基于最優含水率的聚丙烯纖維加固膨脹土試驗研究

汪卓，李佳，譚夢娟, 黃芙蓉，王亮，方雅蓉，郭鴻

[摘要]以陜西省漢中市城固縣柳林機場膨脹土為原材料，在最優含水率和最大干密度的條件下，將聚丙烯纖維按照0.06％、0.12％、0.18％的重量分別摻入膨脹土中制備試樣。通過三軸試驗和無側限抗壓強度試驗研究了聚丙烯纖維對膨脹土強度的影響規律。結果表明：隨著纖維的加入，膨脹土的抗剪強度有了明顯的提升，膨脹土的變形破壞得到了一定的抑制。

[關鍵詞]膨脹土； 聚丙烯纖維； 抗剪強度； 摻量； 最優含水率

[中國分類號]TU411.3? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

膨脹土是一種浸水后體積劇烈膨脹，失水后體積明顯收縮的黏性土［1］。因為土壤中含有較多的黏土礦物，如蒙脫石和伊利石等，具備很強的親水性，是一種氣候敏感性土體。在巖邊坡治理、基坑工程及路基、橋基等工程中，因為膨脹土的膨脹效應會發生道路沉降、建筑物變形開裂、邊坡坍塌等，這將會給基礎設施以及人民生命財產帶來較大損失。因而研究膨脹土的改良，已經成為工程界和學術界普遍重視的問題。在工程實踐中，主要采用石灰、粉煤灰和纖維等材料與素土混合進行改良膨脹土，使膨脹土路基、地基或邊坡達到規范規定的強度標準。國內許多學者針對聚丙烯纖維改良膨脹土的強度進行了大量的試驗研究，其結果顯示，經改良后的纖維膨脹土強度都不同程度高于素土，纖維起到補強作用。鄧友生等［2］學者通過試驗發現聚丙烯纖維對膨脹土的增強作用在纖維膨脹土處于最優含筋量0.3%時尤為明顯。莊心善等［3］學者通過試驗得出磷尾礦-玄武巖纖維改良膨脹土的最佳摻量分別為6%和0.3%。施利國等［4］將纖維作為改良材料摻入灰土中，發現其峰值應力和抗剪強度均高于普通灰土。介玉新等［5-8］學者經過研究得出了加筋土在幾種計算方法下的關系。李國維等［9］學者通過試驗，以改良弱膨脹土后強度不損失的標準，確定了砂巖合理摻量為30%。孫樹林等［10］學者通過用堿渣來改良膨脹土，表明了堿渣能改善膨脹土的各項強度指標，并且膨脹土的脹縮性能有所下降，得出了堿渣與膨脹土的合理配合比。張艷美等［11］學者對土工合成纖維補強機理進行了細致的理論說明，提出了能夠反映多種影響因素的補強纖維計算公式。吳繼玲［12］將不同長度的纖維摻入膨脹土，試驗結果顯示，纖維使得膨脹土的峰值強度有所增強，并在一定程度上抑制其破壞。以上學者的理論分析表明了外加物質改良膨脹土的工程力學特性具有很強的可行性。

漢中地區的膨脹土具有一定的典型性，其地域特征相對比較明顯。但是目前就漢中地區膨脹土改良方面的文章報道還比較少。此外，膨脹土改良施工的關鍵在于其最優含水率，探求最優含水率條件下聚丙烯纖維對膨脹土工程力學特性的影響具有重要的實際意義。基于此，本文通過三軸剪切試驗和無側限抗壓強度試驗，研究不同摻量纖維下對漢中膨脹土的影響，旨在為用聚丙烯纖維改良膨脹土后的施工提供一定的理論參考。

1試驗材料與試驗方案

1.1試驗材料

本試驗所用膨脹土取自陜西省漢中市城固縣柳林機場附近，顏色為黃褐色、紅褐色，天然含水率條件下呈堅硬塊狀形態，其基本物理指標如表1。本文采取的聚丙烯纖維是一種高強、高模量、低延伸的工業合成纖維，該纖維的抗拉強度范圍為500～650 MPa，直徑范圍為15～75 μm之間，長度為17 mm。聚丙烯纖維技術參數如表2。

