柳濤

玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土的靜動力學特性試驗研究

柳濤

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

玄武巖纖維作為一種新型環(huán)保高性能土體加筋材料，在土體中所表現(xiàn)出的靜、動力學特性不同于一般的土工合成材料。為深入研究玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土的靜、動力學特性，進行三軸壓縮試驗和動三軸試驗，分析玄武巖纖維摻入量以及土體含水率等因素對粉質(zhì)黏土抗剪強度、剪切模量以及阻尼比的影響。研究結(jié)果表明：纖維的加入能顯著提高土體的抗剪強度，而纖維對粉質(zhì)黏土抗剪強度參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在黏聚力的提高上，對內(nèi)摩擦角的影響比較小；含水率在最優(yōu)含水率18.5%時，土體的抗剪切強度達到最大值。在應變一定時，土體的動剪切模量隨著纖維摻入量以及含水率的增大先增大后減??；阻尼比隨著纖維摻入量的增大先減小后增大，而含水率對阻尼比的影響較小。總體而言，在最優(yōu)含水率18.5%,最佳纖維摻入量0.2%情況下能顯著改善粉質(zhì)黏土的靜、動力特性。本文的研究成果將為玄武巖纖維加筋土路基的設計提供依據(jù)。

玄武巖纖維；三軸壓縮試驗；動三軸試驗；抗剪強度；動剪切模量、阻尼比

加筋技術(shù)作為一種有效的土體改良技術(shù)，已經(jīng)廣泛應用于邊坡、擋土墻、大壩、公路和鐵路路基等眾多工程中。傳統(tǒng)加筋技術(shù)能夠有效地提高土體的強度和穩(wěn)定性，但是，加筋材料按一定方向鋪設，導致加筋土存在明顯的各向異性[1]。新興的纖維加筋技術(shù)將纖維材料按照一定比例均勻分散到土體內(nèi)部，能夠有效地解決這一問題，同時，還能簡化施工工藝，提高環(huán)保性能，拓寬加筋技術(shù)的應用范圍等，具有非常好的研究前景[2?4]?，F(xiàn)有研究表明：纖維加筋材料能夠有效改善原有土體的力學性能。李宏波等[5]指出：聚丙烯纖維的摻入可以提高粉砂土的抗剪強度。Diambra等[6]通過三軸壓縮試驗和拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維的加入明顯提高了砂土的抗壓強度，而對砂土的抗拉強度影響有限。李麗華等[7]對玻璃纖維?砂土復合材料進行剪切試驗，得出了玻璃纖維能有效提高砂土的剪切強度和破壞韌性的結(jié)論，并指出該試驗范圍內(nèi)，纖維的最佳摻入量為0.4%。張丹等[8]采用光纖光柵傳感技術(shù)(FBU)開展了玄武巖纖維對膨脹土的干縮變形特性影響的相關(guān)試驗，提出了玄武巖纖維能明顯抑制膨脹土裂隙發(fā)展的相關(guān)論述。Viswanadham等[9]對聚丙烯纖維加筋膨脹土進行了膨脹固結(jié)試驗，研究纖維含量以及纖維縱橫比對膨脹土膨脹特性的影響。研究結(jié)果表明：纖維對膨脹土的膨脹特性有一定的抑制作用；纖維的加入顯著減小了膨脹土的膨脹量，尤其是纖維縱橫比較小的時候；并對膨脹量減小的主要原因給出了理論分析。尤波等[10]對玄武巖纖維加筋膨脹土進行三軸試驗，得到了膨脹土的抗剪強度隨摻入量和圍壓的變化關(guān)系，并給出了該種土的最佳纖維摻入量為0.4%左右。由上述研究可見，目前纖維加筋技術(shù)的研究大多針對膨脹土和砂土，而纖維加筋材料對粉質(zhì)黏土的改良研究相對較少。粉質(zhì)黏土作為路基填料應用十分廣泛，特別是對地基承載力有較高要求的工程，優(yōu)質(zhì)的粉質(zhì)黏土改良技術(shù)急需提出，因此研究纖維加筋技術(shù)對粉質(zhì)黏土的改良效果具有非常重要的工程指導意義。本文以加筋粉質(zhì)黏土為研究對象，開展一系列三軸壓縮試驗和動三軸試驗，探討纖維摻入量、含水率和圍壓對粉質(zhì)黏土靜力、動力學特性的影響，為今后纖維加筋技術(shù)應用于粉質(zhì)黏土路基改良處理提供參考。

