改性玄武巖殘積土的固結(jié)試驗(yàn)研究

張璧瑋，陳 斌，王子騰

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065）

近年來，隨著我國(guó)公路交通事業(yè)和住房建設(shè)事業(yè)的高速發(fā)展，玄武巖殘積土成為云貴地區(qū)工程建設(shè)中最常見的土體之一。研究表明，玄武巖殘積土具有低密度、高含水率、大孔隙比及高壓縮性等不良物理特性，同時(shí)遇水易崩解、軟化，屬區(qū)域性特殊土[1]。以上不良特性對(duì)工程建設(shè)十分不利，容易導(dǎo)致不均勻沉降而產(chǎn)生開裂、傾覆等問題，特別是在降水豐富的云貴地區(qū)，玄武巖殘積土的這種特性往往會(huì)造成滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，成為工程建設(shè)中的嚴(yán)重威脅。

本文以位于地表風(fēng)化程度相對(duì)嚴(yán)重的紅棕色玄武巖殘積土為研究對(duì)象，鑒于其不良的物理性能可能引起的局部變形和脆性破壞問題，人們往往需要對(duì)其進(jìn)行一定的改良處理，使工程在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)保持較高的安全性和耐久性。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究工作側(cè)重于纖維加筋土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等研究，關(guān)于其固結(jié)、壓縮特性等研究較少。本文通過選定具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好等特性的玄武巖纖維作為加筋材料，利用標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)來研究摻入玄武巖纖維對(duì)玄武巖殘積土壓縮性能的改性效果，為解決該地區(qū)沉降變形問題提供一定的參考。高速公路路基不僅需要較好的穩(wěn)定性，還需要較小的變形，以確保行車的平穩(wěn)性、安全性和舒適性。針對(duì)這一設(shè)計(jì)要求，本研究可以為其提供新的思路和理論依據(jù)。

1 土樣制備和研究方案

1.1 土樣的基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)所用土樣取自貴州省畢威高速公路沿線玄武巖殘積土路段斜坡，顏色為紅棕色，具有大孔隙比，遇水易發(fā)生崩解，并且滲透系數(shù)比較大。其基本物理性能如表1所示[2]。

表1 天然紅棕色玄武巖殘積土的物理參數(shù)

1.2 玄武巖纖維的物理力學(xué)性質(zhì)

本試驗(yàn)采用的玄武巖纖維為短切玄武巖纖維，直徑為17 μm，長(zhǎng)度有6 mm和12 mm兩種，具有細(xì)小但比表面積大的特點(diǎn)，形狀如圖1所示，具體力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖1 摻入纖維形狀

1.3 試驗(yàn)方案

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999） 規(guī)定的試驗(yàn)步驟進(jìn)行[3]。試驗(yàn)設(shè)備采用WG-1B型三聯(lián)中壓固結(jié)儀，試驗(yàn)土樣分為兩組：一組控制纖維的長(zhǎng)度一定，改變土樣中纖維摻量；另一組控制纖維的摻量一定，改變土樣中纖維的長(zhǎng)度。試驗(yàn)采用的纖維的長(zhǎng)度有6 mm、12 mm兩種規(guī)格，摻量控制為0.1%、0.2%、0.3%和0.6%四種摻量，并設(shè)置空白組作為對(duì)照。

1.4 試樣制備

將土樣風(fēng)干并碾磨過2 mm篩，按照最優(yōu)含水率計(jì)算出所需水的質(zhì)量，然后稱量水、風(fēng)干土和纖維的質(zhì)量。為了使玄武巖纖維能夠均勻地分散到制備土樣中，本次試驗(yàn)均采用分3次拌，然后集中拌和的方法將土樣拌和均勻。將各組風(fēng)干試樣分成三等份，每一份按照設(shè)計(jì)的摻量和長(zhǎng)度添加玄武巖纖維，遇到纖維結(jié)團(tuán)時(shí)手工將其撕開，并均勻地將其拌入土樣中，確保纖維在土樣中均勻分散。

表2 玄武巖纖維的物理力學(xué)參數(shù)

