朱 敏, 倪萬(wàn)魁, 李向?qū)? 王海曼, 趙 樂

(長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,西安 710061)

西咸新區(qū)空港新城廣泛分布大厚度Ⅲ、Ⅳ級(jí)自重濕陷性黃土,黃土遇水結(jié)構(gòu)破壞強(qiáng)度喪失常導(dǎo)致市政管廊、道路不均勻沉降、開裂,造成工程財(cái)產(chǎn)損失并成為安全隱患,危害行人。因此考慮含水率變化情況下的地基下部黃土的強(qiáng)度改良是很有必要的。纖維加筋黃土即將黃土與纖維拌和而成,操作簡(jiǎn)單,工程應(yīng)用早,可以顯著提高黃土的強(qiáng)度[1],但應(yīng)用于市政工程還需考慮其變形特征。1979年云南田壩礦區(qū)建成第一座加筋土擋墻儲(chǔ)煤倉(cāng)[2],后廣泛應(yīng)用于道路、水壩等領(lǐng)域。工程上常用加筋纖維可分為稻草、棕櫚絲等天然纖維以及聚丙烯纖維、玻璃纖維等化學(xué)纖維。其中天然纖維的工程應(yīng)用需要進(jìn)行防腐處理,且加筋效果相對(duì)化學(xué)纖維較弱,化學(xué)纖維相對(duì)化學(xué)性能穩(wěn)定,所以應(yīng)用較廣[3]。Kumar等[4]研究表明聚酯纖維顯著提高了素土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。李廣信等[5]研究聚丙烯纖維加筋土表明其可以提高素土的黏聚力4倍左右。阮波等[6]研究聚丙烯加筋土的剪切強(qiáng)度,認(rèn)為含水率會(huì)增大內(nèi)摩擦角而對(duì)黏聚力影響較小。璩繼立等[7]研究聚乙烯醇纖維加入上海黏土力學(xué)性能表明,抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的最佳加筋率分別為1.0%和0.8%。吳繼玲等[8]研究聚丙烯纖維加筋膨脹土表明0.3%的聚丙烯摻量的加筋土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高。劉羽健等[9]研究聚丙烯纖維加筋復(fù)合固化黃土強(qiáng)度表明聚丙烯纖維長(zhǎng)度取12 mm,摻量為0.45%時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高。

然而目前對(duì)聚丙烯纖維加筋黃土的強(qiáng)度研究主要是用控制變量法進(jìn)行單因素的研究,如控制纖維長(zhǎng)度研究纖維摻量對(duì)強(qiáng)度的影響,考慮含水率變化的研究較少。而對(duì)聚丙烯纖維加筋濕陷性黃土而言,黃土具有濕陷性,遇水結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞,工程應(yīng)用中不得不考慮含水率的變化。故基于含水率、聚丙烯纖維長(zhǎng)度、聚丙烯摻量的三因素三水平正交試驗(yàn)對(duì)聚丙烯纖維加筋濕陷性黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和變形模量進(jìn)行研究。通過極差和方差分析同時(shí)考慮多因素變化的影響,更切合工程應(yīng)用實(shí)際情況,可以和基于單因素變化的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,為西咸新區(qū)空港新城市政工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為西安西咸新區(qū)空港新城機(jī)場(chǎng)附近黃土,基本的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。聚丙烯纖維為高強(qiáng)度束狀單絲有機(jī)纖維,基本指標(biāo)如表2所示。

表2 纖維基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of fiber

1.2 配合比設(shè)置

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以同時(shí)考慮多種因素對(duì)結(jié)果的影響,通過結(jié)果評(píng)估各個(gè)因素的影響水平,是考慮多因素水平試驗(yàn)的一種高效的方法。由于空港地區(qū)黃土遇水結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞,因此含水率是需要考慮的重要因素,試驗(yàn)所設(shè)置的含水率水平為現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)測(cè)的含水率范圍內(nèi)具有代表性的含水率,為加筋黃土工程應(yīng)用后含水率可能的變化區(qū)間,其中11%含水率為現(xiàn)場(chǎng)取樣天然含水率,19.5%為取樣黃土最優(yōu)含水率,25%為現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)得的最大的含水率,位于管涵附近。聚丙烯纖維的水平設(shè)置參照天然纖維,化學(xué)纖維在軟土、紅土等特殊土的研究和應(yīng)用結(jié)果加以選取[10-16],其長(zhǎng)度和摻量水平的具體數(shù)值均為可以反映其影響規(guī)律的代表性數(shù)值。其中各因素編號(hào)及水平為:含水率變化w(11%、19.5%、25%)、聚丙烯纖維長(zhǎng)度l(6、12、18 mm)、聚丙烯纖維摻量b(0.1%、0.3%、0.5%),摻量為質(zhì)量比,即纖維和干土質(zhì)量比值，如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)方案因素和水平Table 3 Orthogonal test factors used and their levels

