改性玄武巖殘積土的固結試驗研究

張璧瑋，陳 斌，王子騰

（武漢科技大學城市建設學院，武漢 430065）

近年來，隨著我國公路交通事業和住房建設事業的高速發展，玄武巖殘積土成為云貴地區工程建設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，同時遇水易崩解、軟化，屬區域性特殊土[1]。以上不良特性對工程建設十分不利，容易導致不均勻沉降而產生開裂、傾覆等問題，特別是在降水豐富的云貴地區，玄武巖殘積土的這種特性往往會造成滑坡、崩塌等地質災害，成為工程建設中的嚴重威脅。

本文以位于地表風化程度相對嚴重的紅棕色玄武巖殘積土為研究對象，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，人們往往需要對其進行一定的改良處理，使工程在較長的一段時間內保持較高的安全性和耐久性。國內現有研究工作側重于纖維加筋土的抗壓強度、抗剪強度等研究，關于其固結、壓縮特性等研究較少。本文通過選定具有強度高、穩定性好等特性的玄武巖纖維作為加筋材料，利用標準固結試驗來研究摻入玄武巖纖維對玄武巖殘積土壓縮性能的改性效果，為解決該地區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定性，還需要較小的變形，以確保行車的平穩性、安全性和舒適性。針對這一設計要求，本研究可以為其提供新的思路和理論依據。

1 土樣制備和研究方案

1.1 土樣的基本物理性質

試驗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，遇水易發生崩解，并且滲透系數比較大。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

1.2 玄武巖纖維的物理力學性質

本試驗采用的玄武巖纖維為短切玄武巖纖維，直徑為17 μm，長度有6 mm和12 mm兩種，具有細小但比表面積大的特點，形狀如圖1所示，具體力學參數如表2所示。

圖1 摻入纖維形狀

1.3 試驗方案

按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999） 規定的試驗步驟進行[3]。試驗設備采用WG-1B型三聯中壓固結儀，試驗土樣分為兩組：一組控制纖維的長度一定，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度。試驗采用的纖維的長度有6 mm、12 mm兩種規格，摻量控制為0.1%、0.2%、0.3%和0.6%四種摻量，并設置空白組作為對照。

1.4 試樣制備

將土樣風干并碾磨過2 mm篩，按照最優含水率計算出所需水的質量，然后稱量水、風干土和纖維的質量。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。將各組風干試樣分成三等份，每一份按照設計的摻量和長度添加玄武巖纖維，遇到纖維結團時手工將其撕開，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參數

攪拌均勻后，加水到最優含水率25.6%，然后置于保濕缸內養護備用。試驗前將稱好的養護后的混合土樣倒入裝有帶有環刀的擊樣器中，用靜力壓樣的方法將試樣分成三層夯實，每層土樣擊實至要求的高度后，再填第二層土料繼續填平擊實，如此進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 試驗步驟

首先在固結容器內放入護環、透水石和一片薄型濾紙，然后將帶有試樣的環刀裝入護環內，放上導環，在試樣上部依次再放上一片薄型濾紙、透水石和加壓上蓋，并將固結容器置于加壓上蓋的正中央，對準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，然后卸載。預壓后開始試驗，設定加壓等級為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa，以施加每級壓力后24 h測定試樣高度變化作為穩定標準，記錄施加壓力后不同時間的土樣在豎直方向上的壓縮變形量。

具體數據記錄方式如下：每一級加載前先讀取一個百分表的讀數初始值，加載按照慢速法固結穩定標準時間24 h為每一級固結所需時間，即每一級加載后24 h認為穩定，并讀取該穩定值。然后，繪制固結試驗得到的壓縮曲線（e-p曲線），再計算土樣的壓縮模量和壓縮系數。

2 試驗結果分析

2.1 固結試驗結果

根據試驗數據繪制壓縮曲線（e-p曲線），圖2和圖3分別為土樣在采用6 mm和12 mm纖維長度時不同纖維摻量下的e-p關系曲線。

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度和摻量對土樣壓縮性的影響，列出了p1=200 kPa，p2=200 kPa時對應的壓縮模量Es1-2和壓縮系數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關系曲線

圖3 12 mm纖維不同摻量下的e-p關系曲線

表3 100～200 kPa壓力段的壓縮模量和壓縮系數

2.2 試驗結果分析

壓縮模量是判斷土的壓縮性高低和計算地基土沉降量的重要指標之一，試驗結果表明，纖維長度和纖維摻量都會對土體壓縮模量產生一定的影響。比較在各級固結壓力下的數據可以發現，6 mm和12 mm纖維均可以改善玄武巖殘積土的孔隙結構，而合理的纖維長度和纖維摻量將有助于減小土體的壓縮性。

在纖維摻量對土壤改性效果方面，試驗結果表明，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，并且在摻量為0.3%時達到峰值，說明纖維的加入在一定范圍內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，過多纖維所導致的弱化作用就會顯現出來。因此，纖維摻量并不是越多越好，其間存在最優摻量。

摻量小于0.3%時，壓縮模量趨于增大。一方面是因為纖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理，即土中無序分布的纖維存在無數交織點，如果纖維交叉處受到力的作用而有位移趨勢，其他纖維將阻止這種位移，從而形成空間的受力區，即整個纖維網對土體形成一種空間約束作用，不僅提高了土的強度，還可以減小土體的豎向和側向變形[4-5]。

在摻量超過0.3%之后，雖然纖維隨機分布到玄武巖殘積土中，可以在其內部形成一個空間網狀支撐體系，能提高土體強度，但纖維摻量和長度超過最優值后，纖維分布越多，纖維之間就容易發生抱團和疊加現象，導致過量的纖維在土體中堆積重疊，纖維在土體的空間網狀的“錨桿”加固作用就會削弱[6]。土體無法擠壓密實，會形成軟弱受力區，纖維網的形狀一定程度上發生了改變，荷載作用下抵抗變形的能力反而下降。

在纖維長度對土壤改性效果方面，試驗結果表明，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，當玄武巖纖維含量確定時，纖維土柱之間的接觸概率隨纖維長度的增加而增大，使應力的傳遞和疊加更加容易，纖維網的形成更加有效。但是，當玄武巖纖維長度過長時，纖維在拉伸、彎曲、扭轉等方面的強度較低，土中形成的纖維土柱在拉伸、彎曲和扭轉方面的強度也較低。彎曲和扭轉引起的應力對土的強度不利，當土壤受到擾動時，長纖維主要處于連續彎曲狀態，導致纖維土柱半徑和強度減小，因此在外荷載的作用下更加容易被壓縮變形[7]。因此在進行土體改性時，不宜過于追求纖維的長度提高，而是通過試驗去驗證最適合的長度使纖維網的形成最行之有效。

3 結論

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性能，尤其是可以顯著提高其壓縮性能，對實際工程建設提供良好的思路。纖維摻量對于土體壓縮性的改善具有較大影響。在纖維長度固定的情況下，隨著纖維摻量的提高，玄武巖殘積土的壓縮模量呈現先增大后降低的趨勢，且壓縮模量的峰值在摻量為0.3%時出現，即摻量為0.3%土體壓縮性最低，因此0.3%為最優摻量。

纖維長度對同樣會對土體壓縮性的改善產生影響。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，在纖維摻量相同的情況下，12 mm長度組的壓縮模量小于6 mm組。在合理長度下，壓縮模量會因為纖維的摻入而增大，但纖維長度過長時反之會有所減小。