玄武巖纖維黃土抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律與最優(yōu)配合比分析

胡文樂(lè)，何朋立，劉 華

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.洛陽(yáng)理工學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

黃土是廣泛分布于中國(guó)西北地區(qū)的一種獨(dú)特的地質(zhì)載體，也是亟需處理的工程對(duì)象。黃土滑坡作為我國(guó)西北地區(qū)最為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)威脅[1]，隨著地質(zhì)災(zāi)害與防治工程活動(dòng)的加強(qiáng)，黃土滑坡成為近年來(lái)工程地質(zhì)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2]。大型滑坡更是以其規(guī)模大、機(jī)制復(fù)雜、危害大等著稱[3]，近年來(lái)出現(xiàn)的邊坡失穩(wěn)、橋梁與建筑物地基破壞、建筑物不均勻沉降等破壞現(xiàn)象，通常采取的措施有：增強(qiáng)排水、壓密、加筋、置換等[4]。其中纖維加筋技術(shù)是目前土體改良加固，提高土體抗剪強(qiáng)度，預(yù)防土體地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題的常用方法之一。因此，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)展了對(duì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的玄武巖纖維加筋改良固化土體的一系列研究工作[5-7],為滑坡、邊坡失穩(wěn)、地基破壞等復(fù)雜地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防和防治提供理論依據(jù)。

運(yùn)用加筋技術(shù)改善土體受力情況、提高土工結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[8]。常用加筋材料中，玄武巖纖維憑借其自身優(yōu)良的物理和化學(xué)性能而聞名[9]。目前將玄武巖纖維摻入土體中的研究較少[10]，李廣信等[11]通過(guò)將纖維添加到黏性土中進(jìn)行三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的加入能夠有效提高黏性土的抗剪強(qiáng)度，并且能夠增加土體的韌性和塑性；高磊等[12]對(duì)玄武巖纖維加筋黏土進(jìn)行固結(jié)不排水(CU)試驗(yàn)，結(jié)果表明，玄武巖纖維能夠有效增加黏土的黏聚力；王德銀等[13]以飽和黏性土為加筋對(duì)象，進(jìn)行一系列直剪試驗(yàn)，并借助電鏡掃描技術(shù)，發(fā)現(xiàn)纖維的加入能夠有效提高土體的抗剪強(qiáng)度，而且黏聚力的提高程度優(yōu)于內(nèi)摩擦角。至今在玄武巖纖維加筋土研究方面取得的成果較為深入，玄武巖纖維機(jī)理的研究越加豐富，但在研究方法上大多運(yùn)用控制單一變量的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)工作量大，試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，但運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行三軸試驗(yàn)的研究較少。

本文取6 mm玄武巖纖維作為加筋材料，設(shè)計(jì)三因素四水平正交試驗(yàn)表，考慮到邊坡、地基等實(shí)際工程的工況，進(jìn)行固結(jié)不排水三軸(CU)試驗(yàn)，通過(guò)極差分析和方差分析，確定最優(yōu)配合比。并對(duì)最優(yōu)配合比進(jìn)行不同圍壓、不同纖維摻量下的三軸試驗(yàn)，研究玄武巖纖維土的應(yīng)力-應(yīng)變特性，得出纖維摻量對(duì)有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 土料

試樣為黃土土料經(jīng)風(fēng)干、碾碎、過(guò)2 mm篩后獲得，封存于玻璃罐中備用。土顆粒呈肉紅色，細(xì)顆粒較多，黏性較大。試驗(yàn)所用的土料物理指標(biāo)見(jiàn)表1，土料的顆粒分析曲線見(jiàn)圖1。

