趙文美

(黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院)

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凍融作用下聚丙烯纖維土的抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)特性

趙文美

(黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院)

摘要：以粘性土為研究土體，在其中摻加聚丙烯纖維，設(shè)計(jì)不同凍融次數(shù)、不同纖維長(zhǎng)度以及不同纖維摻量的正交試驗(yàn)方案，然后進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，分析其黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律，研究聚丙烯纖維土在凍融循環(huán)作用下的抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)特性。

關(guān)鍵詞：聚丙烯纖維土；凍融循環(huán)；抗剪強(qiáng)度

1實(shí)驗(yàn)材料的物理力學(xué)指標(biāo)

1.1　聚丙烯纖維的基本物理指標(biāo)

本次試驗(yàn)所用的聚丙烯纖維為常用的路用聚丙烯纖維材料，顏色雪白，質(zhì)地軟滑，為長(zhǎng)條形纖維。本次試驗(yàn)所采用的纖維分別長(zhǎng)度為6mm、9mm、12mm三種，其基本的物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　聚丙烯纖維主要技術(shù)參數(shù)

1.2　實(shí)驗(yàn)土的基本物理指標(biāo)

表2　實(shí)驗(yàn)土的基本物理指標(biāo)

2試驗(yàn)方法

采用直剪快剪試驗(yàn)對(duì)土樣進(jìn)行直剪，試件大小φ61.8×20mm，按最佳含水率拌合，96%的壓實(shí)度靜壓。試驗(yàn)嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)土的直接剪切試驗(yàn)的規(guī)定進(jìn)行。使用DWX低溫試驗(yàn)冰柜進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，考慮到土中結(jié)合水在低溫環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)情況，控制的凍融循環(huán)試驗(yàn)的凍結(jié)溫度為-16 ℃，融化溫度為室溫，每一次凍融循環(huán)時(shí)間控制在24h，其中凍結(jié)時(shí)間為12h，融化時(shí)間為12h，整個(gè)凍融過(guò)程中讓試件處于密封狀態(tài)，使得試件土樣的含水率保持不變。

試驗(yàn)利用三因素三水平的正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)了L9(34)的正交試驗(yàn)方案表，主要考察的試驗(yàn)指標(biāo)有土的內(nèi)摩擦角φ以及粘聚力c。試驗(yàn)的控制因素主要有凍融循環(huán)次數(shù)、聚丙烯纖維長(zhǎng)度、聚丙烯纖維摻量。同時(shí)設(shè)置素土在0、1、3、6次凍融循環(huán)作用下直接剪切試驗(yàn)組為對(duì)比組。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理

根據(jù)安排的方案進(jìn)行直剪試驗(yàn)，將試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)得到的剪應(yīng)力和剪切應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行分析，可以看出，在每一垂直壓力作用下的剪應(yīng)力-剪切變形幾乎都呈現(xiàn)出雙曲線的變化，相同的剪切變形時(shí)，所采用的垂直壓力越大，其對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力也越大，而且剪應(yīng)力增強(qiáng)的趨勢(shì)逐漸減緩。同時(shí)剪應(yīng)力隨剪切位移增大不斷變大，沒(méi)有出現(xiàn)剪應(yīng)力峰值的情況。

根據(jù)試驗(yàn)可以得到試驗(yàn)土樣的抗剪強(qiáng)度公式，進(jìn)而計(jì)算出試驗(yàn)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；根據(jù)所得到對(duì)比組的抗剪強(qiáng)度和垂直壓力關(guān)系以及試驗(yàn)素土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，可以得到對(duì)比組土樣的線性公式，進(jìn)而可以計(jì)算出試驗(yàn)用土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

4試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于對(duì)比組的土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，其粘聚力以及內(nèi)摩擦角隨著凍融循環(huán)次數(shù)的變化趨勢(shì)是隨著凍融次數(shù)的增大，土體粘聚力逐漸降低，且在一次凍融時(shí)，粘聚力衰減最為顯著；而土體內(nèi)摩擦角隨著凍融次數(shù)的增大逐漸變大，且在凍融1次到凍融3次之間增大最為顯著。

