膨脹合成纖維土工程特性研究

潘洋，邱模清，張虹

（1.安徽省交通航務工程有限公司，安徽 合肥 230001；2.中化學南方建設投資有限公司，廣東 廣州 341000）

1 引言

膨脹土[1]是在自然地質發(fā)展過程形成的具有明顯脹縮性和多裂隙的黏性地質土體，亦稱脹縮土，有的地方稱為裂隙粘土。膨脹土由于其失水收縮、遇水膨脹的特性在工程建設中一直以來都是屢見不鮮的病害原因之一[2]。有學者發(fā)現(xiàn)，石灰、水泥等穩(wěn)定劑在土性改良上發(fā)揮很大作用[3-4]，也可以通過添加纖維作為一種加筋材料，以提高填筑土的工程性質[5-6]。

本文主要將不同特性的纖維（聚酯纖維（JZXW）、聚乙烯醇纖維(JYXC)、聚丙烯纖維(JBX)等）添加到膨脹土土質中。通過室內試驗分析研究，摻加水泥、石灰、粉煤灰等無機料形成無機穩(wěn)定土，研究纖維種類、纖維摻量、纖維長度等參數(shù)對無機穩(wěn)定土的無側限抗壓強度及應力-應變特性等變化情況研究。

2 不同纖維膨脹土穩(wěn)定土的應力-應變試驗研究

本文進行室內試驗的膨脹土取自合肥某一市政工程，并按研究試驗設計方案進行配土制樣，進行摻加不同纖維穩(wěn)定土的三軸剪切試驗，試樣尺寸（直徑×高度）為D×H=39.1mm×80mm。試樣為水泥摻量6%，聚乙烯醇（JYXC）纖維（摻量0.3%，長度9mm），標準養(yǎng)護1天。其他纖維的試驗規(guī)律相同。為減小試驗的誤差，每組試樣做3個平行試驗取平均值。試驗制樣時，把干密度作為控制標準，通過擊實的方式制備試樣，并確保試樣的體積相同。

從圖1中可以看出，樣品的形態(tài)會受到剪切的影響。在施加不同的力作用下，試樣發(fā)生的形變具有力的方向縮減、垂直力的方向變大的特點。在試樣的中間地方會出現(xiàn)明顯的膨脹變形，并且，試樣的剪切面不是一個簡簡單單的一維平面，而是一個緩慢變化的立體結構。造成這種現(xiàn)象的原因是，當施加的力較小的時候，在力的方向上的形變很小，樣品表現(xiàn)出脆性破壞的特征；微觀上來說的話，在力的作用下，顆粒會趨向于定向排列，顆粒之間的受到的作用力情況不是很復雜。但施加的外力變大的時候，在力的方向上的形變也隨之變大，樣品表現(xiàn)出塑性破壞的特征，這時候樣品被壓實，只能通過向垂直于力的方向擴張來抵消這個作用，造成顆粒也會沿著這個方向發(fā)生移動，從而，這時候的作用力也會變得復雜。

圖1 試樣剪切前后變化

試驗數(shù)據見表1所示，試樣剪切前后的外形變化情況如圖1所示，不同纖維穩(wěn)定土的應力-應變曲線如圖2所示，其他纖維穩(wěn)定土的曲線規(guī)律相同。

水泥摻量6%長度9mm纖維摻量0.3%的聚乙烯醇穩(wěn)定土三軸試驗數(shù)據 表1

圖2 水泥摻量6%長度9mm纖維摻量0.3%的JYXC三軸應力應變曲線

由圖2可以看出，當軸向位移的數(shù)值變大的時候，應力-應變曲線會出現(xiàn)一些細小的波動，而不是想象中的非常的平滑。造成這種現(xiàn)象的原因是當樣品的受力達到一定值以后，內部微觀的顆粒排列方式會發(fā)生變化，這樣會造成其受力的不均勻分布，從而造成上述這種波動現(xiàn)象的產生。

無機穩(wěn)定土的三軸剪切試驗的應力-應變關系曲線差不多是一樣的。不同情況下的應力-應變曲線都表現(xiàn)出三個階段的變化：①線彈性變形階段，該階段的主應力差隨著軸向應變的增大而近似呈線性增大，而且經歷的時間較短；②初始屈服階段，該階段曲線的切線斜率迅速下降；③平緩收斂階級，當樣品的形變繼續(xù)增大的時候，顆粒之間的作用也會隨之變大，從而相互之間會產生各種作用力，在應力-應變曲線中表現(xiàn)出應變軟化收斂。這個階段的存在時間會比較長，直到最后樣品發(fā)生完全的失效。

在不同的壓力作用下，試樣的應力-應變曲線都具有非線性的特點，類似于雙曲線函數(shù)[7]。隨著圍壓的增加，應力-應變曲線由應變軟化型向應變硬化型轉化，圍壓較大時，應力-應變曲線變得更陡峭，也就表明它的斜率會很大，同時它的最大值也會很大，這樣會造成土砂顆粒在剪切破壞的時候遇到較大的阻力，也就會表現(xiàn)出明顯的應變硬化；相反，當所加的外力較小的時候，這時候土砂顆粒受到的阻力也會較小，能夠在較小的力作用下就能達到最大應力值，表現(xiàn)出明顯的應變硬化，這跟邱模清等的研究規(guī)律是一致的[8]。