1.2 玄武巖纖維

本試驗(yàn)所取用6 mm玄武巖纖維，摻入時(shí)需將纖維絲均勻摻加。玄武巖纖維性能參數(shù)[14]見(jiàn)表2。

1.3 試樣制備

選取代表性土樣，測(cè)定含水率，并按照目標(biāo)含水率計(jì)算出所需加水量；在配完目標(biāo)含水率之后，將目標(biāo)含水率土料裝入塑料袋中并置于密閉的玻璃缸中養(yǎng)護(hù)至少20 h，實(shí)際測(cè)量值與理論值的差值好的目標(biāo)含水率土料根據(jù)干密度要求稱取并與玄武巖纖維摻合。加入玄武巖纖維時(shí)，由于有些玄武巖纖維呈絮凝狀，所以在加入玄武巖纖維拌合前，要對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行處理，使其能夠在土料當(dāng)中分散均勻?yàn)橐?。將纖維絲均勻地分散在土料中，拌和均勻。并將拌和后的土料平均分成五份，逐層擊實(shí)，擊實(shí)前先進(jìn)行振搗使土顆粒均勻分布，每層擊實(shí)完成后，為了使兩層土之間能夠更好的粘結(jié)在一起，刮毛接觸面，再倒入下一層土料，直至第五層擊實(shí)完畢后，不再進(jìn)行刮毛處理，取下護(hù)筒。最后將擊實(shí)好的試樣取出，稱其質(zhì)量，每個(gè)試樣的密度差值應(yīng)小于0.02 g/cm3。

表1 試驗(yàn)所用土料的物理指標(biāo)

圖1 黃土的顆粒分析曲線Fig.1 Gradation curve of loess

表2 玄武巖纖維性能參數(shù)

1.4 試驗(yàn)方案

正交試驗(yàn)是科學(xué)研究中經(jīng)常采用的一種試驗(yàn)安排方法。如果巧妙地利用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，彌補(bǔ)在安排試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)多種因素且無(wú)法用控制變量法進(jìn)行的不足，可以達(dá)到事半功倍的效果[15]。

擬選擇可能對(duì)抗剪強(qiáng)度有較大影響的三個(gè)因素作為指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)確定四個(gè)水平等級(jí)。即根據(jù)土料含水率(A)水平為11%(1)、13%(2)、15%(3)、17%(4)，壓實(shí)度(B)水平為0.85(1)、0.90(2)、0.93(3)、0.95(4)以及玄武巖纖維摻量(C)水平為0.0%(1)、0.2%(2)、0.4%(3)、0.6%(4)完成三因素四水平正交設(shè)計(jì)并安排16組試驗(yàn)(例如，B2表示壓實(shí)度為0.90)。三因素四水平正交表L16(34)見(jiàn)表3。再對(duì)正交試驗(yàn)得出的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，安排不同圍壓不同圍壓(50 kPa、75 kPa、100 kPa)、不同纖維摻量(0.0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%)下同等試驗(yàn)。

表3 三因素四水平正交表L16(34)

2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)極差分析可知，A1B4C3為三軸試驗(yàn)玄武巖纖維土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的最優(yōu)參數(shù)方案。此時(shí)，對(duì)應(yīng)于因素的水平為含水率11%、壓實(shí)度0.95、玄武巖纖維摻量0.4%。因子的主次順序?yàn)锳→B→C，簡(jiǎn)記為ABC。

對(duì)方差進(jìn)行了分析可得，各因素的試驗(yàn)誤差大小關(guān)系為:壓實(shí)度>纖維摻量>含水率；顯著性檢驗(yàn)結(jié)果影響大小順序?yàn)椋汉视绊?壓實(shí)度影響>玄武巖纖維摻量影響。

查表知，F(xiàn)0.99(3,6)=9.78，F(xiàn)0.95(3,6)=4.76，F(xiàn)0.90(3,6)=3.29。對(duì)比表4中F值的大小可知顯著因子為含水率、壓實(shí)度和玄武巖纖維摻量。其中含水率和壓實(shí)度影響極顯著，而纖維摻量影響為顯著。其中，Ti為各因素同一水平試驗(yàn)指標(biāo)之和。R*為最小誤差列的判定指標(biāo)。DF為平均偏差平方和。