1 試驗材料和試驗方案

1.1 試驗材料

本文依托于某新建客運專線鐵路項目，該項目地層主要為第四系粉質(zhì)黏土、砂礫層、黏土、網(wǎng)紋狀黏土、淤泥、淤泥質(zhì)土等，一般厚5～40 m不等，局部厚度超過60 m。河流階地的軟土、松軟土地層強度低、壓縮性高、工程性質(zhì)較差，需加固處理。

試驗所用粉質(zhì)黏土取自該新建客運專線鐵路DK395+425.39~DK396+425.05段。依據(jù)《鐵路工程土工試驗規(guī)程》[11]對粉質(zhì)黏土進行相關(guān)試驗，粉質(zhì)黏土的基本物理力學參數(shù)見表1。

表1 粉質(zhì)黏土的基本物理力學參數(shù)

玄武巖纖維具有天然的相容性、優(yōu)異的力學性能、耐高溫性和耐酸堿性[12]。高磊等[2]指出，玄武巖纖維能有效提高材料的抗壓、抗拉、抗折強度和承載力等性能。本文選擇玄武巖纖維作為加筋纖維材料。試驗采用的玄武巖纖維購買自某地基加固材料生產(chǎn)廠家，圖1為本文采用的長度為12 mm的玄武巖纖維，其主要的物理力學參數(shù)見表2。

圖1 玄武巖纖維

表2 玄武巖纖維的物理力學指標

1.2 試驗設備

三軸壓縮試驗采用的是TSZ-1型應變控制式三軸儀，該儀器可以進行不固結(jié)不排水(UU)、固結(jié)不排水(CU)和固結(jié)排水(CD)等剪切試驗。

動三軸試驗采用的是DDS-70微機控制電磁式振動三軸試驗系統(tǒng)，該儀器可以進行砂土的液化試驗以及各種土體的動彈性模量和阻尼比特性試驗。

1.3 試驗方案和試樣制備

1.3.1 試驗方案

本試驗的目的是研究玄武巖纖維摻入量(本文用表示，即玄武巖纖維質(zhì)量與土體質(zhì)量的百分比)，含水率()以及圍壓(3)等因素對粉質(zhì)黏土剪切特性以及動力特性(動剪切模量、阻尼比)等的影響。同時，參考《鐵路路基設計規(guī)范》[13]中路基填料的壓實標準，控制試樣的壓實系數(shù)為0.94。

三軸壓縮試驗，參照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》[11]，試驗采用的加載速率為0.08 mm/s，破壞標準為軸向應變達到20%。具體試驗方案參見表3。

動三軸試驗，參照《鐵路工程土工試驗規(guī) 程》[11]，試驗加載波形采用正弦波，加載頻率為1 Hz，破壞標準為達到規(guī)定的試驗振動次數(shù)或者試樣的應變波形明顯發(fā)散。具體試驗方案見表4。

1.3.2 試樣制備

三軸壓縮試驗和動三軸試驗所需要的試樣尺寸以及試樣的制備方式是相同的。試樣尺寸(直徑×高)39.1 mm×80 mm，制樣過程嚴格按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》[11]進行。試樣采用濕擊實法制備：首先，按照試驗條件，計算每種試驗工況下制備一個試樣需要的粉質(zhì)黏土與玄武巖纖維以及蒸餾水的質(zhì)量，將粉質(zhì)黏土、玄武巖纖維混合均勻后，均勻噴灑蒸餾水至設定的含水率，并將其放在密閉容器中靜置24 h，以確保水分的均勻分布。然后，將混合均勻的玄武巖纖維加筋土分5層依次放入金屬模具中，每層以相同的能量壓實到一定高度；在放置下一層前，將前一層土體刮毛，以保證試樣各層之間接觸良好。最后，將制備好的試樣置于密閉容器中備用。

表3 三軸壓縮試驗方案

表4 動三軸試驗方案

2 三軸壓縮試驗結(jié)果和分析

2.1 應力?應變關(guān)系分析

2.1.1 玄武巖纖維摻入量對應力?應變關(guān)系的影響分析

圖2是圍壓100 kPa,含水率18.5%情況下，不同玄武巖纖維摻入量的加筋粉質(zhì)黏土應力?應變關(guān)系曲線(圖中1?3為主應力差，ε為應變)。由圖2可知：