對(duì)于凍融作用下的纖維土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(內(nèi)摩擦角和粘聚力)進(jìn)行正交結(jié)果分析，計(jì)算出三個(gè)因素各試驗(yàn)水平的均值Kj以及極差值(R=max(Kj)-min(Kj))。通過(guò)對(duì)極差分析的結(jié)果可看出，對(duì)于土體粘聚力，影響因素的主次順序?yàn)锳>C>B(13.064>7.959>3.437),說(shuō)明凍融次數(shù)對(duì)于粘聚力指標(biāo)的影響最為顯著，其次是纖維摻量，纖維長(zhǎng)度對(duì)于粘聚力指標(biāo)的影響稍弱。對(duì)于土體的內(nèi)摩擦角，影響因素的主次順序與粘聚力一致，但是其極差值較粘聚力的極差值較小，說(shuō)明摻入纖維和凍融循環(huán)作用對(duì)于內(nèi)摩擦角的影響較粘聚力小。

粘聚力隨著凍融次數(shù)的增加而減小，且下降趨勢(shì)減緩，符合土體在凍融循環(huán)作用下的衰減規(guī)律；粘聚力隨著纖維長(zhǎng)度的變大呈現(xiàn)出先增大、后變小的趨勢(shì)，其中9 mm長(zhǎng)度的纖維效果最好，這是由于纖維在土中是一種各向同性的材料，纖維長(zhǎng)度過(guò)短，對(duì)于彎曲機(jī)理和交織機(jī)理的效果減弱，纖維土的整體強(qiáng)度性能增強(qiáng)效果并不明顯，根據(jù)破環(huán)后的試件，纖維長(zhǎng)度太長(zhǎng)，各纖維之間雖布成網(wǎng)狀，但在土中成層分布，各向同性的效果也會(huì)減弱，增強(qiáng)效果類(lèi)似于土工格柵，因此9 mm的纖維長(zhǎng)度是最佳纖維長(zhǎng)度；粘聚力隨著纖維摻量的變大而增加，且上升趨勢(shì)減緩，說(shuō)明摻入纖維對(duì)土體的粘聚力的增強(qiáng)是十分顯著的。

內(nèi)摩擦角隨著凍融次數(shù)的變大而減小，衰減了19.77%，且衰減趨勢(shì)也是減緩的，這與素土在凍融作用下內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律完全不一致，原因可能是在摻入纖維以前，在凍融循環(huán)作用下細(xì)粒土?xí)S著土中自由水的活動(dòng)而填充入大的土顆粒的孔隙中，在摻入纖維以后會(huì)使得土體整體內(nèi)摩擦角變小，并使得這種填充效果變?nèi)?；?nèi)摩擦角隨著纖維的變長(zhǎng)呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢(shì)，但是內(nèi)摩擦角在不同的纖維長(zhǎng)度的情況下的浮動(dòng)幅度僅為1.080°，可以認(rèn)定纖維長(zhǎng)度對(duì)于內(nèi)摩擦角的影響并不大；內(nèi)摩擦角隨著纖維摻量的增大出現(xiàn)了先下降后上升的現(xiàn)象，這是因?yàn)楫?dāng)纖維摻入土體中，使得土中的土粒與土粒之間的摩阻力有一部分弱化為纖維與纖維、纖維與土粒的摩阻力，而隨著纖維摻量的不斷增大，纖維所產(chǎn)生的彎曲機(jī)理和交織機(jī)理效果逐漸顯著，反而對(duì)于纖維土整體的摩阻力有所增強(qiáng)。

5結(jié)論

(1)影響纖維土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的因素的主次順序?yàn)椋簝鋈谘h(huán)次數(shù)>纖維摻量>纖維長(zhǎng)度。

(2)摻入纖維以后能很大地提升纖維土的土體粘聚力，并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，纖維土對(duì)于粘聚力的增強(qiáng)效果變大，且9 mm的纖維長(zhǎng)度對(duì)于粘聚力的增強(qiáng)效果最好，隨著纖維摻量的增加，粘聚力的增強(qiáng)效果也變強(qiáng)。

(3)在摻入纖維以后，在凍融1次的情況下，纖維土對(duì)于內(nèi)摩擦角的增強(qiáng)效果是最強(qiáng)的，在凍融循環(huán)次數(shù)增大的情況下對(duì)于內(nèi)摩擦角具有一定的衰退效應(yīng)，9 mm長(zhǎng)度的纖維對(duì)于內(nèi)摩擦角的增強(qiáng)效果最佳。

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作者簡(jiǎn)介：趙文美(1964-) ，女，黑龍江綏棱人，高級(jí)工程師，研究方向：路線設(shè)計(jì)技術(shù)。

收稿日期：2015-03-15

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2015)08-0065-01