1.2試樣制備

試樣制備前，先將準備好的膨脹土塊進行去核處理，再在日光條件下進行晾曬，把較大的土塊錘碎，再將較小的土塊碾碎，分別過5 mm和2 mm的篩。將已過5 mm篩的土樣進行擊實試驗，經試驗測得膨脹土的最優含水率為19%，其最大干密度為1.85 g/cm3。以該膨脹土最優含水率和最大干密度為基礎，配置每組所需膨脹土和水的質量，共9組。分別將0.06%、0.12％、0.18％的纖維手工撕開，均勻分散在土中（不同摻量的纖維試樣各3組），并充分攪拌混合均勻。再將已經準備好的水均勻撒在纖維與膨脹土的混合物中，邊攪拌邊緩慢噴水，最后達到預定含水率。將配置好的膨脹土混合物放入容器內，并對每組進行標號，用保鮮膜將其密封完好。所有制備的土樣靜止24 h后開始制樣。

將養護好的土體按每組標號，分別將其平均分為5份，依次裝入內徑為39.1 mm，高為80 mm的金屬制樣器。制作過程分5層進行由下至上的擊實，每層壓實后進行刮毛處理，確保每層土充分均勻接觸。最后將制作好的試樣用保鮮膜進行包裹處理并做好標識，準備力學試驗。

1.3試驗方案

為研究聚丙烯纖維對膨脹土各個指標的影響，分別對養護好的試樣進行無側限抗壓強度試驗和固結不排水三軸試驗。試驗所選用的儀器均為TSZ-1型應變控制式三軸儀。

（1）固結不排水三軸試驗。試驗開始前，將軸向變形和軸向力外表盤調零，并分別記錄內表盤初始數據。將儀器的應變速率調節為0.08 mm/min。準備完畢后，將養護好的試樣進行對比試驗，分別對纖維摻量相同的試樣施加100 kPa、200 kPa、300 kPa的圍壓，軸向變形外表盤每轉一圈，記錄2表數據，直至試樣高度壓縮量為原來高度的15％。

（2）無側限抗壓強度試驗。將儀器應變速率調節為0.08 mm/min，將纖維含量為0.18％的2組試樣進行無側限抗壓強度試驗。

2試驗結果分析

在諸多實際工程中，膨脹土因其縮脹特性，受力剪切變形甚至破壞，都會對工程造成較大影響。一方面，不同埋置深度的膨脹土剪切峰值強度也不盡相同，另一方面，無側限條件下的膨脹土工程諸如人工夯筑墻體在上覆荷載破壞時屬于無側限工況。本文分別就這2種工況進行了三軸剪切試驗和無側限抗壓強度試驗。

在試驗過程中，改良土試樣無側限抗壓強度試驗以及三軸剪切試驗破壞后的狀況如圖1所示。可以看出，不同纖維含量條件下膨脹土的破壞主要以壓剪破壞為主，沒有出現明顯的斜向剪切面。

圖2為不同的纖維摻量下膨脹土試樣分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa這3組圍壓下的應力-應變曲線。通過對比發現，不同纖維摻量的下的膨脹土應力-應變曲線有顯著的變化。在軸向應變初始變化階段，隨著軸向應變逐漸增大，主應力差呈增長趨勢，且增長趨勢較快，沒有明顯的峰值強度，屬于彈性變形階段，試樣基本沒有出現裂隙，其應力-應變曲線呈應變硬化形。隨著軸向應變繼續增大，主應力差的增長趨于平緩，試樣逐漸進入屈服和破壞階段。

從圖2（c）明顯看出，在纖維摻量相同的情況下，無側限條件下的2組試樣應力應變曲線基本趨于一致，與素土相比，其抗壓強度有顯著的提升。在纖維摻量不變的情況下，有圍壓下的一組試樣比無圍壓的倆組試樣抗壓強度明顯提升。其結果表明，當施加的圍壓增大時，土粒之間的壓縮愈加緊密，適當數量的纖維均勻分布在土顆粒表面，使顆粒周圍的約束更加明顯，從而使得改良膨脹土斜截面的破壞得到了抑制。

