黃土摻入聚丙烯纖維后的無側限抗壓強度和變形試驗研究

朱 敏, 倪萬魁, 李向寧, 王海曼, 趙 樂

(長安大學地質工程與測繪學院,西安 710061)

西咸新區空港新城廣泛分布大厚度Ⅲ、Ⅳ級自重濕陷性黃土,黃土遇水結構破壞強度喪失常導致市政管廊、道路不均勻沉降、開裂,造成工程財產損失并成為安全隱患,危害行人。因此考慮含水率變化情況下的地基下部黃土的強度改良是很有必要的。纖維加筋黃土即將黃土與纖維拌和而成,操作簡單,工程應用早,可以顯著提高黃土的強度[1],但應用于市政工程還需考慮其變形特征。1979年云南田壩礦區建成第一座加筋土擋墻儲煤倉[2],后廣泛應用于道路、水壩等領域。工程上常用加筋纖維可分為稻草、棕櫚絲等天然纖維以及聚丙烯纖維、玻璃纖維等化學纖維。其中天然纖維的工程應用需要進行防腐處理,且加筋效果相對化學纖維較弱,化學纖維相對化學性能穩定,所以應用較廣[3]。Kumar等[4]研究表明聚酯纖維顯著提高了素土的無側限抗壓強度。李廣信等[5]研究聚丙烯纖維加筋土表明其可以提高素土的黏聚力4倍左右。阮波等[6]研究聚丙烯加筋土的剪切強度,認為含水率會增大內摩擦角而對黏聚力影響較小。璩繼立等[7]研究聚乙烯醇纖維加入上海黏土力學性能表明,抗剪強度和抗壓強度的最佳加筋率分別為1.0%和0.8%。吳繼玲等[8]研究聚丙烯纖維加筋膨脹土表明0.3%的聚丙烯摻量的加筋土無側限抗壓強度最高。劉羽健等[9]研究聚丙烯纖維加筋復合固化黃土強度表明聚丙烯纖維長度取12 mm,摻量為0.45%時無側限抗壓強度較高。

然而目前對聚丙烯纖維加筋黃土的強度研究主要是用控制變量法進行單因素的研究,如控制纖維長度研究纖維摻量對強度的影響,考慮含水率變化的研究較少。而對聚丙烯纖維加筋濕陷性黃土而言,黃土具有濕陷性,遇水結構易發生破壞,工程應用中不得不考慮含水率的變化。故基于含水率、聚丙烯纖維長度、聚丙烯摻量的三因素三水平正交試驗對聚丙烯纖維加筋濕陷性黃土的無側限抗壓強度和變形模量進行研究。通過極差和方差分析同時考慮多因素變化的影響,更切合工程應用實際情況,可以和基于單因素變化的研究結果進行對比驗證,為西咸新區空港新城市政工程建設提供理論依據。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗用土為西安西咸新區空港新城機場附近黃土,基本的物理性質指標如表1所示。聚丙烯纖維為高強度束狀單絲有機纖維,基本指標如表2所示。

表2 纖維基本參數Table 2 Basic parameters of fiber

1.2 配合比設置

正交試驗設計可以同時考慮多種因素對結果的影響,通過結果評估各個因素的影響水平,是考慮多因素水平試驗的一種高效的方法。由于空港地區黃土遇水結構易發生破壞,因此含水率是需要考慮的重要因素,試驗所設置的含水率水平為現場取樣實測的含水率范圍內具有代表性的含水率,為加筋黃土工程應用后含水率可能的變化區間,其中11%含水率為現場取樣天然含水率,19.5%為取樣黃土最優含水率,25%為現場取樣測得的最大的含水率,位于管涵附近。聚丙烯纖維的水平設置參照天然纖維,化學纖維在軟土、紅土等特殊土的研究和應用結果加以選取[10-16],其長度和摻量水平的具體數值均為可以反映其影響規律的代表性數值。其中各因素編號及水平為:含水率變化w(11%、19.5%、25%)、聚丙烯纖維長度l(6、12、18 mm)、聚丙烯纖維摻量b(0.1%、0.3%、0.5%),摻量為質量比,即纖維和干土質量比值，如表3所示。

