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        聚丙烯纖維加筋灰土的三軸強(qiáng)度特性

        2011-09-20 06:19:56施利國張孟喜
        巖土力學(xué) 2011年9期
        關(guān)鍵詞:灰土聚丙烯齡期

        施利國,張孟喜,曹 鵬

        (上海大學(xué) 土木工程系,上海 200072)

        1 引 言

        石灰應(yīng)用廣泛,灰土路基墊層、灰土地基的出現(xiàn)為石灰的運(yùn)用提供了更大的使用空間,但對(duì)于灰土的理論研究較少,灰土的工程運(yùn)用也是基于一般的工程經(jīng)驗(yàn),一定程度上說,灰土的理論研究的滯后制約了灰土工程應(yīng)用與發(fā)展。

        灰土的室內(nèi)試驗(yàn)研究方法主要有擊實(shí)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、動(dòng)、靜三軸試驗(yàn)。董玉文等[1]通過室內(nèi)試驗(yàn),分析了不同含灰量時(shí)灰土的擊實(shí)性和擊實(shí)灰土的抗剪性能,結(jié)果表明,含灰量對(duì)灰土的擊實(shí)性和抗剪性有明顯的影響。齡期對(duì)灰土強(qiáng)度的影響也是一個(gè)很重要的因素,董玉文和張伯平[2]通過三軸剪切試驗(yàn)研究不同灰土比、不同齡期的灰土試樣強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果表明,灰土的工程性能隨齡期的增長而改善,尤其在30 d內(nèi)改善較為顯著。韓曉雷等[3]對(duì)灰土試樣進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),研究了灰土強(qiáng)度影響因素,結(jié)果發(fā)現(xiàn),灰土的干密度對(duì)其強(qiáng)度有很大影響,灰土比為2:8,更接近于最佳灰土比。

        聚丙烯纖維作為加筋材料在加筋領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛,國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用聚丙烯纖維作為加筋材料研究得比較深入。Temel和Omer[4]研究了離散纖維加筋砂土的剪切強(qiáng)度性質(zhì);Rose等[5],Park和Tan[6]分別將纖維應(yīng)用于路基填料和擋土墻工程中,并對(duì)其工程性質(zhì)作了系統(tǒng)研究。國內(nèi)學(xué)者在纖維作為加筋材料研究也是成果累累,李廣信等[7]對(duì)纖維加筋黏性土進(jìn)行了一系列的室內(nèi)試驗(yàn),證明了纖維加筋黏性土具有良好的抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、極限拉應(yīng)變、斷裂韌度等力學(xué)性能。張小江等[8]研究用聚丙烯纖維加筋黏性土抵抗靜、動(dòng)荷載作用下土體發(fā)生張拉裂縫的功能,結(jié)果表明,纖維加筋黏性土是一種比較理想的土壩防滲抗震填料。介玉新和李廣信[9]深入探討了纖維加筋土的計(jì)算方法,提出了等效附加應(yīng)力法,唐朝生[10]等通過拉拔試驗(yàn),分析了單根纖維與土接觸面之間的剪切強(qiáng)度和殘余剪切強(qiáng)度。蔡奕等[11]研究了團(tuán)聚體大小對(duì)填筑土強(qiáng)度的影響,在受壓破壞時(shí),素土表現(xiàn)為應(yīng)變軟化的塑性破壞,纖維土表現(xiàn)為應(yīng)變硬化的塑性破壞,石灰土則表現(xiàn)為完全的脆性破壞;素土、纖維土和石灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨團(tuán)聚體粒徑的增大而降低。

        在新型土工加筋技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,作者提出了聚丙烯纖維加筋灰土這一概念。本文選取聚丙烯纖維作為加筋材料,通過三軸試驗(yàn)研究了不同灰土比、不同纖維含量、不同齡期、不同圍壓下的纖維灰土的強(qiáng)度,系統(tǒng)地研究了灰土比、纖維含量、齡期、圍壓對(duì)纖維灰土的影響,對(duì)纖維灰土的工程應(yīng)用具有較大的參考價(jià)值。