1) 不同玄武巖纖維摻入量的玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土的應力?應變關(guān)系曲線均呈現(xiàn)相似的變化趨勢：當應變小于1.0%時，主應力差隨著應變的增加近似呈線性增大；當應變大于1.0%而小于7.5%時，主應力差隨著應變的增加呈非線性增大；當應變大于7.5%時，隨著應變的增大，主應力差基本不再發(fā)生變化。

2) 玄武巖纖維摻入量對玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土的應力?應變關(guān)系曲線具有顯著的影響：相同應變對應的主應力差隨著玄武巖纖維摻入量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當玄武巖纖維摻入量為0.2%時，玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土的主應力差均為最大值，因此，在本文試驗中，最優(yōu)玄武巖纖維摻入量在0.2%左右。

圖2 玄武巖纖維摻入量對應力-應變關(guān)系的影響

2.1.2 含水率對應力?應變關(guān)系的影響分析

圖3是圍壓100 kPa，玄武巖纖維摻入量0.2%情況下，不同含水率的玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土應力?應變關(guān)系曲線，由圖3可知：當圍壓、玄武巖纖維摻入量一定時，同一應變對應的主應力差隨著含水率呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，其臨界點為最優(yōu)含水率18.5%。

2.1.3 圍壓對應力?應變關(guān)系的影響分析

圖4是含水率18.5%，玄武巖纖維摻入量0.2%情況下，不同圍壓下玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土應力?應變關(guān)系曲線，由圖4可知：玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土的主應力差隨著圍壓的增加而增大。

圖3 含水率對應力-應變關(guān)系的影響

圖4 圍壓對應力-應變關(guān)系的影響

2.2 抗剪強度的分析

對玄武巖纖維加筋土固結(jié)不排水(CU)試驗數(shù)據(jù)進一步分析，得到抗剪強度的參數(shù)黏聚力()以及內(nèi)摩擦角()值，列于表5。

整理表5的結(jié)果，得到不同工況對和值的影響，圖5為含水率一定時，不同玄武巖纖維摻入量對黏聚力的影響，圖6為玄武巖纖維摻入量一定時，不同含水率對黏聚力的影響，圖7為含水率一定時，不同玄武巖纖維摻入量對內(nèi)摩擦角的影響，圖8為玄武巖纖維摻入量一定時，不同含水率對內(nèi)摩擦角的影響。

表5 抗剪強度參數(shù)表

圖5 玄武巖纖維摻入量對黏聚力的影響

圖6 含水率對黏聚力的影響

由圖5~8得到：

1) 當含水率一定時，隨著玄武巖纖維摻入量的增加，黏聚力呈現(xiàn)先增后減的趨勢，玄武巖纖維摻入量為0.2%左右時，玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土的黏聚力有最大值。

2) 當玄武巖纖維摻入量一定時，隨著含水率的增加，粉質(zhì)黏土以及玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土的黏聚力均呈現(xiàn)先增后減的趨勢，在含水率為18.5%(即最優(yōu)含水率)時，粉質(zhì)黏土以及玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土的黏聚力均達到最大值。

圖7 玄武巖纖維摻入量對內(nèi)摩擦角的影響

圖8 含水率對內(nèi)摩擦角的影響

3) 當含水率一定時，隨著玄武巖纖維摻入量的增加，土體的內(nèi)摩擦角有小幅度減小，但不明顯。

4) 當玄武巖纖維摻入量一定時，土體的內(nèi)摩擦角隨著含水率的變化亦呈現(xiàn)小幅度減小的趨勢。通過對比粉質(zhì)黏土和玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維摻入量和含水率對內(nèi)摩擦角的影響均很小。

5) 通過對比圖5~8可知：玄武巖纖維摻入量和含水率在改善土體抗剪強度的過程中，主要是改善了土體的黏聚力，而對內(nèi)摩擦角的影響很小。

2.3 玄武巖纖維加筋效果的分析

為更好的評價玄武巖纖維對粉質(zhì)黏土強度的影響，本文特引用加筋效果系數(shù)[14?15]，其定義 如下：

試樣在不同工況下的強度加筋效果系數(shù)如表6所示。通過表6可以得出：玄武巖纖維的加入可以顯著提高粉質(zhì)黏土的剪切強度，并且，在玄武巖纖維摻入量為0.2%，含水率為18.5%時，強度加筋效果最明顯。

