玄武巖纖維對(duì)非飽和粘性土變形及強(qiáng)度特性的影響

林凱燦

摘要：以不同玄武巖纖維摻量的非飽和粘性土為研究對(duì)象，進(jìn)行不固結(jié)不排水（UU）三軸剪切試驗(yàn)，對(duì)玄武巖纖維對(duì)非飽和粘性土變形及強(qiáng)度特性的影響進(jìn)行了探討。本次試驗(yàn)采用的玄武巖纖維摻量分別為：0 %、0.10 %、0.20 %、0.30 %、0.40 %、0.50 %，圍壓分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa。試驗(yàn)結(jié)果顯示，相同含水率條件下，隨著纖維摻量的不斷提高，試樣的最大主應(yīng)力差呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì);而且，隨著纖維長(zhǎng)度的增加，試樣的最大主應(yīng)力差也逐漸提高。因此試驗(yàn)結(jié)果表明，玄武巖纖維的摻入，對(duì)非飽和粘性土的強(qiáng)度及變形特性有比較明顯的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維;粘性土;三軸試驗(yàn);強(qiáng)度特性

1? 引言

自20世紀(jì)30年代Casagrande發(fā)明三軸試驗(yàn)儀以來(lái)，三軸試驗(yàn)已經(jīng)成為測(cè)定土體應(yīng)力應(yīng)變及強(qiáng)度特性的重要手段[1-2]，是作為計(jì)算邊坡穩(wěn)定性、地基承載力等的重要依據(jù)。隨著工程材料的日益發(fā)展，研究人員嘗試將不同的纖維材料摻入土體中，形成土工復(fù)合材料，對(duì)土體進(jìn)行加固，改善土體的工程性質(zhì)，也得到了相應(yīng)的研究成果[3-6]。玄武巖纖維是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型無(wú)機(jī)礦物增強(qiáng)材料，它具有抗拉強(qiáng)度高、彈性模量高、耐高溫和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，而且相對(duì)于其他纖維，玄武巖纖維還具有價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)。所以綜合玄武巖纖維具有優(yōu)良的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性以及低廉的生產(chǎn)成本，玄武巖纖維已被廣泛的應(yīng)用于建筑、化工等領(lǐng)域[7-8]。徐洪鐘等人也將玄武巖纖維作為加筋材料應(yīng)用于膨脹土中，研究結(jié)果顯示發(fā)現(xiàn)摻入玄武巖纖維增強(qiáng)材料，可以改善膨脹土的強(qiáng)度和韌性[9-11]。

本試驗(yàn)通過(guò)變化改變玄武巖纖維的摻量以及纖維長(zhǎng)度來(lái)研究玄武巖纖維對(duì)非飽和粘性土變形及強(qiáng)度特性的影響，旨在尋求一種改善粘性土力學(xué)性能的新途徑。

2? 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

2.1? 玄武巖纖維

玄武巖纖維主要的化學(xué)組分有二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣以及氧化鎂。其中，二氧化硅及氧化鋁的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使纖維具有較高的機(jī)械強(qiáng)度;而氧化鈣有助于提高纖維的硬度以及耐水腐蝕性，間接提高纖維的機(jī)械強(qiáng)度;另外，少量的氧化鎂對(duì)玄武巖纖維的耐久性也有促進(jìn)作用。本次試驗(yàn)使用的玄武巖纖維購(gòu)買自浙江金石玄武巖纖維有限公司，其化學(xué)組分及其含量見(jiàn)表1，性能指標(biāo)見(jiàn)表2，外觀形貌如圖1所示。

2.2? 粘性土

本試驗(yàn)使用的粘性土取自福建龍巖地區(qū)，其物理性質(zhì)見(jiàn)表3。

2.3? 試樣的制備

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999）[12]進(jìn)行試樣的制備。本次試驗(yàn)試樣的直徑均為Φ39.1mm，試樣高度為100.0mm。現(xiàn)場(chǎng)切取4個(gè)原狀土試樣，一個(gè)進(jìn)行天然含水率的測(cè)試，另外3個(gè)進(jìn)行原狀土三軸試驗(yàn)。

將長(zhǎng)度為5mm、10mm和15mm的玄武巖纖維，首先按照土體烘干質(zhì)量的0 %、0.10 %、0.20 %、0.30 %、0.40 %、0.50 %與粘性土進(jìn)行混合干拌，攪拌至玄武巖纖維分散均勻然后加水?dāng)嚢?，制成試樣，具體參數(shù)如表4所示。每組試驗(yàn)制備3個(gè)試樣。