1.3 試驗(yàn)試樣與儀器

將現(xiàn)場(chǎng)取的土塊碾碎風(fēng)干,過篩,按照正交試樣表將所加的纖維混入風(fēng)干土中,攪拌均勻,加水拌和至設(shè)定含水率,拌和時(shí)需要保障纖維在土中均勻分布,拌和完成后養(yǎng)護(hù)24 h,使水分均勻。無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)[17]進(jìn)行,樣品直徑39.1 mm,高80 mm,控制試樣的壓實(shí)度為94%,每組樣品至少進(jìn)行3次平行試驗(yàn),確保結(jié)果的重復(fù)性。儀器選用南京土壤儀器廠的YSH-2 型石灰土無(wú)側(cè)限壓力儀,如圖1所示,變形控制在0.8 mm/min。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣與儀器Fig.1 Unconfined compression strength test specimens and instrument

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)L9(34)正交試驗(yàn)表中的試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)可以獲得各組試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu和變形模量E50,如表4所示。為研究含水率、聚丙烯纖維長(zhǎng)度、聚丙烯纖維摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和變形模量影響情況和顯著程度,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析和方差分析。同時(shí)為進(jìn)一步研究聚丙烯纖維對(duì)壓實(shí)黃土在不同含水率水平下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和變形模量的影響,設(shè)置了3個(gè)空白對(duì)照組,即對(duì)11%、19.5%、25% 3組不同含水率的壓實(shí)黃土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)進(jìn)而獲得其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和變形模量,如表5所示。

表4 加筋土正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 4 Orthogonal test scheme and results

表5 未摻纖維黃土強(qiáng)度和變形結(jié)果Table 5 Test results of loess without fiber

2.1 試樣破壞裂隙分析

唐朝生等[18]對(duì)加筋淤泥質(zhì)黏土研究表明，聚丙烯纖維愈長(zhǎng)且纖維摻量愈多,破壞裂隙越小越細(xì)且分布越均勻。由圖2可知，在相同含水率和應(yīng)變下,加筋黃土中存在同樣的現(xiàn)象,且主要破壞裂隙與頂面的夾角隨著無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大而越小。11%含水率的試樣,即1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)試樣破壞裂隙與頂面夾角為82°、67°、50°，19%含水率的試樣,即4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)試樣破壞裂隙與頂面夾角為73°、62°、69°且4、6號(hào)樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅相差10 kPa，25%含水率試樣具有彈延蠕變性,無(wú)明顯大延展破裂裂隙,即無(wú)上述現(xiàn)象。

圖2 土樣破壞照片F(xiàn)ig.2 Photo of soil sample damage

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

聚丙烯纖維的摻入對(duì)黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有很大改良。9組試樣中試樣5即19.5%含水率黃土摻加0.5%質(zhì)量比的12 mm聚丙烯纖維時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大,為3 336.918 kPa；而試樣7無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度82.796 kPa是最小值,整體極差為254.121 kPa,大于平均值174.958 kPa。說明各因素水平的變化對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)值的影響較大,通過極差分析(表6)可得:①含水率對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最大,極差達(dá)到153.956 kPa；聚丙烯摻量次之,極差達(dá)到64.083 kPa；聚丙烯纖維長(zhǎng)度影響最小,極差為59.31 kPa,但數(shù)值和聚丙烯摻量的極差處于同一水平,二者對(duì)側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)影響相當(dāng)。②含水率從11%到19.5%,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升了47.3%,而從11%到25%卻減少了43.3%,說明對(duì)于纖維加筋土存在一個(gè)最優(yōu)的含水率使得無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大；聚丙烯纖維長(zhǎng)度從6 mm增加到12 mm,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加了42.61%,而從6 mm到18 mm,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升了28.02%,表明存在一個(gè)最優(yōu)的聚丙烯纖維加筋長(zhǎng)度；聚丙烯纖維摻量從0.1%到0.3%強(qiáng)度提升了11%,從0.1%到0.5%強(qiáng)度提升了44.23%,即隨著聚丙烯纖維摻量增加,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是一直增加的。

表6 極差分析Table 6 Range analysis table

極差分析可得影響無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素從大到小排列為:含水率w>聚丙烯纖維摻量l>聚丙烯纖維摻量b。進(jìn)一步根據(jù)表7的方差分析結(jié)果可知,當(dāng)顯著水平α=0.1時(shí),查表可知Fα(2,2)=9,此時(shí)含水率F值為13.40>9,即含水率w顯著水平小于0.1,同理聚丙烯纖維長(zhǎng)度和聚丙烯纖維摻量的顯著水平大于0.1。故相比較聚丙烯纖維的長(zhǎng)度和摻量因素,含水率為極顯著因子。