        2 試驗(yàn)方案

        2.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)土樣取自上海浦東某大廈施工工地,按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ051-1993)在工程現(xiàn)場采集土樣,測定其物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

        表1 黏性土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical indices of cohesive soil

        石灰采用全勝建筑材料有限公司生產(chǎn)的石灰粉,石灰粉顆粒均勻,手感細(xì)膩,見表2。

        表2 石灰的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 2 Physical indices of lime

        聚丙烯纖維采用上海博寧工程纖維材料有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品,如圖1所示,聚丙烯纖維力學(xué)性能見表3。

        圖1 聚丙烯纖維Fig.1 Polypropylene fiber

        表3 聚丙烯纖維的物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physico-mechanical parameters of polypropylene fiber

        2.2 試件制備

        試驗(yàn)前烘干土樣,按灰土體積比 1:9、2:8和3:7配置灰土樣,分別測定其最優(yōu)含水率和最大干密度。測得最優(yōu)含水率、最大干密度分別為21.1%、1.96 g/cm3,21.9%、1.95 g/cm3,22.8%、1.92 g/cm3,如圖2所示。

        為了保持試驗(yàn)含水率均勻穩(wěn)定,配制的灰土樣調(diào)配至最優(yōu)含水率后用保鮮膜封閉放入養(yǎng)護(hù)缸中,養(yǎng)護(hù)24 h進(jìn)行試驗(yàn)。試樣制作前加入聚丙烯纖維,纖維含量分別是灰土重的0.05%、0.15%、0.25%,充分拌合均勻。

        三軸試樣直徑為61.8 mm,高為125 mm。試樣制備采用統(tǒng)一的錘擊數(shù)和擊實(shí)功能控制土樣的密實(shí)度,在最優(yōu)含水率的條件下分 3層擊實(shí),上下層適當(dāng)刮毛,以增大上下層之間的摩擦咬合作用。試樣制備完以后用保險(xiǎn)膜包裹,不同灰土比、不同纖維加筋率及不同制作時(shí)間的試樣分別貼上標(biāo)簽。制備好的試樣根據(jù)不同齡期的需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)如圖3所示。

        圖2 灰土的擊實(shí)試驗(yàn)曲線Fig.2 The compaction curves

        圖3 試樣養(yǎng)護(hù)Fig.3 Conservation of specimens

        2.3 試件工況

        試驗(yàn)采用南京電力自動(dòng)化總廠生產(chǎn)的SJ-1A型應(yīng)變控制式三軸儀,選用Φ61.8 mm的壓力室,試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用配套的TSW-3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)中σ3取 100、200、300和 400 kPa 4種圍壓。試驗(yàn)以(σ1-σ3)的峰值點(diǎn)為破壞點(diǎn),無峰點(diǎn)時(shí),取15 %軸向應(yīng)變時(shí)的主應(yīng)力差確定破壞點(diǎn)。

        根據(jù)不同纖維加筋率、不同灰土比、不同齡期,一共設(shè)計(jì)了48種試驗(yàn)工況,具體工況見表2,每種工況分別試驗(yàn)在圍壓100、200、300和400 kPa下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,為了降低試驗(yàn)結(jié)果的離散性,對(duì)于相同圍壓同一種試樣做3組平行試驗(yàn),最后匯總整理共取有效數(shù)據(jù)192組,試驗(yàn)工況見表4。

        表4 試驗(yàn)工況Table 4 Experimental cases

        3 試驗(yàn)成果及分析

        3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        由于纖維加筋灰土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有很多共性,本文選取部分典型性的曲線分析,如圖4(a)~(d)曲線為灰土比2:8,齡期為14 d的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,圖 4(e)~(g)曲線為不同灰土比的的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(纖維含量0.15%,齡期為14 d)。

        由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知:

        ①聚丙烯纖維加筋灰土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀變化趨勢與純灰土相似,基本呈雙曲線。

