廢纖維膨脹土抗剪強度及干濕開裂行為研究

黃勇忠

(廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

在工程實踐中經常會遇到高壓縮性和低強度的膨脹土路基。通常,這些路基的力學性能不能滿足實際工程條件的要求,有必要進行地面改善,以避免對路基、路面甚至上部道路結構造成嚴重損壞[1]。水泥土作為化學改良最好的方法之一,因其完整性好、水穩定性強、成本低等優點,被廣泛應用于各種路基治理工程。然而,大量試驗表明,由于水泥土具有抗拉強度低、脆性大、變形性差等缺點,并不適合各類工程。針對上述問題,許多研究人員提出了多種基于不同材料的改進方法,發現使用纖維增強技術作為改善力學性能的方法在路基土壤改良方面表現良好。膨脹土具有高膨脹性和低滲透性,反復的降雨和蒸發使膨脹的土壤不均勻地上升和收縮,土壤產生內應力,導致裂縫,且這些裂縫破壞了土壤的完整性,并為地表水的滲透提供了通道,對路基結構造成重大破壞。

近年來,固體廢物產量不斷增加。據統計,大多數低收入和中等收入國家每年產生約13×108t固體廢物,預計到2025年將增加到22×108t。顯然,固體廢物的回收利用已成為全球關注的環境問題。一般來說,固體廢物由連續廢物(塑料、玻璃、金屬等)和自然可降解廢物(食品、木材、紙張、橡膠、皮革等)組成。垃圾填埋和焚燒是固體廢物處理的主要方法,然而,垃圾填埋場的建設消耗了大量的土地資源,焚燒會產生空氣污染,因此固體廢物資源化利用已成為重要的發展方向[2]。

纖維作為一種工程材料,可以顯著增強膨脹土的粘聚力,防止土體裂縫的形成,降低膨脹電位、液化電位和導熱電位。一些早期研究人員使用可降解的生物纖維材料(如稻草,劍麻和椰子纖維)來改善膨脹土壤,這可以增加膨脹土壤的剪切強度和穩定性。近年來,其他研究人員采用木質素纖維和甘蔗纖維來改善膨脹土壤,并研究其對粘聚力和內摩擦角的影響[3]。然而,這種類型的纖維會很快被土壤侵蝕,改善土壤作用不持久。

目前大多數關于纖維改良路基土膨脹土裂縫的研究尚未探索干濕循環作用對裂縫發展的影響。因此,本研究使用兩種常見的從固體廢物中回收的纖維(PF和GF),以評估纖維加筋膨脹土提高路基土壤剪切強度的潛力,并研究添加纖維對膨脹土路基干濕開裂行為的影響。

1 工程背景

膨脹土在南方某城市廣泛分布,膨脹土引起的工程災害(公路路面結構不均勻或開裂、鐵路路基變形)是該地區最難解決的問題之一。該公路起始里程為K59+550～K76+560,總長17.024 km,路基主線填挖方路線總長14.32 km,路基采用擊實法施工。設計車速為100 km/h,整體式兩側拼寬路基(雙向八車道),路基全寬為41 m。路基面形狀為三角形路拱,由路基中心線向兩側“人字形”排坡。曲線加寬時,路基面仍保持三角形。由中心向兩側設4%的排水坡,路基排水設施的縱坡應≥2%。當路基填筑后,受自然風化及濕脹、干縮等因素影響,極易發生不均勻沉降及開裂,最大路基沉降為1.9 cm,并伴有軟化擠壓,導致較大沉降。路基越高,沉降越大、越頻繁,因此需要摻入新材料,進一步解決膨脹土路基力學性能及開裂等問題。