2.4? 試驗(yàn)步驟

本試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式靜力三軸儀進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)，圍壓分別為100kPa、200kPa和300kPa，剪切應(yīng)變速率為0.5mm/min。針對(duì)試樣不同破壞形式，取不同的破壞標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)主應(yīng)力差（σ1-σ3）存在峰值時(shí)（及試樣為應(yīng)變軟化破壞），取峰值作為破壞點(diǎn);當(dāng)不存在峰值時(shí)，取軸向應(yīng)變15%時(shí)的主應(yīng)力差作為破壞點(diǎn)。

3? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1? 原狀土與重塑土試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

不同圍壓下（100kPa、200kPa和300kPa），原狀土與重塑土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖2所示，從圖中可以看出，相同圍壓下，重塑土的主應(yīng)力差（σ1-σ3）最大值均低于原狀土，且重塑土的破壞形式均為應(yīng)變軟化，而原狀土既有應(yīng)變軟化形式，也有應(yīng)變硬化形式。

表5為原狀土與重塑土試樣的強(qiáng)度參數(shù)值，從表中可以看出原狀土試樣的黏聚力大于重塑土，這說(shuō)明用三軸試驗(yàn)確定土體的強(qiáng)度具有一定的可靠性和安全性。

3.2? 玄武巖纖維摻量及長(zhǎng)度對(duì)試樣變形及強(qiáng)度特性的影響

不同圍壓、不同纖維摻量（0.10 %、0.20 %、0.30 %、0.40 %、0.50 %）及不同纖維長(zhǎng)度（5mm、10mm、15mm）條件下，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3、圖4所示。從圖3、圖4中均可以看出，由于玄武巖的摻入，試樣的破壞類型均為應(yīng)變硬化形式，從這里也可以發(fā)現(xiàn)，纖維能夠使得土體在破壞過(guò)程中保持一定的持荷時(shí)間，具有一定的“韌性”。從圖3（a）中可以看出，35.0%含水率條件下，隨著纖維摻量的提高，主應(yīng)力差均呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，且每一纖維長(zhǎng)度均有一個(gè)最優(yōu)纖維摻量，其分別為0.4 %（5 mm）、0.3 %（10 mm）及0.3 %（15 mm）。因此可以得到當(dāng)纖維長(zhǎng)度為5 mm～15 mm時(shí)，纖維的最佳摻量為0.3 %～0.4 %，使得土體強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)。

圖4為纖維長(zhǎng)度為5 mm、10 mm及15 mm時(shí)，最佳摻量下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，從圖中可以看出當(dāng)纖維長(zhǎng)度為10 mm，摻量為0.3 %時(shí)，主應(yīng)力差值最大也表明當(dāng)此條件下，對(duì)試樣的強(qiáng)度影響最大。

通過(guò)計(jì)算得到不同試驗(yàn)組試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角，如表6所示。從表中可以看出隨著纖維摻量的增加，試樣的黏聚力呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，而且當(dāng)纖維長(zhǎng)度為100 mm，摻量為0.3 %時(shí)，其黏聚力達(dá)到最大最大，為100.98 kPa。

分析纖維摻量及長(zhǎng)度對(duì)試樣變形及強(qiáng)度特性的影響主要有以下兩個(gè)原因：一是，纖維的摻入能夠?qū)ν馏w起到加筋的作用，在壓縮剪切的過(guò)程中對(duì)土體施加了一定的束縛，因此提高了試樣的強(qiáng)度，而且隨著纖維摻量的提高，這種效果越顯著，但是隨著纖維摻量的繼續(xù)增大，纖維的摻入也會(huì)間接成為試樣的一種原始缺陷，所以繼續(xù)增加纖維的摻量，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度的降低;二是，隨著纖維長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，纖維的最優(yōu)摻量逐漸減小，這是因?yàn)殚L(zhǎng)纖維對(duì)試樣的束縛效果更容易的體現(xiàn)，然而長(zhǎng)度超過(guò)一定長(zhǎng)度之后，在成型試樣的過(guò)程中不能完全攪拌均勻，這也更容易造成纖維的結(jié)團(tuán)，使得由纖維造成的試樣原始缺陷更加明顯。

3? 結(jié)論

通過(guò)綜上試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）不同圍壓下，原狀土試樣的最大主應(yīng)力差均大于重塑土的最大主應(yīng)力差，這說(shuō)明用三軸試驗(yàn)確定土體的強(qiáng)度具有一定的可靠性和安全性。

（2）隨著玄武巖纖維摻量的增加，試樣的最大主應(yīng)力差呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，同時(shí)試樣的黏聚力也呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，這說(shuō)明纖維摻量存在一個(gè)最優(yōu)值。另外，不同纖維長(zhǎng)度存在不一樣的最佳摻量。本試驗(yàn)得到的最佳摻量為0.3 %～0.4 %。

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（作者單位：廈門捷航工程檢測(cè)技術(shù)有限公司）