表3 正交試驗方案因素和水平Table 3 Orthogonal test factors used and their levels

1.3 試驗試樣與儀器

將現場取的土塊碾碎風干,過篩,按照正交試樣表將所加的纖維混入風干土中,攪拌均勻,加水拌和至設定含水率,拌和時需要保障纖維在土中均勻分布,拌和完成后養護24 h,使水分均勻。無側限壓縮試驗根據《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)[17]進行,樣品直徑39.1 mm,高80 mm,控制試樣的壓實度為94%,每組樣品至少進行3次平行試驗,確保結果的重復性。儀器選用南京土壤儀器廠的YSH-2 型石灰土無側限壓力儀,如圖1所示,變形控制在0.8 mm/min。

圖1 無側限抗壓強度試驗試樣與儀器Fig.1 Unconfined compression strength test specimens and instrument

2 試驗結果與分析

對L9(34)正交試驗表中的試樣進行無側限抗壓試驗可以獲得各組試樣的無側限抗壓強度qu和變形模量E50,如表4所示。為研究含水率、聚丙烯纖維長度、聚丙烯纖維摻量對無側限抗壓強度和變形模量影響情況和顯著程度,對試驗數據進行極差分析和方差分析。同時為進一步研究聚丙烯纖維對壓實黃土在不同含水率水平下的無側限抗壓強度和變形模量的影響,設置了3個空白對照組,即對11%、19.5%、25% 3組不同含水率的壓實黃土進行無側限抗壓試驗進而獲得其無側限抗壓強度和變形模量,如表5所示。

表4 加筋土正交試驗方案與結果Table 4 Orthogonal test scheme and results

表5 未摻纖維黃土強度和變形結果Table 5 Test results of loess without fiber

2.1 試樣破壞裂隙分析

唐朝生等[18]對加筋淤泥質黏土研究表明，聚丙烯纖維愈長且纖維摻量愈多,破壞裂隙越小越細且分布越均勻。由圖2可知，在相同含水率和應變下,加筋黃土中存在同樣的現象,且主要破壞裂隙與頂面的夾角隨著無側限抗壓強度越大而越小。11%含水率的試樣,即1號、2號、3號試樣破壞裂隙與頂面夾角為82°、67°、50°，19%含水率的試樣,即4號、5號、6號試樣破壞裂隙與頂面夾角為73°、62°、69°且4、6號樣無側限抗壓強度僅相差10 kPa，25%含水率試樣具有彈延蠕變性,無明顯大延展破裂裂隙,即無上述現象。

圖2 土樣破壞照片Fig.2 Photo of soil sample damage

2.2 無側限抗壓強度結果分析

聚丙烯纖維的摻入對黃土的無側限抗壓強度有很大改良。9組試樣中試樣5即19.5%含水率黃土摻加0.5%質量比的12 mm聚丙烯纖維時，無側限抗壓強度最大,為3 336.918 kPa；而試樣7無側限抗壓強度82.796 kPa是最小值,整體極差為254.121 kPa,大于平均值174.958 kPa。說明各因素水平的變化對無側限抗壓強度數值的影響較大,通過極差分析(表6)可得:①含水率對無側限抗壓強度影響最大,極差達到153.956 kPa；聚丙烯摻量次之,極差達到64.083 kPa；聚丙烯纖維長度影響最小,極差為59.31 kPa,但數值和聚丙烯摻量的極差處于同一水平,二者對側限抗壓強度數據影響相當。②含水率從11%到19.5%,無側限抗壓強度提升了47.3%,而從11%到25%卻減少了43.3%,說明對于纖維加筋土存在一個最優的含水率使得無側限抗壓強度達到最大；聚丙烯纖維長度從6 mm增加到12 mm,無側限抗壓強度增加了42.61%,而從6 mm到18 mm,無側限抗壓強度提升了28.02%,表明存在一個最優的聚丙烯纖維加筋長度；聚丙烯纖維摻量從0.1%到0.3%強度提升了11%,從0.1%到0.5%強度提升了44.23%,即隨著聚丙烯纖維摻量增加,無側限抗壓強度是一直增加的。