表6 加筋效果系數(shù)

3 動三軸試驗結(jié)果和分析

3.1 動剪切模量-動剪應變關(guān)系分析

3.1.1 玄武巖纖維摻入量對動剪切模量?動剪應變關(guān)系的影響分析

圖9是圍壓100 kPa，含水率18.5%情況下，不同玄武巖纖維摻入量的玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土動剪切模量?動剪應變關(guān)系曲線(圖中d為動剪切模量，d為動剪應變)。由圖9可知：

1) 不同玄武巖纖維摻入量的玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土的動剪切模量?動剪應變關(guān)系曲線均呈現(xiàn)非線性衰減趨勢：前期，動剪切模量隨著動剪應變的增加近似呈線性減?。恢衅?，動剪切模量隨著動剪應變的增加呈非線性減??；后期，隨著動剪應變的繼續(xù)增大，動剪切模量趨于定值。

2) 當圍壓以及含水率一定，達到相同動剪應變時，動剪切模量隨著玄武巖纖維摻入量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，玄武巖纖維摻入量在0.2%左右，動剪切模量最大。而且摻入玄武巖纖維的加筋土的動剪切模量均大于素粉質(zhì)黏土的動剪切模量。

圖9 玄武巖纖維摻入量對動剪切模量的影響

3.1.2 含水率對動剪切模量?動剪應變關(guān)系的影響分析

圖10為玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土在同一圍壓和纖維摻入量，不同含水率工況下的動剪切模量?動剪應變曲線，由圖10可知：當圍壓一定，玄武巖纖維摻入量一定，達到相同應變時，動剪切模量隨著含水率的增加，呈現(xiàn)先增后減的趨勢，當含水率為18.5%時，動剪切模量最大。

圖10 含水率對動剪切模量的影響

3.1.3 圍壓對動剪切模量?動剪應變關(guān)系的影響分析

圖11為玄武巖纖維加筋土在同一含水率、玄武巖纖維摻入量，不同圍壓工況下的動剪切模量?動剪應變曲線，由圖11可知：當含水率一定，玄武巖纖維摻入量一定，達到相同應變長度時，動剪切模量隨著圍壓的增而增大。

圖11 圍壓對動剪切模量的影響

3.2 阻尼比?動剪應變關(guān)系分析

玄武巖纖維加筋土阻尼比?動剪應變曲線如圖12~14所示，圖12為玄武巖纖維加筋土在同一圍壓和含水率，不同玄武巖纖維摻入量工況下的阻尼比?動剪應變曲線；圖13為玄武巖纖維加筋土在同一圍壓和纖維摻入量，不同含水率工況下的阻尼比?動剪應變曲線；圖14為玄武巖纖維加筋土在同一含水率、玄武巖纖維摻入量，不同圍壓工況下的阻尼比?動剪應變曲線。

由圖12~14可得：

1) 當圍壓、含水率一定的時候，達到同一應變時，其阻尼比隨著玄武巖纖維摻入量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，玄武巖纖維摻入量為0.2%時阻尼比的值最小。

2) 當圍壓、玄武巖纖維摻入量一定的時候，相同應變對應的阻尼比隨著含水率的變化相對較小，總體變化趨勢為：隨著含水率的增加而先減小后增大，含水率為18.5%時阻尼比的值最小。