2 試驗樣品準備

2.1 膨脹土壤

在項目現場很難獲得均勻的原位土壤樣品,因此本研究使用均勻改造的膨脹土壤。從廣西寧明收集土壤樣品,該地區膨脹土的塑性指數較大,表明其吸水能力強。在干濕循環下,膨脹土的膨脹和收縮較大,容易產生明顯的裂縫。此外,膨脹土壤中伊利石(38.86%)、蒙脫石(28.67%)和高嶺石(22.98%)的含量非常高。這些高含量的親水礦物是膨脹土壤大規模擴張的重要驅動力。蒙脫石、伊利石等膨脹性礦物含量越高,土壤膨脹特征越明顯。

2.2 纖維

玻璃纖維(GF)和聚丙烯纖維(PF)用作膨脹土加固材料。GF的表面光滑,PF的表面有紋理,比GF粗糙。為了將纖維與土壤均勻混合,本研究使用了長度為9 mm的短纖維。GF直徑為16μm,斷裂強度為1 000 MPa,斷裂伸長率為4%,彈性模量為72 GPa;PF直徑為36μm,斷裂強度為498 MPa,斷裂伸長率為25%,初始模量為3.7 GPa。

3 試驗結果分析

3.1 抗剪強度

不同法向應力下GF和PF加筋膨脹土的抗剪強度與纖維含量的關系如圖1所示,圖2為剪切強度與法向應力之間的關系曲線圖。不同法向應力的纖維加筋膨脹土的抗剪強度大于普通土的抗剪強度,且隨纖維含量的增加而增加。對于GF增強膨脹土,當纖維含量達到0.3%時,剪切強度達到峰值,然后降低。對于PF增強膨脹土,當纖維含量為0.5%時,剪切強度達到峰值,當纖維含量>0.5%時,剪切強度降低。這表明0.3%GF和0.5%PF是最佳含量,可以增強膨脹土的抗剪強度,充分發揮纖維加固效果[4]。當一定量的纖維均勻地混合到膨脹土壤中時,纖維長絲和土壤顆粒交織在一起,形成許多“交錯點”。任何部位的應力和變形都會影響纖維方向,從而形成重新分布應力的區域。當纖維含量超過一定量時,土壤結構和土壤顆粒之間的粘結狀態受到纖維的影響,土結構的完整性受到破壞,土顆粒之間的粘結力降低。此外,在正常應力和纖維含量相同的條件下,大多數PF加筋膨脹土比GF加筋膨脹土具有更高的剪切強度。

(a)GF

(a)GF

兩種纖維加筋土在不同纖維含量下的粘聚力和內摩擦角如圖3所示。對于GF加筋膨脹土,纖維含量為0.3%時達到最大粘聚力(88.59 kPa),當纖維含量繼續增加時,粘聚力降低;纖維含量為0.5%時,粘聚力為79.8 kPa;在0.3%的纖維含量下,內摩擦角在18.41°處達到峰值。對于PF加筋膨脹土,在纖維含量為0.3%時,粘聚力達到91.40 kPa的峰值;纖維含量為0.5%時,內摩擦角達到23.02°的峰值。同樣可以發現,隨著纖維含量的變化,土壤粘聚力達到峰值。總體而言,兩種纖維對膨脹土粘聚力的影響更為顯著,纖維加筋膨脹土的粘聚力大于原狀膨脹土。PF增強膨脹土的粘聚力和內摩擦角的作用明顯優于GF。當纖維含量增加到一定值時,粘聚力和內摩擦角將達到峰值,如果纖維含量增加,粘聚力和內摩擦角就會減小。造成這種現象的原因是,當纖維含量小于峰值時,隨著纖維含量的增加,曲線凹凸處纖維與土壤顆粒之間的咬合增加,纖維可以在土壤中交織,形成均勻有效的網格狀支撐系統。當任一交織點受到外力時,其將帶動周圍的交織點隨之運動,從而分散內部產生的拉應力,減少土體內部某處應力集中的發生。但是,當纖維含量達到一定值時,纖維會在土壤中結塊,不能均勻分散。在這種情況下,纖維、土壤顆粒和水之間的摩擦和膠結減少。