        ②聚丙烯纖維加筋灰土隨著軸向應(yīng)變的增大,強(qiáng)度逐漸增大,絕大部分沒有明顯的峰值,應(yīng)力-應(yīng)變特性表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型,極個(gè)別試樣有明顯的峰值,出現(xiàn)應(yīng)變軟化,與試樣發(fā)生傾斜有關(guān)。

        ③加入聚丙烯纖維后,在同一圍壓下,隨著纖維含量的增加,其主應(yīng)力差增大。

        ④分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線,其軸向應(yīng)變?cè)?%~8%之間,應(yīng)力就已接近極限值,而后應(yīng)力-應(yīng)變曲線處于水平狀態(tài),應(yīng)變?cè)黾樱瑧?yīng)力不增加,具有明顯的屈服階段。

        ⑤由不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較可知,試樣的強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增加,當(dāng)軸向應(yīng)變較小時(shí),圍壓對(duì)強(qiáng)度的影響很小。這說明,在發(fā)生較小軸向應(yīng)變下,圍壓的影響尚未發(fā)揮,也就是說,在較小軸向應(yīng)變下,試樣中聚丙烯纖維還沒有伸展到它固結(jié)前的狀態(tài),所以聚丙烯纖維還沒有發(fā)揮作用;隨著軸向應(yīng)變的增大,纖維進(jìn)一步伸展直至超過其初始狀態(tài),從而發(fā)揮灰土與聚丙烯纖維間的摩擦作用,軸向變形越大,圍壓對(duì)其偏應(yīng)力的影響越大。

        3.2 極限偏應(yīng)力

        試樣的極限偏應(yīng)力與試樣的灰土比、纖維摻量、齡期以及圍壓有關(guān),圖5為不同試驗(yàn)條件下試樣的極限偏應(yīng)力。

        由圖5可看出:

        ①齡期對(duì)試樣強(qiáng)度的影響很大,同一聚丙烯纖維含量,對(duì)比1、7 d試樣強(qiáng)度可知,兩者強(qiáng)度相差無幾,齡期7 d的試樣其強(qiáng)度稍有提高,但其提高幅度不大,齡期為14、28 d的試樣,其強(qiáng)度大幅度提高,尤其是齡期為28 d試樣,其強(qiáng)度差不多是齡期1 d的試樣強(qiáng)度的2倍,甚至更多。

        ②齡期1、7 d試樣,其極限偏應(yīng)力值受圍壓影響較小,而齡期14、28 d試樣受圍壓影響較大。

        ③整個(gè)趨勢上講,不同齡期其試樣強(qiáng)度隨著聚丙烯纖維的含量呈增長態(tài)勢,稍有個(gè)別例外。

        圖4 不同工況的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Deviator stress-axial strain curves in different experimental cases

        圖5 不同圍壓下試樣破壞時(shí)的主應(yīng)力差Fig.5 Deviator stresses at failure in different confining pressures

        3.3 強(qiáng)度指標(biāo)

        土的強(qiáng)度參數(shù)的計(jì)算方法有兩種,一種是取不同圍壓下摩爾圓的公切線,即強(qiáng)度包絡(luò)線來計(jì)算土的強(qiáng)度參數(shù)。另外就是用土的p-q圖來計(jì)算土的強(qiáng)度參數(shù)。本文通過繪制圖p-q(其中來確定聚丙烯纖維灰土的c,?值,比繪制強(qiáng)度包絡(luò)線方便、準(zhǔn)確。將不同周圍壓力下各極限應(yīng)力圓頂點(diǎn)的連線稱為Kf線。Kf線的傾角αf和截距a間的關(guān)系與圖6中強(qiáng)度包絡(luò)線的傾角?和截距c有關(guān)。

        圖6 αf, a和? , c的關(guān)系Fig.6 The relationship between αf, a and ? , c

        由圖6可知,

        式中:系數(shù)Kf代表破壞時(shí)的主應(yīng)力比:

        典型纖維灰土(灰土比2:8)的p-q圖,如圖7所示,通過計(jì)算得到纖維灰土的c,?值,見表5,由此整理的典型抗剪強(qiáng)度線如圖8所示。

        由表5、圖8可知:

        ①齡期1、7 d試樣,?值隨著聚丙烯纖維含量的增加而稍有增大,但其值不穩(wěn)定,與土顆粒和石灰還未相互充分作用有關(guān),齡期14、28 d試樣,?值約是齡期1、7 d試樣?值的2倍,隨著聚丙烯纖維的增加其值略有增長,比較穩(wěn)定。

        ②由表5、圖8可知,齡期直接影響著試樣的c值,齡期14、28 d試樣的c值較齡期1、7 d的增長幅度較大,其主要原因是石灰中的活性成分(CaO,MgO,Ca(OH)2)與水和土中的碳酸鹽發(fā)生膠凝反應(yīng),并產(chǎn)生碳酸化作用使土的強(qiáng)度提高。

        圖7 p-q圖Fig.7 p-q diagrams

        表5 纖維灰土的c, ? 值Table 5 Strength parameters of specimens

        圖8 不同齡期的抗剪強(qiáng)度線(2:8)Fig.8 Shear strengths in different curing ages

        3.4 試樣的主要破壞型式

        由于試樣灰土比的不同、纖維摻量不同、試樣的齡期不同,試樣的破壞主要表現(xiàn)為鼓狀(圖9(a))以及有明顯破裂面的脆性破壞(圖9(b))兩種形式。

        圖9 試樣破壞形式Fig.9 Failure situations of specimens

        試驗(yàn)結(jié)果表明:

        (1)齡期對(duì)試樣破壞型式影響較大,齡期較短時(shí)主要發(fā)生鼓狀形式破壞,沒有形成比較明顯的破裂面,試樣的薄弱處出現(xiàn)微裂紋,如圖 9(a)所示;齡期14、28 d的出現(xiàn)有明顯破裂面的脆性破壞,如圖9(b)所示,灰土比越大、無纖維或纖維摻量較小時(shí)出現(xiàn)脆性破壞的概率較大。

        (2)聚丙烯纖維含量對(duì)破壞面的形狀影響較大,以齡期 28 d試樣為例,纖維含量較低時(shí),為0.05%,出現(xiàn)的破壞面形狀如圖9(c)所示,破壞面比較光滑,纖維含量為 0.25%時(shí),破壞面粗糙,如圖圖9(d)所示,出現(xiàn)此種情況主要與纖維含量有關(guān),纖維含量越高,土顆粒間的摩擦力越大,限制了破壞面的生成,從而導(dǎo)致破壞面粗糙。

        4 結(jié) 論

        (1)試樣的最大干密度隨著石灰含量的增加而減小,灰土比為1:9的試樣其最大干密度最大,為1.96 g/cm3,灰土比2:8的次之,3:7的最小。

        (2)聚丙烯纖維加筋灰土隨著軸向應(yīng)變的增大,強(qiáng)度逐漸增大,絕大部分沒有明顯的峰值,應(yīng)力-應(yīng)變特性表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型,極個(gè)別試樣有明顯的峰值,出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象,此時(shí)試樣發(fā)生傾斜。

        (3)加入聚丙烯纖維后,在同一圍壓下,隨著纖維含量的增加,其主應(yīng)力差增大,絕大部分試樣軸向應(yīng)變?cè)?%~8%之間,其應(yīng)力就已接近極限值,而后應(yīng)力-應(yīng)變曲線處于水平狀態(tài),應(yīng)變?cè)黾?,?yīng)力不增加,有其明顯的屈服階段。

        (4)不同灰土比的試樣強(qiáng)度,在其他條件相同的情況下灰土比為2:8的試樣強(qiáng)度最大,在工程使用方面可以考慮少用石灰,節(jié)約成本。

        (5)齡期1、7 d試樣,?值隨著聚丙烯纖維含量的增加而稍有增大,但其值不穩(wěn)定,與土顆粒和石灰還未相互充分作用有關(guān),齡期14、28 d試樣,?值約是齡期1、7 d試樣?值的2倍,隨著聚丙烯纖維的增加其值略有增長,比較穩(wěn)定。

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