玄武巖纖維對非飽和粘性土變形及強度特性的影響

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象，進行不固結不排水（UU）三軸剪切試驗，對玄武巖纖維對非飽和粘性土變形及強度特性的影響進行了探討。本次試驗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。試驗結果顯示，相同含水率條件下，隨著纖維摻量的不斷提高，試樣的最大主應力差呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢;而且，隨著纖維長度的增加，試樣的最大主應力差也逐漸提高。因此試驗結果表明，玄武巖纖維的摻入，對非飽和粘性土的強度及變形特性有比較明顯的促進作用。

關鍵詞：玄武巖纖維;粘性土;三軸試驗;強度特性

1? 引言

自20世紀30年代Casagrande發(fā)明三軸試驗儀以來，三軸試驗已經成為測定土體應力應變及強度特性的重要手段[1-2]，是作為計算邊坡穩(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，形成土工復合材料，對土體進行加固，改善土體的工程性質，也得到了相應的研究成果[3-6]。玄武巖纖維是近年來出現(xiàn)的一種新型無機礦物增強材料，它具有抗拉強度高、彈性模量高、耐高溫和耐腐蝕性好等優(yōu)點，而且相對于其他纖維，玄武巖纖維還具有價格低的優(yōu)勢。所以綜合玄武巖纖維具有優(yōu)良的力學性能、化學穩(wěn)定性以及低廉的生產成本，玄武巖纖維已被廣泛的應用于建筑、化工等領域[7-8]。徐洪鐘等人也將玄武巖纖維作為加筋材料應用于膨脹土中，研究結果顯示發(fā)現(xiàn)摻入玄武巖纖維增強材料，可以改善膨脹土的強度和韌性[9-11]。

本試驗通過變化改變玄武巖纖維的摻量以及纖維長度來研究玄武巖纖維對非飽和粘性土變形及強度特性的影響，旨在尋求一種改善粘性土力學性能的新途徑。

2? 試驗材料與試驗方法

2.1? 玄武巖纖維

玄武巖纖維主要的化學組分有二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣以及氧化鎂。其中，二氧化硅及氧化鋁的網絡結構使纖維具有較高的機械強度;而氧化鈣有助于提高纖維的硬度以及耐水腐蝕性，間接提高纖維的機械強度;另外，少量的氧化鎂對玄武巖纖維的耐久性也有促進作用。本次試驗使用的玄武巖纖維購買自浙江金石玄武巖纖維有限公司，其化學組分及其含量見表1，性能指標見表2，外觀形貌如圖1所示。

2.2? 粘性土

本試驗使用的粘性土取自福建龍巖地區(qū)，其物理性質見表3。

2.3? 試樣的制備

依據(jù)《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999）[12]進行試樣的制備。本次試驗試樣的直徑均為Φ39.1mm，試樣高度為100.0mm。現(xiàn)場切取4個原狀土試樣，一個進行天然含水率的測試，另外3個進行原狀土三軸試驗。

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

2.4? 試驗步驟

本試驗采用應變控制式靜力三軸儀進行不固結不排水三軸壓縮試驗，圍壓分別為100kPa、200kPa和300kPa，剪切應變速率為0.5mm/min。針對試樣不同破壞形式，取不同的破壞標準：當主應力差（σ1-σ3）存在峰值時（及試樣為應變軟化破壞），取峰值作為破壞點;當不存在峰值時，取軸向應變15%時的主應力差作為破壞點。

3? 試驗結果及分析

3.1? 原狀土與重塑土試驗結果對比

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

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

3.2? 玄武巖纖維摻量及長度對試樣變形及強度特性的影響

不同圍壓、不同纖維摻量（0.10 %、0.20 %、0.30 %、0.40 %、0.50 %）及不同纖維長度（5mm、10mm、15mm）條件下，試樣的應力-應變關系如圖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程中保持一定的持荷時間，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，主應力差均呈現(xiàn)出先增長后降低的趨勢，且每一纖維長度均有一個最優(yōu)纖維摻量，其分別為0.4 %（5 mm）、0.3 %（10 mm）及0.3 %（15 mm）。因此可以得到當纖維長度為5 mm～15 mm時，纖維的最佳摻量為0.3 %～0.4 %，使得土體強度達到最優(yōu)。