表7 方差分析Table 7 Analysis of variance

2.3 變形模量結(jié)果分析

纖維加筋土的變形模量是體現(xiàn)其結(jié)構(gòu)變形特征的重要指標(biāo),因剪脹性等原因其為隨著應(yīng)力水平變化的變量[19]。劉建龍等[20]、侯天順等[21]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于纖維改良土,可以采用平均變形模量E50(0～1/2峰值)進(jìn)行估算。故選取E50作為試樣變形模量分析指標(biāo)。

通過表6可得:①含水率對(duì)變形模量的影響最大,極差達(dá)到25.174 MPa；聚丙烯纖維長(zhǎng)度和摻量變形模量對(duì)變形模量的影響較小,極差分別為9.51 MPa和7.92 MPa。②變形模量隨著含水率增大急劇變小,19.5%含水率和25%含水率相比11%含水率分別減小60.28%和94.51%；聚丙烯纖維長(zhǎng)度水平從6 mm 增加到18 mm,變形模量先增加再減小,存在一個(gè)最優(yōu)值；聚丙烯纖維摻量從0.1%增加到0.5%,變形模量也是先增加再減小,存在一個(gè)最優(yōu)值。

極差分析可知含水率對(duì)變形模量的影響大于聚丙烯纖維長(zhǎng)度和摻量,通過方差分析(表7)進(jìn)一步可知含水率w、聚丙烯纖維長(zhǎng)度l、聚丙烯纖維摻量b的F值均大于顯著水平α=0.1,難以確定一個(gè)絕對(duì)的顯著因素。

2.4 力學(xué)性能機(jī)理分析

2.4.1 含水率

在94%壓實(shí)度時(shí),壓實(shí)黃土和聚丙烯加筋黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的隨著含水率變化情況不同,如圖3所示。高建偉等[22]研究表明,壓實(shí)黃土當(dāng)含水率增加到一定值后,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不再隨含水率增加而明顯降低，而是維持在一定水平,圖3所示的11%、19.5%、25% 的重塑黃土強(qiáng)度數(shù)據(jù)符合該規(guī)律。而對(duì)于聚丙烯纖維加筋土存在一個(gè)最優(yōu)的含水率,11%含水率時(shí)纖維加筋土平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比11%壓實(shí)黃土提高了32.38%,25%含水率時(shí)提升了20.69%,而19.5% 含水率時(shí)提升了2.1倍。對(duì)于壓實(shí)黃土,隨著含水率增加,顆粒間空隙充水起到潤(rùn)滑作用,宏觀上無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)變小[23],而由于結(jié)合水膜的影響,在含水率提高到一定值后,顆粒間的相對(duì)位移會(huì)在一定范圍增加而結(jié)構(gòu)并未完全破壞,從而能承擔(dān)更大的應(yīng)力,進(jìn)而表現(xiàn)為含水率提高到19.5% 后再提高至25%,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度并未顯著減小。而聚丙烯纖維對(duì)土體強(qiáng)度改良主要通過纖維與土顆粒之間的界面力去約束土體的相對(duì)移動(dòng),因此相同壓實(shí)度的情況下,含水率越接近最優(yōu)含水率,聚丙烯纖維與土顆粒結(jié)合越緊密,使得纖維抗拔拉能力增強(qiáng),進(jìn)而表現(xiàn)為宏觀上的無(wú)側(cè)抗壓強(qiáng)度變大。柴壽喜等[24]對(duì)于稻草纖維加筋土也得出類似結(jié)論。

圖3 qu隨含水率變化Fig.3 The qu changes with water content

圖4 E50隨含水率變化Fig.4 The E50 changes with water content

由圖4可得,隨著含水率的增加,壓實(shí)黃土和聚丙烯加筋黃土的變形模量變化趨勢(shì)相同,均隨著含水率增加而減小,當(dāng)含水率為11%和25%時(shí),壓實(shí)黃土相比聚丙烯加筋土變形模量分別減小7.13%和3.53%,當(dāng)含水率為19.5%時(shí)則提升了1.42倍,仍小于11%含水率時(shí)的變形模量,可見真正影響變形模量的是含水率變化帶來的土體原生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化,這與侯天順等[25]對(duì)水泥改良土的變形模量的研究結(jié)論相同。

