soil specimens modified with either glass fibers or lime. The UCS of red clay soil specimens increased significantly with increasing fiber length; however, the strength increased with fiber content less than 1‰ and then decreased with fiber content exceeding 1‰. The UCS of red clay soil specimens modified by lime and glass fiber, when not inundated in water, increased significantly with increasing fiber length and content; conversely, the UCS of the inundated specimens increased significantly with increasing fiber length and content when the length of fiber is less than 9mm. The results provide useful reference and guidance to engineering applications where soils modified by lime and glass fiber are used as subgrade filling materials.

glass fiber; lime; red clay; UCS; water stability

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.09.009

TU 411.7

A

1672 ? 7029(2018)09 ? 2246 ? 06

2017?01?12

中南大學(xué)實驗室開放專項資金資助項目(zzts416)

阮波(1972?)，男，河南新縣人，副教授，博士，從事巖土工程方面的研究；E?mail：421084359@126.com