從圖3可以看出：不同纖維摻雜的膨脹土均表現(xiàn)出三階段變化，即線彈性變形階段、初始屈服階段和平緩收斂階段；對于不同的纖維而言，當摻雜量提升的時候，其最大應力都會逐漸變大，且高摻雜比例下的變化幅度要更大。對于應變而言，隨著摻雜量的變大，表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢；在相同的摻雜量下，不同纖維所能承受的最大應力排序為聚乙烯醇纖維＞聚酯纖維＞聚丙烯纖維，這說明，相比較于其他兩種纖維而言，聚乙烯醇纖維具有更優(yōu)異的力學性能。

圖3 不同纖維穩(wěn)定土的應力-應變曲線

3 不同纖維膨脹土穩(wěn)定土的無側限抗壓強度特性分析

由于纖維穩(wěn)定土的強度隨著時間增長而增大，它的破壞形式也會發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為脆性破壞和彈塑破壞，并且隨著所產生應變的變大，它的應力變化會出現(xiàn)最大值，一般來講，他們的無側限抗壓強度試驗過程主要分為初始壓密階段、線彈性變形階段、塑性屈服階段和軟化收斂階段等四個變形階段。

①初始壓密階段：在樣品制備的過程中，各種東西的相互混合會產生一定的化學反應產生一定的熱量，這就會造成制備的樣品內部會存在一定的縫隙。當受到外力作用的時候，這些空隙被壓實，從而造成其密度變大、彈性模量增大，使得在應力-應變關系曲線中表現(xiàn)出微乎其微的下降趨勢，但這個階段持續(xù)的時間不會很長。

②線彈性變形階段：在上述階段以后，應力-應變曲線表現(xiàn)出線性變化，也就是應力隨著應變的增大而增大，并且增長率相對較大，樣品進入彈性變形階段，并且，這個階段的持續(xù)時間較長。從微觀上來看的話，在這種情況下，樣品表面會出現(xiàn)一些微小的裂縫。

③塑性屈服階段：在線型變化階段以后，應力-應變曲線表現(xiàn)出非線性的變化，也就是應力與應變的關系不是線性的，應力的增長率變緩，樣品進入塑性變形階段，并且，在這個階段會出現(xiàn)應力的最大值。從微觀上來看的話，由于應變的不斷變大，樣品表面的裂縫會逐漸變寬，并且不斷地深入，軸向出現(xiàn)明顯的減縮，橫向向外膨脹，表面的一些土砂顆粒會發(fā)生掉落。

④軟化收斂階段：當應變繼續(xù)增大的時候，應力不增反降，最終達到一個穩(wěn)定值，這時候曲線的斜率是負的，斜率也表現(xiàn)出先減小后不變的趨勢。密實度和彈性模量均減小，它的應力-應變關系曲線表現(xiàn)出收斂的狀況。這個階段樣品存在明顯的應力集中，裂縫在整個樣品中都會存在，試樣顆粒開始掉落，這是最后一個階段，直到實驗的結束。

在本實驗中，無側限抗壓強度試驗的儀器采用山東威海市試驗機械制造有限公司生產的微機控制式電子萬能試驗機，試樣為尺寸70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方體試塊。該試驗主要是為了研究在不同纖維種類在不同水泥摻量配比下穩(wěn)定土的無側限抗壓強度特性規(guī)律。試樣的纖維摻量為0.3%，長度為9mm，水泥摻量分別為3%、4.5%、6%，標準養(yǎng)護28天。

從圖4可以看出，在同一纖維穩(wěn)定土下，膨脹土摻量越大，曲線出現(xiàn)峰值應力的狀態(tài)更加明顯，強度增強，變形模量增大，其無側限抗壓的峰值強度越大，且強度增長速率越明顯。同一水泥摻量下，加固效果的優(yōu)劣為：聚乙烯醇纖維（JYXC）＞聚酯纖維（JZXW）＞聚丙烯纖維（JBX）。所以，在接下的實驗中我們選取不同規(guī)則的聚乙烯醇纖維進行相關的表征。

圖4 膨脹土穩(wěn)定土的無側限抗壓強度關系曲線（纖維摻量0.3%、長9mm）

由表2可知：纖維摻入土體后，土體的內摩擦角變化不是很大，幾乎都在一個范圍內波動，但隨著纖維含量的增加，粘聚力的提高比較明顯，但增加幅度不斷減小。同一纖維穩(wěn)定土且膨脹土摻量相同時，纖維長度越長，無側限抗壓強度越大，且呈收斂趨勢變化，最佳長度為9 mm左右。相同條件下?lián)饺?2 mm纖維的穩(wěn)定土，其無側限抗壓強度是摻入3mm纖維時的1.2倍左右。

不同纖維摻量、長度下的三軸試驗抗剪強度數(shù)據 表2

4 結論

將不同特性的纖維（聚酯纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維等）添加到膨脹土中。研究了纖維種類、纖維摻量、纖維長度等參數(shù)對無機穩(wěn)定土的無側限抗壓強度及應力-應變特性等變化情況，發(fā)現(xiàn)相比較于其他兩種纖維，聚乙烯醇纖維表現(xiàn)出更高的性能，當其摻雜量變化時，其性能也會相應地發(fā)生變化。在長度方面，實驗中發(fā)現(xiàn)最佳的纖維長度為9 mm，這能夠為相關生產活動提供借鑒意義。