表4 玄武巖纖維土抗剪強(qiáng)度的極差、方差及影響分析

雖然正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)所得到的16組試驗(yàn)數(shù)據(jù)并沒(méi)有直接進(jìn)行比較的基礎(chǔ)，但能通過(guò)直觀分析法和方差分析法兩種方法分析得出最優(yōu)配合比A1B4C3，即：含水率為11%、壓實(shí)度為0.95、玄武巖纖維摻量為0.4%。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

玄武巖纖維加筋黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。正交設(shè)計(jì)下的試驗(yàn)組合兩兩之間沒(méi)有直接比較的基礎(chǔ)，在控制含水率一定的情況下可以分別對(duì)比分析纖維摻量和壓實(shí)度的影響。

(1)圖2(a)中，在含水率為11%時(shí)，隨著纖維摻量的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線由弱硬化型向弱化型轉(zhuǎn)變，強(qiáng)度最高時(shí)纖維摻量為0.6%，其次是纖維摻量為0.4%，0.2%和0.0%，且在0.6%、0.4%、0.2%的纖維摻量下應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為軟化型，其原因是，纖維與土顆粒粘結(jié)在一起，在試樣被剪切的過(guò)程中，纖維隨之產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力在一定程度上抑制了試樣破壞的趨勢(shì)，即表現(xiàn)為試樣的剪切強(qiáng)度增加。圖2(b)中，在含水率為13%時(shí)，由于壓實(shí)度達(dá)到最大，此組曲線在0.0%的纖維摻量下強(qiáng)度可以達(dá)到最高，但表現(xiàn)為軟化型，在達(dá)到峰值前基本成直線，達(dá)到峰值后強(qiáng)度突然下降，而其他三條曲線加入了不同摻量的玄武巖纖維，破壞呈現(xiàn)軟化型，其原因在于纖維的加入能夠有效提高土體的韌性，而使破壞形態(tài)表現(xiàn)為塑性。圖2(c)中，強(qiáng)度最高時(shí)的纖維摻量為0.4%，四組曲線均呈現(xiàn)弱軟化型向硬化型發(fā)展的趨勢(shì)，其原因是含水率的升高使得土顆粒晶層間的水分子增多，雙電層厚度逐漸變厚，土顆粒相互遠(yuǎn)離重新排列，而出現(xiàn)應(yīng)變-硬化的塑性破壞曲線。

圖2 不同含水率條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves with different moisture contents

(2)如圖2中含水率一定時(shí)，最大抗剪強(qiáng)度的壓實(shí)度都為0.95。通過(guò)比較分析(a)、(c)發(fā)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)度升高而增大，原因是壓實(shí)度越大，土顆粒間孔隙越小，土顆粒間土顆粒相互錯(cuò)動(dòng)并重新排列，由于纖維和土顆粒間的握裹作用和纖維網(wǎng)作用使得抗剪強(qiáng)度增大；分析(b)、(d)可知，由于纖維摻量的不同，與(a)、(c)規(guī)律稍有差異，但分析結(jié)果相一致，對(duì)(b)、(d)中抗剪強(qiáng)度受纖維摻量和壓實(shí)度的影響進(jìn)行分析，纖維摻量雖都不是最大摻量，但所對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度為最佳值；而(a)、(c)中，壓實(shí)度不是最大值，但其最大纖維摻量發(fā)揮其與土的界面作用而取得同條件下最優(yōu)。

3 最優(yōu)配合比優(yōu)化分析和評(píng)價(jià)

以上通過(guò)正交試驗(yàn)結(jié)果得出的最優(yōu)配合比，也就是從最大限度提高三軸試樣的峰值強(qiáng)度，但未必是最經(jīng)濟(jì)的，而直觀分析法中纖維摻量為相對(duì)次要因素，控制含水率和壓實(shí)度分別滿足最優(yōu)配合比(11%、0.95)的前提下，考慮到圍壓和玄武巖纖維摻量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，故將玄武巖纖維摻量(0.0%、0.2%、0.4%、0.6%、08%)及圍壓(50 kPa、75 kPa、100 kPa)作為影響因素對(duì)最優(yōu)配合比進(jìn)行試驗(yàn)，獲得抗剪強(qiáng)度隨圍壓增長(zhǎng)的規(guī)律，通過(guò)繪制摩爾強(qiáng)度包線，得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