(a)粘聚力

3.2 干濕循環條件下裂紋的發展模式

圖4為不同次數的干濕循環后原狀膨脹土和纖維增強膨脹土的裂縫圖像。由圖4可知,裂紋隨著干濕循環次數的增加而發展,一些土壤樣品的裂縫在第一個干濕循環中發展,一些在第二個干濕循環中發展。纖維對改善膨脹土壤裂縫的作用是非常明顯的,0.5%GF、0.7%GF和0.5%PF膨脹土在5個干濕循環周期內沒有出現主裂縫。0.3%GF和0.3%PF膨脹土在前兩個周期沒有出現主裂縫,但在第三個周期中出現。在加濕過程中,膨脹土壤的體積膨脹導致原始裂縫愈合。由于愈合部位的纖維含量低,在隨后的干濕循環中,裂紋將根據第一或第二裂紋模式發展。

圖4 裂紋發展示例圖

3.3 纖維含量對裂紋的影響

圖5為不同纖維含量的纖維加筋膨脹土(包括1～5次干濕循環)平均裂縫長度和最大裂縫長度的變化曲線。圖5表明,隨著纖維含量的增加,兩種纖維加筋膨脹土的平均裂縫長度和最大裂縫長度均先減小后增加。在0.1%和0.3%纖維含量下,PF在改善膨脹土壤方面比GF更有效,而在0.5%和0.7%纖維含量下則相反。造成這種現象的一個可能原因是GF是一種疏水性材料,在與土壤混合過程中往往會相互纏繞。PF是一種吸收性材料,可以更容易、更均勻地與土壤混合,并促進內應力在土壤體之間的傳遞。因此,在低纖維含量水平下,PF的改善優于GF。當PF含量高時,土壤中的纖維很容易粘附在模具表面,因為纖維的表面更粗糙。在土壤收縮過程中,纖維的粘附在霉菌和土壤之間產生張力,并在土壤邊緣產生張力間隙。

(a)平均裂縫長度

3.4 纖維路基土破壞角

圖6為不同纖維含量下的路基土破壞角變化柱狀圖。由圖6可知,在相同的圍壓下,隨著纖維含量的增加,纖維路基土試樣的破壞角先減少后增加。當纖維含量為0.6%時,破壞角達到最小值,表明纖維的加入可以在一定程度上改善試樣的脆性斷裂模式。當纖維含量進一步增加到0.8%時,破壞角仍然小于0摻量試樣的破壞角,而且隨著纖維含量的增加,改善效果明顯。主要原因是,當纖維含量過大時,纖維很可能在土壤中相互重疊,進而導致路基土壤不能被很好地壓實,因此改性效果是有限的。此外,當纖維含量在一定范圍內時,纖維可以更好地填充路基土試樣內部的空隙,纖維和土壤顆粒之間可以形成更穩定的結構,從而改善試樣的破壞形式。相反,當纖維含量過高時,纖維很容易在土壤中相互重疊,土壤既不能被很好地壓實,纖維也不能很好地連接。因此,試樣的破壞角會得到改善,改性效果會下降。

圖6 纖維路基土破壞角隨纖維含量的變化柱狀圖

4 結語

(1)GF和PF與膨脹土隨機混合后,纖維與土顆粒之間的摩擦力或咬合力對加筋膨脹土的抗剪強度起著一定的增強作用,PF的增強效果優于GF。兩種纖維加筋膨脹土峰值抗剪強度對應的纖維含量不同:當GF和PF含量分別為0.3%和0.5%時,纖維加筋膨脹土的抗剪強度達到峰值,而兩種纖維類型膨脹土的粘聚力均在纖維含量為0.3%時達到峰值。

(2)在干濕循環中,纖維可以抑制主裂紋的出現,而一旦主裂紋出現,纖維的改善作用將不再明顯。結果表明,摻加纖維可以抑制主裂紋出現,對于防止膨脹土路基開裂有一定的效果。

(3)在微觀水平上,纖維對膨脹土抗剪切和抗裂性能的改善是由于粘附效應。