莊心善，余曉彥，游 鵬，周 談

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430068）

膨脹土的化學(xué)改良方法對(duì)施工工藝及施工機(jī)械的要求比較嚴(yán)格，且工程造價(jià)也會(huì)大幅度增加［1－2］。而物理改良對(duì)環(huán)境的影響較小，具有很好的發(fā)展前景。常被用于物理改良方法中的有聚丙烯纖維、玻璃纖維、聚乙烯纖維、劍麻、麻絲等材料［3－5］。由于這些材料的密度比土的密度小很多，在拌合過(guò)程中容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，造成加筋不均勻，給實(shí)際工程的操作帶來(lái)不便。玄武巖纖維是一種典型的純天然的、無(wú)污染的綠色硅酸鹽纖維，具有很好的相容性和優(yōu)越的力學(xué)性能。玄武巖纖維在混凝土的加固中已經(jīng)得到應(yīng)用，可以顯著的提高混凝土的抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度［6－7］，然而玄武巖纖維在土體改良方面的研究尚不夠完善，本試驗(yàn)將玄武巖纖維摻入膨脹土中，進(jìn)一步研究玄武巖纖維加筋膨脹土強(qiáng)度的變化。

1 試驗(yàn)材料

1.1 玄武巖纖維

本試驗(yàn)所使用的玄武巖纖維為短切無(wú)捻粗紗，薄片狀，長(zhǎng)度為6mm（圖1），與膨脹土拌合時(shí)，成束的纖維會(huì)被撕開(kāi)，均勻地?fù)饺氲脚蛎浲廉?dāng)中。從力學(xué)性能來(lái)看，玄武巖纖維介于碳纖維與玻璃纖維兩者之間，且性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于聚丙烯等化纖及其他木纖。玄武巖纖維的密度與土的密度相近，相對(duì)于質(zhì)量較輕且彈性模量較低的纖維來(lái)說(shuō)，可以避免出現(xiàn)纖維與土在拌合過(guò)程中出現(xiàn)的團(tuán)聚現(xiàn)象，有效的提高纖維拌合土的均勻性。

圖1 玄武巖短切無(wú)捻粗紗

1.2 膨脹土的物理性質(zhì)

本試驗(yàn)采用的土樣是南陽(yáng)某地區(qū)的膨脹粘土，土樣呈黃褐色，粘土礦物以伊－蒙混合物礦物為主，含有少許的伊利石，高嶺石?，F(xiàn)場(chǎng)采取土樣時(shí)含水率較大，呈塊狀。試驗(yàn)前對(duì)膨脹土進(jìn)行了物理性質(zhì)測(cè)定（表1）。

表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)

2 試驗(yàn)方法

為研究玄武巖纖維加筋膨脹土強(qiáng)度的改良效果，制作了不同加筋率的重塑膨脹土試樣，纖維加筋率為纖維質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值。制作試樣時(shí)按最優(yōu)含水率23.54%進(jìn)行配置，分別把0%，0.1%，0.3%，0.5%的纖維加筋到膨脹土中，將配置好的試樣用塑料袋進(jìn)行密封養(yǎng)護(hù)，齡期分別為0d、7d、14d、28d。嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE40-2007）進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，包括直剪試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及收縮試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 直剪試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的是ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，試樣尺寸為直徑61.8mm，高20mm，試樣分別進(jìn)行齡期0d、7d、14d、28d的養(yǎng)護(hù)，將養(yǎng)護(hù)好的試樣對(duì)準(zhǔn)放入剪切容器中，土樣上下表面各放一層濾紙，防止水分蒸發(fā)和堵塞透水石，試驗(yàn)過(guò)程中分別施加50 kPa、100kPa、200kPa、400kPa的垂直荷載進(jìn)行直剪試驗(yàn)。以0.8mm/min的剪切速度進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)測(cè)力計(jì)的百分表讀數(shù)不變或者后退時(shí)，繼續(xù)剪切至剪切位移4mm時(shí)停止，記下破壞值；當(dāng)剪切過(guò)程中測(cè)力計(jì)百分表無(wú)峰值時(shí)，剪切至剪切位移達(dá)到6 mm時(shí)停止。整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出各級(jí)荷載下的抗剪強(qiáng)度，對(duì)抗剪強(qiáng)度與垂直壓力進(jìn)行線性擬合見(jiàn)圖2～圖5，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c與內(nèi)摩擦角φ見(jiàn)圖6～圖7。