3.1 不同圍壓、不同纖維摻量下的三軸試驗(yàn)

含水率為11%、壓實(shí)度0.95的條件下進(jìn)行不同圍壓、不同纖維摻量下的三軸試驗(yàn)，所得到的試樣破壞情況均為鼓脹型破壞(圖3)。得出的不同圍壓、不同纖維摻量下的抗剪強(qiáng)度(圖4)。

圖3 試樣破壞形態(tài)圖Fig.3 Damage pattern of the sample

圖4 不同圍壓、不同纖維摻量下的抗剪強(qiáng)度曲線Fig.4 Shear strength curves under different confining pressure and different fiber content

從圖4中可以看出，同一圍壓下的最佳纖維摻量為0.4%，與正交試驗(yàn)經(jīng)過(guò)方差分析得出的結(jié)論一致。土體是摩擦型材料，通過(guò)對(duì)最優(yōu)配合比作進(jìn)一步試驗(yàn)得出抗剪強(qiáng)度隨圍壓的增大而增大，試樣的抗剪強(qiáng)度隨玄武巖纖維摻量的增加先增大后減小。

3.2 不同纖維摻量試樣的內(nèi)摩擦角和黏聚力的計(jì)算及分析

在不同圍壓下進(jìn)行剪切破壞時(shí)得到的最大軸向應(yīng)力σ1，則試樣的大主應(yīng)力為σ1，而小主應(yīng)力為圍壓σ3，在坐標(biāo)軸上以(σ1-σ3)為直徑，(σ1+σ3)/2為圓心畫(huà)極限應(yīng)力圓。應(yīng)用Excel規(guī)劃求解功能三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)繪出的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同纖維摻量下土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ

圖5 黏聚力Fig.5 Cohesion

通過(guò)繪制黏聚力隨纖維摻量的變化曲線(圖5)，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的添加能夠有效提高土樣的黏聚力，并且土樣的黏聚力先隨纖維摻量的增加先增大后減小，當(dāng)纖維摻量在0.4%左右時(shí)，黏聚力最大。繪制內(nèi)摩擦角隨纖維摻量的變化曲線可以看出(圖6)，纖維摻量為0.2%時(shí)，內(nèi)摩擦角明顯減小；纖維摻量為0.8%時(shí)，內(nèi)摩擦角發(fā)生了較為顯著的升高；其余的相差都不大，由圖6可以看出，纖維的摻入對(duì)土樣的內(nèi)摩擦角影響曲線呈上凹形狀，實(shí)際工程中應(yīng)控制纖維摻量不少于0.2%。

圖6 內(nèi)摩擦角Fig.6 Internal friction angle

4 結(jié)論

(1)方差分析得到的最優(yōu)配合比為含水率11%，壓實(shí)度0.95，玄武巖纖維摻量0.4%。

(2)通過(guò)對(duì)最優(yōu)配合比作進(jìn)一步研究，在壓實(shí)度和含水率保持不變的情況下，玄武巖纖維加筋黃土的抗剪強(qiáng)度隨圍壓的增大而增大，隨玄武巖纖維摻量的增加先增大后減小。

(3)含水率、壓實(shí)度、玄武巖纖維摻量、圍壓都是抗剪強(qiáng)度的顯著影響因子。玄武巖纖維的添加能夠有效提高土樣的黏聚力，并且土樣的黏聚力隨纖維摻量的增加先增大后減小，當(dāng)纖維摻量在0.4%左右時(shí)，黏聚力最大。纖維摻量為0.2%時(shí)，內(nèi)摩擦角明顯減小，纖維摻量為0.8%時(shí)，內(nèi)摩擦角發(fā)生了較為顯著的升高；其余的相差都不大，內(nèi)摩擦角和摻量所呈曲線為上凹形,實(shí)際工程中應(yīng)將纖維添加均勻，控制纖維摻量不少于0.2%。