表6 極差分析Table 6 Range analysis table

極差分析可得影響無側限抗壓強度的因素從大到小排列為:含水率w>聚丙烯纖維摻量l>聚丙烯纖維摻量b。進一步根據表7的方差分析結果可知,當顯著水平α=0.1時,查表可知Fα(2,2)=9,此時含水率F值為13.40>9,即含水率w顯著水平小于0.1,同理聚丙烯纖維長度和聚丙烯纖維摻量的顯著水平大于0.1。故相比較聚丙烯纖維的長度和摻量因素,含水率為極顯著因子。

表7 方差分析Table 7 Analysis of variance

2.3 變形模量結果分析

纖維加筋土的變形模量是體現其結構變形特征的重要指標,因剪脹性等原因其為隨著應力水平變化的變量[19]。劉建龍等[20]、侯天順等[21]研究發現對于纖維改良土,可以采用平均變形模量E50(0～1/2峰值)進行估算。故選取E50作為試樣變形模量分析指標。

通過表6可得:①含水率對變形模量的影響最大,極差達到25.174 MPa；聚丙烯纖維長度和摻量變形模量對變形模量的影響較小,極差分別為9.51 MPa和7.92 MPa。②變形模量隨著含水率增大急劇變小,19.5%含水率和25%含水率相比11%含水率分別減小60.28%和94.51%；聚丙烯纖維長度水平從6 mm 增加到18 mm,變形模量先增加再減小,存在一個最優值；聚丙烯纖維摻量從0.1%增加到0.5%,變形模量也是先增加再減小,存在一個最優值。

極差分析可知含水率對變形模量的影響大于聚丙烯纖維長度和摻量,通過方差分析(表7)進一步可知含水率w、聚丙烯纖維長度l、聚丙烯纖維摻量b的F值均大于顯著水平α=0.1,難以確定一個絕對的顯著因素。

2.4 力學性能機理分析

2.4.1 含水率

在94%壓實度時,壓實黃土和聚丙烯加筋黃土的無側限抗壓強度的隨著含水率變化情況不同,如圖3所示。高建偉等[22]研究表明,壓實黃土當含水率增加到一定值后,無側限抗壓強度不再隨含水率增加而明顯降低，而是維持在一定水平,圖3所示的11%、19.5%、25% 的重塑黃土強度數據符合該規律。而對于聚丙烯纖維加筋土存在一個最優的含水率,11%含水率時纖維加筋土平均無側限抗壓強度相比11%壓實黃土提高了32.38%,25%含水率時提升了20.69%,而19.5% 含水率時提升了2.1倍。對于壓實黃土,隨著含水率增加,顆粒間空隙充水起到潤滑作用,宏觀上無側限抗壓強度會變小[23],而由于結合水膜的影響,在含水率提高到一定值后,顆粒間的相對位移會在一定范圍增加而結構并未完全破壞,從而能承擔更大的應力,進而表現為含水率提高到19.5% 后再提高至25%,無側限抗壓強度并未顯著減小。而聚丙烯纖維對土體強度改良主要通過纖維與土顆粒之間的界面力去約束土體的相對移動,因此相同壓實度的情況下,含水率越接近最優含水率,聚丙烯纖維與土顆粒結合越緊密,使得纖維抗拔拉能力增強,進而表現為宏觀上的無側抗壓強度變大。柴壽喜等[24]對于稻草纖維加筋土也得出類似結論。

圖3 qu隨含水率變化Fig.3 The qu changes with water content

圖4 E50隨含水率變化Fig.4 The E50 changes with water content

由圖4可得,隨著含水率的增加,壓實黃土和聚丙烯加筋黃土的變形模量變化趨勢相同,均隨著含水率增加而減小,當含水率為11%和25%時,壓實黃土相比聚丙烯加筋土變形模量分別減小7.13%和3.53%,當含水率為19.5%時則提升了1.42倍,仍小于11%含水率時的變形模量,可見真正影響變形模量的是含水率變化帶來的土體原生結構強度變化,這與侯天順等[25]對水泥改良土的變形模量的研究結論相同。