2.4.2 聚丙烯纖維長(zhǎng)度

由圖5可知，纖維加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和變形模量隨著聚丙烯纖維長(zhǎng)度的增加整體變化趨勢(shì)相同, 12 mm時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值最大,均存在一個(gè)最優(yōu)的長(zhǎng)度，且當(dāng)纖維為18 mm時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值略高于平均值,E50的均值則小于平均值。而聚丙烯纖維為6 mm的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和E50均值均小于平均值,表明聚丙烯纖維長(zhǎng)度水平的變化對(duì)E50的優(yōu)選效應(yīng)高于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,這是因?yàn)榫郾├w維長(zhǎng)度愈長(zhǎng),和土體結(jié)合越接近一個(gè)整體,加筋土?xí)嗟乇憩F(xiàn)出纖維的低彈性模量性質(zhì)。

圖5 E50和qu隨纖維長(zhǎng)度主效應(yīng)圖Fig.5 Fiber length response graphs of main effects for E50 and qu

2.4.3 聚丙烯纖維摻量

張小平等[26]研究表明，對(duì)于某一特定的聚丙烯纖維土, 它的抗壓強(qiáng)度不僅取決于纖維的摻量, 而且取決于土的含水量。在濕陷性黃土中,由圖6(b)可知，隨著摻量增大無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度幾乎線性增加,可知在同時(shí)考慮含水率和纖維長(zhǎng)度時(shí),對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度沒有明顯的最優(yōu)摻量值。這是因?yàn)槔w維摻量增加會(huì)使得纖維的比表面積增大,纖維與土顆粒的摩擦增強(qiáng)進(jìn)而增加強(qiáng)度,而由于同時(shí)考慮了含水率和纖維長(zhǎng)度因素,摻量進(jìn)一步地增加導(dǎo)致的孔隙度增加并沒有破壞試樣的整體性,導(dǎo)致無(wú)側(cè)限強(qiáng)度依舊增加。由圖6(a)可知，E50隨著聚丙烯纖維摻量增大則存在一個(gè)最優(yōu)摻量值,因?yàn)镋50表現(xiàn)的是強(qiáng)度之前的試樣應(yīng)力應(yīng)變情況,和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不存在一致性,沒有正混雜效應(yīng)。

圖6 E50和qu隨纖維摻量主效應(yīng)圖Fig.6 Fiber content response graphs of main effects for E50 and qu

2.5 微觀機(jī)理分析

由圖7可知,纖維表面光滑,整體結(jié)構(gòu)為中空形。對(duì)比圖8的圖8(a)和圖8(b),圖8(a)為19.5%含水率素土樣,圖8(b)為19.5%含水率加筋纖維試驗(yàn)組中無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大的試樣,即5號(hào)試樣?？梢钥闯?，素土和纖維土的微觀結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變化,黏土礦物片狀堆積成層,面孔隙率分別為40.3%和43.5%,這也是相比較素土,加筋土E50并沒有明顯改變的原因。

圖7 聚丙烯纖維細(xì)觀照片F(xiàn)ig.7 Micrograph of polypropylene fiber

圖8 素土和加筋土500倍電鏡照片F(xiàn)ig.8 500 times electron micrograph of loess and reinforced loess

聚丙烯纖維表面較為光滑,并未附著太多黏土礦物顆粒,大量隨機(jī)分布的聚丙烯纖維在土體中以錨固的方式存在。同時(shí)由圖7可以看出，由于纖維本身中空,纖維部分徑向受壓會(huì)凹陷,使得纖維和土顆粒咬合更緊密,筋土界面摩擦加大,纖維錨固區(qū)域的土顆粒在軸向受壓時(shí)位移和變形受到約束,纖維越多,在宏觀上表現(xiàn)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。

3 結(jié)論

(1)考慮含水率變化時(shí),聚丙烯纖維加筋黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度存在一個(gè)最優(yōu)加筋長(zhǎng)度,即12 mm左右,但在0.1%、0.3%、0.5%聚丙烯纖維摻量水平下其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著摻量增加而增大,0.5%摻量最優(yōu)。變形模量則存在一個(gè)最優(yōu)加筋長(zhǎng)度的同時(shí)存在一個(gè)最優(yōu)加筋摻量,即12 mm長(zhǎng)和0.3%的摻量。

(2)聚丙烯纖維加筋黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加效果不一,在最優(yōu)含水率附近的增強(qiáng)效果最佳,強(qiáng)度提升了2.1倍。原因是最優(yōu)含水率時(shí),土顆粒和纖維接觸更加緊密,抗拔拉能力增強(qiáng)。總體上低含水率增強(qiáng)效果優(yōu)于高含水率。

(3)聚丙烯纖維加筋黃土的變形模量隨含水率的變化與不加纖維時(shí)變化趨勢(shì)相同,均隨著含水率增加,變形模量減小。