祁麗娟

(黑龍江龍捷市政軌道交通工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090)

凍融作用下聚丙烯纖維土的抗剪強度增強特性

祁麗娟

(黑龍江龍捷市政軌道交通工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090)

以粘性土為研究土體，在其中摻加聚丙烯纖維，設(shè)計不同凍融次數(shù)、不同纖維長度以及不同纖維摻量的正交試驗方案，然后進(jìn)行直接剪切試驗，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)作用下的抗剪強度增強特性。

聚丙烯纖維土；凍融循環(huán)；抗剪強度

1 實驗材料的物理力學(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，為長條形纖維。本次試驗所采用的纖維分別長度為6 mm、9 mm、12 mm三種，其基本的物理指標(biāo)見表1。

表1 聚丙烯纖維主要技術(shù)參數(shù)

1.2 實驗土的基本物理指標(biāo)

表2 實驗土的基本物理指標(biāo)

2 試驗方法

采用直剪快剪試驗對土樣進(jìn)行直剪，試件大小φ61.8×20 mm，按最佳含水率拌合，96%的壓實度靜壓。試驗嚴(yán)格按照《公路土工試驗規(guī)程》對土的直接剪切試驗的規(guī)定進(jìn)行。

使用DWX低溫試驗冰柜進(jìn)行凍融循環(huán)試驗，考慮到土中結(jié)合水在低溫環(huán)境下的運動情況，控制的凍融循環(huán)試驗的凍結(jié)溫度為-16 ℃，融化溫度為室溫，每一次凍融循環(huán)時間控制在24 h，其中凍結(jié)時間為12 h，融化時間為12 h，整個凍融過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。

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

3 實驗結(jié)果處理

根據(jù)安排的方案進(jìn)行直剪試驗，將試驗所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對得到的剪應(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，所采用的垂直壓力越大，其對應(yīng)的剪應(yīng)力也越大，而且剪應(yīng)力增強的趨勢逐漸減緩。同時剪應(yīng)力隨剪切位移增大不斷變大，沒有出現(xiàn)剪應(yīng)力峰值的情況。

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

4 試驗結(jié)果分析

對于對比組的土樣抗剪強度指標(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，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。

對于凍融作用下的纖維土的抗剪強度指標(biāo)(內(nèi)摩擦角和粘聚力)進(jìn)行正交結(jié)果分析，計算出三個因素各試驗水平的均值Kj以及極差值(R=max(Kj)- min(Kj))。通過對極差分析的結(jié)果可看出，對于土體粘聚力，影響因素的主次順序為A>C>B(13.064>7.959>3.437),說明凍融次數(shù)對于粘聚力指標(biāo)的影響最為顯著，其次是纖維摻量，纖維長度對于粘聚力指標(biāo)的影響稍弱。對于土體的內(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，說明摻入纖維和凍融循環(huán)作用對于內(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；粘聚力隨著纖維長度的變大呈現(xiàn)出先增大、后變小的趨勢，其中9 mm長度的纖維效果最好，這是由于纖維在土中是一種各向同性的材料，纖維長度過短，對于彎曲機理和交織機理的效果減弱，纖維土的整體強度性能增強效果并不明顯，根據(jù)破環(huán)后的試件，纖維長度太長，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減弱，增強效果類似于土工格柵，因此9 mm的纖維長度是最佳纖維長度；粘聚力隨著纖維摻量的變大而增加，且上升趨勢減緩，說明摻入纖維對土體的粘聚力的增強是十分顯著的。

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而填充入大的土顆粒的孔隙中，在摻入纖維以后會使得土體整體內(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呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢，但是內(nèi)摩擦角在不同的纖維長度的情況下的浮動幅度僅為1.080°，可以認(rèn)定纖維長度對于內(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，這是因為當(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)生的彎曲機理和交織機理效果逐漸顯著，反而對于纖維土整體的摩阻力有所增強。

5 結(jié) 論

(1)影響纖維土抗剪強度指標(biāo)的因素的主次順序為：凍融循環(huán)次數(shù)>纖維摻量>纖維長度。

(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，纖維土對于粘聚力的增強效果變大，且9 mm的纖維長度對于粘聚力的增強效果最好，隨著纖維摻量的增加，粘聚力的增強效果也變強。

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

[1] 公路土工試驗規(guī)程(JTG E40-2007)[S].人民交通出版社,2007.

[2] 劉紅軍，韓春鵬等.土質(zhì)土力學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2012.

[3] 宋金巖.玻璃纖維土的變形及強度特性試驗研究[D].上海:上海交通大學(xué),2012.

2017-03-15

U416.1

：C

：1008-3383(2017)06-0056-02