2.4.2 聚丙烯纖維長度

由圖5可知，纖維加筋土的無側限抗壓強度和變形模量隨著聚丙烯纖維長度的增加整體變化趨勢相同, 12 mm時無側限抗壓強度均值最大,均存在一個最優的長度，且當纖維為18 mm時,無側限抗壓強度均值略高于平均值,E50的均值則小于平均值。而聚丙烯纖維為6 mm的無側限抗壓強度和E50均值均小于平均值,表明聚丙烯纖維長度水平的變化對E50的優選效應高于無側限抗壓強度,這是因為聚丙烯纖維長度愈長,和土體結合越接近一個整體,加筋土會更多地表現出纖維的低彈性模量性質。

圖5 E50和qu隨纖維長度主效應圖Fig.5 Fiber length response graphs of main effects for E50 and qu

2.4.3 聚丙烯纖維摻量

張小平等[26]研究表明，對于某一特定的聚丙烯纖維土, 它的抗壓強度不僅取決于纖維的摻量, 而且取決于土的含水量。在濕陷性黃土中,由圖6(b)可知，隨著摻量增大無側限抗壓強度幾乎線性增加,可知在同時考慮含水率和纖維長度時,對無側限抗壓強度沒有明顯的最優摻量值。這是因為纖維摻量增加會使得纖維的比表面積增大,纖維與土顆粒的摩擦增強進而增加強度,而由于同時考慮了含水率和纖維長度因素,摻量進一步地增加導致的孔隙度增加并沒有破壞試樣的整體性,導致無側限強度依舊增加。由圖6(a)可知，E50隨著聚丙烯纖維摻量增大則存在一個最優摻量值,因為E50表現的是強度之前的試樣應力應變情況,和無側限抗壓強度不存在一致性,沒有正混雜效應。

圖6 E50和qu隨纖維摻量主效應圖Fig.6 Fiber content response graphs of main effects for E50 and qu

2.5 微觀機理分析

由圖7可知,纖維表面光滑,整體結構為中空形。對比圖8的圖8(a)和圖8(b),圖8(a)為19.5%含水率素土樣,圖8(b)為19.5%含水率加筋纖維試驗組中無側限抗壓強度最大的試樣,即5號試樣?？梢钥闯?，素土和纖維土的微觀結構無明顯變化,黏土礦物片狀堆積成層,面孔隙率分別為40.3%和43.5%,這也是相比較素土,加筋土E50并沒有明顯改變的原因。

圖7 聚丙烯纖維細觀照片Fig.7 Micrograph of polypropylene fiber

圖8 素土和加筋土500倍電鏡照片Fig.8 500 times electron micrograph of loess and reinforced loess

聚丙烯纖維表面較為光滑,并未附著太多黏土礦物顆粒,大量隨機分布的聚丙烯纖維在土體中以錨固的方式存在。同時由圖7可以看出，由于纖維本身中空,纖維部分徑向受壓會凹陷,使得纖維和土顆粒咬合更緊密,筋土界面摩擦加大,纖維錨固區域的土顆粒在軸向受壓時位移和變形受到約束,纖維越多,在宏觀上表現的無側限抗壓強度越大。

3 結論

(1)考慮含水率變化時,聚丙烯纖維加筋黃土的無側限抗壓強度存在一個最優加筋長度,即12 mm左右,但在0.1%、0.3%、0.5%聚丙烯纖維摻量水平下其無側限抗壓強度隨著摻量增加而增大,0.5%摻量最優。變形模量則存在一個最優加筋長度的同時存在一個最優加筋摻量,即12 mm長和0.3%的摻量。

(2)聚丙烯纖維加筋黃土的無側限抗壓強度隨含水率的增加效果不一,在最優含水率附近的增強效果最佳,強度提升了2.1倍。原因是最優含水率時,土顆粒和纖維接觸更加緊密,抗拔拉能力增強?？傮w上低含水率增強效果優于高含水率。

(3)聚丙烯纖維加筋黃土的變形模量隨含水率的變化與不加纖維時變化趨勢相同,均隨著含水率增加,變形模量減小。