攪拌均勻后，加水到最優(yōu)含水率25.6%，然后置于保濕缸內(nèi)養(yǎng)護(hù)備用。試驗(yàn)前將稱好的養(yǎng)護(hù)后的混合土樣倒入裝有帶有環(huán)刀的擊樣器中，用靜力壓樣的方法將試樣分成三層夯實(shí)，每層土樣擊實(shí)至要求的高度后，再填第二層土料繼續(xù)填平擊實(shí)，如此進(jìn)行直至完成最后一層。制備完成的試樣直徑為61.8 mm，高度為20 mm。

1.5 試驗(yàn)步驟

首先在固結(jié)容器內(nèi)放入護(hù)環(huán)、透水石和一片薄型濾紙，然后將帶有試樣的環(huán)刀裝入護(hù)環(huán)內(nèi)，放上導(dǎo)環(huán)，在試樣上部依次再放上一片薄型濾紙、透水石和加壓上蓋，并將固結(jié)容器置于加壓上蓋的正中央，對(duì)準(zhǔn)加壓上蓋的中心安裝百分表。安裝完畢后，開始施加 1 kPa的壓力使試樣與儀器上下各部件之間接觸良好，記錄初始讀數(shù)，然后卸載。預(yù)壓后開始試驗(yàn)，設(shè)定加壓等級(jí)為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa，以施加每級(jí)壓力后24 h測(cè)定試樣高度變化作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，記錄施加壓力后不同時(shí)間的土樣在豎直方向上的壓縮變形量。

具體數(shù)據(jù)記錄方式如下：每一級(jí)加載前先讀取一個(gè)百分表的讀數(shù)初始值，加載按照慢速法固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間24 h為每一級(jí)固結(jié)所需時(shí)間，即每一級(jí)加載后24 h認(rèn)為穩(wěn)定，并讀取該穩(wěn)定值。然后，繪制固結(jié)試驗(yàn)得到的壓縮曲線（e-p曲線），再計(jì)算土樣的壓縮模量和壓縮系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制壓縮曲線（e-p曲線），圖2和圖3分別為土樣在采用6 mm和12 mm纖維長(zhǎng)度時(shí)不同纖維摻量下的e-p關(guān)系曲線。

孔隙比是土中孔隙的體積與固體顆粒的體積之比，反映了土的緊密程度，數(shù)值越大說明土的可壓縮性越大。從圖2、圖3可以看出，隨著施加荷載的不斷提高，土的壓縮曲線趨于平緩。為了更加直觀地反映纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)土樣壓縮性的影響，列出了p1=200 kPa，p2=200 kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的壓縮模量Es1-2和壓縮系數(shù)a1-2，以便衡量土的壓縮性，如表3所示。

圖2 6 mm纖維不同摻量下的e-p關(guān)系曲線

圖3 12 mm纖維不同摻量下的e-p關(guān)系曲線

表3 100～200 kPa壓力段的壓縮模量和壓縮系數(shù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

壓縮模量是判斷土的壓縮性高低和計(jì)算地基土沉降量的重要指標(biāo)之一，試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維長(zhǎng)度和纖維摻量都會(huì)對(duì)土體壓縮模量產(chǎn)生一定的影響。比較在各級(jí)固結(jié)壓力下的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，6 mm和12 mm纖維均可以改善玄武巖殘積土的孔隙結(jié)構(gòu)，而合理的纖維長(zhǎng)度和纖維摻量將有助于減小土體的壓縮性。

在纖維摻量對(duì)土壤改性效果方面，試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入6 mm纖維后，土的壓縮模量隨著摻量的增大有先增大后減小的趨勢(shì)，并且在摻量為0.3%時(shí)達(dá)到峰值，說明纖維的加入在一定范圍內(nèi)能夠改善土體的壓縮特性，但在超過合理的摻量之后，壓縮模量反而降低，過多纖維所導(dǎo)致的弱化作用就會(huì)顯現(xiàn)出來。因此，纖維摻量并不是越多越好，其間存在最優(yōu)摻量。