圖2 0d不同纖維含量下垂直壓力與抗剪強(qiáng)度曲線

圖3 7d不同纖維含量下垂直壓力與抗剪強(qiáng)度曲線

圖4 14d不同纖維含量下垂直壓力與抗剪強(qiáng)度曲線

圖5 28d不同纖維含量下垂直壓力與抗剪強(qiáng)度曲線

從圖2～圖5可知，纖維加筋膨脹土的抗剪強(qiáng)度均大于未加筋的膨脹土抗剪強(qiáng)度；抗剪強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為14d時(shí)，纖維加筋膨脹土的抗剪強(qiáng)度趨于最大值；當(dāng)加筋率小于等于0.3%時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨著加筋率的增加而增大；當(dāng)加筋率大于0.3%時(shí)，抗剪強(qiáng)度有所減小。

圖6 不同纖維含量與粘聚力的關(guān)系曲線

圖7 不同纖維含量與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線

從圖6，圖7可知，粘聚力隨著纖維含量的增加而增大，變化較明顯；內(nèi)摩擦角變化幅度較??；粘聚力隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大；內(nèi)摩擦角隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加基本不變。綜上所述，玄武巖纖維可改善膨脹土的抗剪性能，且當(dāng)加筋率為0.3%時(shí)，膨脹土的抗剪強(qiáng)度處于最優(yōu)狀態(tài)，當(dāng)加筋率＜0.3%時(shí)，膨脹土的強(qiáng)度反而會(huì)降低；從經(jīng)濟(jì)合理的角度來(lái)看，加筋膨脹土的最佳養(yǎng)護(hù)齡期為14d。

3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的是應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀，試樣的直徑40mm，高100mm，試樣按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE40-2007）的規(guī)定，分三層擊實(shí)，每層擊25次的方法制取。在制備好的試樣兩端及側(cè)面各涂一薄層凡士林，在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變?cè)?%以前，每0.5%應(yīng)變記讀百分表讀數(shù)一次；應(yīng)變達(dá)到3%后，每1%應(yīng)變讀百分表讀數(shù)一次。當(dāng)百分表讀數(shù)達(dá)到峰值或讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)，再繼續(xù)剪3%～5%應(yīng)變值時(shí)停止試驗(yàn)；如果讀數(shù)沒(méi)有出現(xiàn)穩(wěn)定值，則軸向應(yīng)變達(dá)到20%時(shí)即可停止試驗(yàn)。不同纖維含量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化特性見(jiàn)圖8。從圖8可知，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著纖維含量的增加而增大，當(dāng)纖維含量達(dá)到0.3%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值達(dá)到了峰值，之后隨著纖維含量的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈逐漸減小的趨勢(shì)。這說(shuō)明，玄武巖纖維可以有效地提高膨脹土的抗壓強(qiáng)度，且纖維的最佳加筋率為0.3%。

圖8 不同纖維含量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

從圖9可知，隨著加筋纖維含量的增加，試樣在破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?cè)龃?，說(shuō)明加入纖維可以有效提高膨脹土的延展性能。這是因?yàn)楫?dāng)試樣破壞后，纖維和膨脹土顆粒之間的摩阻力可以承擔(dān)一部分拉應(yīng)力。

圖9 不同纖維含量下的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線

3.3 無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE40-2007）的規(guī)定，進(jìn)行膨脹土的無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)。試樣直徑61.8mm，高20mm。試驗(yàn)中，加筋率為0，0.1%，0.3%，0.5%的四種試樣，每種各制作4個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)注水開(kāi)始時(shí)，按照5min、10min、20min、30 min、1h、2h、3h、24h及以后每隔24h記錄百分表的讀數(shù)，直至試樣不再膨脹為止。整理試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。隨著纖維含量的增加，試樣無(wú)荷載膨脹率減小較明顯。這是因?yàn)樵嚇佑鏊l(fā)生膨脹，試樣中的纖維對(duì)土體有約束作用，抵消了土體內(nèi)部的膨脹力，有效地約束了膨脹土的膨脹。

圖10 不同纖維含量下的無(wú)荷載膨脹率與時(shí)間關(guān)系曲線

4 結(jié)論

1）在膨脹土中摻入一定量的玄武巖纖維，可以有效地提高其抗剪強(qiáng)度。在抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中，粘聚力隨著纖維含量的增加而增大，且變化較明顯；內(nèi)摩擦角隨著纖維含量的增加基本沒(méi)有變化。纖維的最佳加筋率為0.3%。

2）在膨脹土中摻入一定量的玄武巖纖維，可以有效地提高其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。加筋率為0.3%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到了峰值。在膨脹土中摻入纖維，試樣的可塑性得到了極大的提高。隨著纖維含量的增加，試樣破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?cè)黾忧移茐牧严吨饾u變小。玄武巖纖維可以有效改善膨脹土的力學(xué)性能。

3）在膨脹土中摻入一定量的玄武巖纖維，土體遇水發(fā)生膨脹，摻加的纖維可以通過(guò)自身的拉結(jié)作用有效抑制土體的膨脹，有效約束膨脹土的膨脹。

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