圖4為纖維長度為5 mm、10 mm及15 mm時，最佳摻量下的應力-應變關系曲線，從圖中可以看出當纖維長度為10 mm，摻量為0.3 %時，主應力差值最大也表明當此條件下，對試樣的強度影響最大。

通過計算得到不同試驗組試樣的黏聚力和內摩擦角，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)先增長后降低的趨勢，而且當纖維長度為100 mm，摻量為0.3 %時，其黏聚力達到最大最大，為100.98 kPa。

分析纖維摻量及長度對試樣變形及強度特性的影響主要有以下兩個原因：一是，纖維的摻入能夠對土體起到加筋的作用，在壓縮剪切的過程中對土體施加了一定的束縛，因此提高了試樣的強度，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，會導致強度的降低;二是，隨著纖維長度的增長，纖維的最優(yōu)摻量逐漸減小，這是因為長纖維對試樣的束縛效果更容易的體現(xiàn)，然而長度超過一定長度之后，在成型試樣的過程中不能完全攪拌均勻，這也更容易造成纖維的結團，使得由纖維造成的試樣原始缺陷更加明顯。

3? 結論

通過綜上試驗結果可以得到以下結論：

（1）不同圍壓下，原狀土試樣的最大主應力差均大于重塑土的最大主應力差，這說明用三軸試驗確定土體的強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，試樣的最大主應力差呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢，同時試樣的黏聚力也呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢，這說明纖維摻量存在一個最優(yōu)值。另外，不同纖維長度存在不一樣的最佳摻量。本試驗得到的最佳摻量為0.3 %～0.4 %。

參考文獻：

[1] Bishop A WHenkel D F.The measurement of soil properties in the tri axial test[M]. London， Edward Amold Ltd， 1969.

[2] 朱思哲，劉虔，包承綱等.三軸試驗原理與應用技術.北京，中國電力出版社，2003.

[3] Prabakar J ， Sridhar R S . Effect of random inclusion of sisal fiber on strength behavior of soil [ J] . Construction and Building Materials， 2002， 16（ 2）： 123-131.

[4] 張旭東， 戰(zhàn)永亮， 張艷美. 纖維土強度特性的試驗研究[ J] . 路基工程 ， 2001（ 1） ： 36-38.

[5] 張孟喜， 閔興 . 單層立體加筋土性狀的三軸試驗研究[ J]. 巖土工程學報， 2006 ， 28（ 8） ： 931-936.

[6] 胡斌， 王新剛， 連寶琴.？？纖維類材料改善膨脹土工程性能的適用性探討[J]. 巖土工程學報. 2010.

[7] 崔毅華.玄武巖連續(xù)纖維的基本特性[J].紡織學報，2005， 26（5） ： 120-121.

[8] 楊帆等. 玄武巖纖維增強水泥基材料的物理力學性能試驗研究[J]. 混凝土， 2010， （4）： 51-53.

[9] 徐洪鐘等. 玄武巖纖維加筋膨脹土三軸試驗研究[J]. 防災減災工程學報， 2015， 35（4）： 503-507.

[10] 徐洪鐘等. 玄武巖纖維土工格柵加筋膨脹土三軸試驗[J]. 南京工業(yè)大學學報（自然科學版）， 2013， 35（5）： 105-109.

[11] 徐洪鐘等. 短切玄武巖纖維加筋膨脹土的試驗研究[J]. 建筑科學， 2012， 28（9）： 44-47.

[12] 中華人民共和國水利部. GB/T50123-1999 土工試驗方法標準[S]. 北京： 中國計劃出版社， 1999： 107-109.

（作者單位：廈門捷航工程檢測技術有限公司）