從圖3可以看出，在圍壓的變化下，主應力差和軸向應變呈線性關系。隨著軸向應變的增加，主應力差呈增長趨勢，其增長率逐漸減小。一方面，對比不同纖維摻量的曲線，其增長率隨著纖維摻量的增加而逐漸提高。這是因為在纖維摻量較小的情況下，纖維以單根的狀態與土體顆粒相接觸，從而產生一維約束。隨著纖維摻量的增加，纖維之間形成網狀形態，當試樣受力時，纖維對土體產生三維約束。另一方面，在圍壓一定的情況下，隨著纖維摻量的增加，膨脹土的抗壓強度有明顯的增強。產生此現象的原因是纖維與土顆粒之間相互交匯，從而產生摩擦力，在一定程度上抑制了膨脹土在側向和豎向變形，使得土體的破壞程度減小。隨著纖維摻量的增加，改良后的膨脹土其變形抑制作用更加明顯。

為了進一步討論不同纖維摻量對膨脹土強度的影響，繪制了莫爾破壞包線，得到了總內摩擦角和總黏聚力，如圖4和表3所示。由莫爾破壞包線可知，該試驗試樣屬于超固結試樣。在素土中摻入纖維，使得原土壤與土壤之間的黏附力被破壞，纖維與膨脹土之間所產生摩阻力遠大于原來的黏附力。此摩阻力增大了土顆粒間的拉力，抵抗剪切時的部分剪切力，從而使膨脹土的總內摩擦角和總黏聚力在一定的范圍內有所提升。隨著纖維摻量的增加，改良后的膨脹土其抗剪強度與素土相比有明顯增強。

3結論

在膨脹土最大干密度和最優含水率的條件下，分別將不同摻量的纖維均勻摻入膨脹土中，進行了固結不排水三軸試

驗和無側限抗壓強度試驗。經過對比9組試樣在不同條件下的強度，得出結論：

（1）經過聚丙烯纖維改良后的膨脹土，其無側限抗壓強度有所增強，倆者之間相互交織產生摩擦力，有效抑制了土體的變形。

（2）聚丙烯纖維改良后的膨脹土，其總黏聚力和總內摩擦角在一定范圍內隨著纖維摻量的增加而有所提高。

（3）不同纖維摻量的膨脹土，無論是三軸條件還是無側限條件，其破壞方式基本都是壓剪破壞。

參考文獻

［1］周亮，尹誠，韓雪剛.地質聚合物在特殊土處理中的應用研究進展［J］.科學與生活，2021，15（7）：56-60.

［2］鄧友生，吳鵬，趙明華，等. 基于最優含水率的聚丙烯纖維增強膨脹土強度研究［J］. 巖土力學，2017，38（2）：349-353+360.

［3］莊心善，楊文博，胡其志，等. 磷尾礦最佳摻量下玄武巖纖維加固膨脹土研究［J］. 人民長江，2017，48（S2）：244-247.

［4］施利國，張孟喜，曹鵬. 聚丙烯纖維加筋灰土的三軸強度特性［J］. 巖土力學，2011，32（9）：2721-2728.

［5］介玉新. 加筋土不同計算方法之間的關系［J］. 巖土力學，2011，32（S1）：43-48.

［6］介玉新，李廣信，陳輪. 纖維加筋土和素土邊坡的離心模型試驗研究［J］. 巖土工程學報，1998，（4）：15-18.

［7］介玉新，李廣信. 加筋土數值計算的等效附加應力法［J］. 巖土工程學報，1999，（5）：614-616.

［8］介玉新，王乃東，李廣信.加筋土計算中等效附加應力法的改進［J］.巖土力學，2007，28（S1）：129-132.

［9］李國維，鞏齊齊，李濤，等. 崩解性砂軟巖改良弱膨脹土性狀實驗研究［J］. 工程地質學報，2021，29（1）：34-43.

［10］孫樹林，鄭青海，唐俊，等.堿渣改良膨脹土室內試驗研究［J］.巖土力學，2012，33（6）：1608-1612.

［11］張艷美，張旭東，張鴻儒. 土工合成纖維土補強機理試驗研究及工程應用［J］. 巖土力學，2005，（8）：1323-1326.

［12］吳繼玲. 加筋纖維膨脹土強度與變形特性研究［D］.南京：南京航空航天大學，2010.