摻量小于0.3%時(shí)，壓縮模量趨于增大。一方面是因?yàn)槔w維的摻入使得土顆粒之間的孔隙被填充，可壓縮的體積變小，導(dǎo)致土體更加不容易被壓縮；另一方面是由于纖維土的交織機(jī)理，即土中無序分布的纖維存在無數(shù)交織點(diǎn)，如果纖維交叉處受到力的作用而有位移趨勢(shì)，其他纖維將阻止這種位移，從而形成空間的受力區(qū)，即整個(gè)纖維網(wǎng)對(duì)土體形成一種空間約束作用，不僅提高了土的強(qiáng)度，還可以減小土體的豎向和側(cè)向變形[4-5]。

在摻量超過0.3%之后，雖然纖維隨機(jī)分布到玄武巖殘積土中，可以在其內(nèi)部形成一個(gè)空間網(wǎng)狀支撐體系，能提高土體強(qiáng)度，但纖維摻量和長(zhǎng)度超過最優(yōu)值后，纖維分布越多，纖維之間就容易發(fā)生抱團(tuán)和疊加現(xiàn)象，導(dǎo)致過量的纖維在土體中堆積重疊，纖維在土體的空間網(wǎng)狀的“錨桿”加固作用就會(huì)削弱[6]。土體無法擠壓密實(shí)，會(huì)形成軟弱受力區(qū)，纖維網(wǎng)的形狀一定程度上發(fā)生了改變，荷載作用下抵抗變形的能力反而下降。

在纖維長(zhǎng)度對(duì)土壤改性效果方面，試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入6 mm纖維后土樣的壓縮模量較原狀土而言有明顯提高，而摻入12 mm纖維的土樣壓縮模量同原狀土相比均有減少。已有的研究表明，當(dāng)玄武巖纖維含量確定時(shí)，纖維土柱之間的接觸概率隨纖維長(zhǎng)度的增加而增大，使應(yīng)力的傳遞和疊加更加容易，纖維網(wǎng)的形成更加有效。但是，當(dāng)玄武巖纖維長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí)，纖維在拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等方面的強(qiáng)度較低，土中形成的纖維土柱在拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)方面的強(qiáng)度也較低。彎曲和扭轉(zhuǎn)引起的應(yīng)力對(duì)土的強(qiáng)度不利，當(dāng)土壤受到擾動(dòng)時(shí)，長(zhǎng)纖維主要處于連續(xù)彎曲狀態(tài)，導(dǎo)致纖維土柱半徑和強(qiáng)度減小，因此在外荷載的作用下更加容易被壓縮變形[7]。因此在進(jìn)行土體改性時(shí)，不宜過于追求纖維的長(zhǎng)度提高，而是通過試驗(yàn)去驗(yàn)證最適合的長(zhǎng)度使纖維網(wǎng)的形成最行之有效。

3 結(jié)論

短切玄武巖纖維可以作為一種外加材料來改善玄武巖殘積土的力學(xué)性能，尤其是可以顯著提高其壓縮性能，對(duì)實(shí)際工程建設(shè)提供良好的思路。纖維摻量對(duì)于土體壓縮性的改善具有較大影響。在纖維長(zhǎng)度固定的情況下，隨著纖維摻量的提高，玄武巖殘積土的壓縮模量呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，且壓縮模量的峰值在摻量為0.3%時(shí)出現(xiàn)，即摻量為0.3%土體壓縮性最低，因此0.3%為最優(yōu)摻量。

纖維長(zhǎng)度對(duì)同樣會(huì)對(duì)土體壓縮性的改善產(chǎn)生影響。摻入6 mm纖維后的土樣壓縮模量大于原狀土，而摻入12 mm纖維的土樣壓縮模量小于原狀土。同時(shí)，在纖維摻量相同的情況下，12 mm長(zhǎng)度組的壓縮模量小于6 mm組。在合理長(zhǎng)度下，壓縮模量會(huì)因?yàn)槔w維的摻入而增大，但纖維長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí)反之會(huì)有所減小。