3) 當含水率、玄武巖纖維摻入量一定的時候，同一應變對應的阻尼比隨著圍壓的增加而增大。

圖12 玄武巖纖維摻入量對阻尼比的影響

圖13 含水率對阻尼比的影響

圖14 圍壓對阻尼比的影響

4 討論

上述試驗結(jié)果表明，其他參數(shù)不變時，土體的抗剪強度以及動剪切模量隨著圍壓的增大而增大。而產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：隨著圍壓的增大，土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會愈加緊密，從而提高了土體的抗剪切能力和剛度。當纖維的摻入量小于最優(yōu)摻入量0.2%時，土體的抗剪強度和動剪切模量隨著摻入量的增加而增大，其主要原因是越來越多的纖維起到加筋作用，但是當纖維的摻入量超過0.2%時，隨著摻入量的增加，土體的抗剪強度和動剪切模量隨著摻入量的增加而減小，這說明纖維的摻入量并不是越大越好，當纖維的摻入量超過最佳摻入量時，過多的纖維反而會使得土體內(nèi)部形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相應弱化；并且過多的纖維會在土體內(nèi)部形成扎堆抱團的現(xiàn)象或者在土體內(nèi)部形成軟弱結(jié)構(gòu)面，從而使土體結(jié)構(gòu)更容易受到破壞。本次試驗，在最優(yōu)含水率的時候，玄武巖纖維在土體中發(fā)揮的加筋效果是最好的。

5 工程應用分析

根據(jù)上文三軸壓縮試驗結(jié)果的分析可知玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土的抗剪強度均優(yōu)于未加筋粉質(zhì)黏土的抗剪強度，尤其是在100 kPa圍壓下，玄武巖纖維摻入量為0.2%左右、土體含水率在最優(yōu)含水率18.5%時，玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土的抗剪強度更是能達到142 kPa左右，相較于參考文獻[16]中的B組路基填料土質(zhì)中砂(抗剪強度約為95 kPa)以及土質(zhì)礫砂(抗剪強度約為104 kPa)、 [17]中的粉煤灰鐵路路基填料(抗剪強度約為102 kPa)，玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土的抗剪性能更優(yōu)。比較玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土的動剪切模量可知：纖維加筋粉質(zhì)黏土的動剪切模量均明顯提高。因此，在實際工程中，采用玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土能夠有效起到增強路基強度的效果。在本文中，當玄武巖纖維的摻入量在0.2%左右，土體含水率在最優(yōu)含水率18.5%時，加筋效果最優(yōu)。

6 結(jié)論

1) 玄武巖纖維的加入能顯著提高土體的抗剪強度，且這種增強作用在最優(yōu)含水率18.5%，玄武巖纖維摻入量0.2%左右時最顯著。

2) 玄武巖纖維對粉質(zhì)黏土抗剪強度參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在黏聚力的提高上，對內(nèi)摩擦角的影響比較小。

3) 玄武巖纖維加筋土的動剪切模量隨著纖維摻入量以及含水率的增加先增大后減小，臨界值分別為最佳纖維摻入量0.2%左右以及最優(yōu)含水率18.5%；動剪切模量隨著圍壓的增加逐漸增大。

4) 玄武巖纖維加筋土的阻尼比隨著纖維摻入量的增大先減小后增大，隨著圍壓的增加逐漸減小，而含水率對阻尼比的影響比較小。

5) 在本文中，當玄武巖纖維的摻入量在0.2%左右，土體含水率在最優(yōu)含水率18.5%時，加筋效果最優(yōu)。

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Experimental investigation on the static and dynamic characteristics of silty clay reinforced with basalt fiber

LIU Tao

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan 430063, China)

Basalt fiber, a new type of environment protection and high-performance soil reinforcement material, shows different static and dynamic characteristics than general geosynthetics. In order to study the static and dynamic characteristics of silty clay reinforced with basalt fiber, triaxial compression test and cyclic triaxial test were carried out. The influences of the content of basalt fiber and soil moisture content on shear strength, shear modulus and damping ratio of silty clay were analyzed. The results show that the addition of basalt fiber can significantly improve shear strength of the soil. The influence of fiber on shear strength parameters of silty clay is mainly reflected in the increase of cohesion, whereas the influence on internal friction angle is relatively small. Shear strength of the soil reaches its maximum value at the moisture content level of 18.5%. When the strain remains constant, the shear modulus of the soil increases initially and then decreases with increasing basalt fiber content and moisture content. The damping ratio decreases initially and then increases with increasing basalt fiber content, while the moisture content has little effect on the damping ratio. In general, the static and dynamic characteristics of silty clay can be improved significantly under the combination of optimal moisture content of 18.5% and optimal basalt fiber content of 0.2%. The results could provide a basis for the design of subgrade soils reinforced with basalt fiber.

basalt fiber; triaxial compression test; dynamic triaxial test; shear strength; shear modulus; damping ratio

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200131

TU45

A

1672 ? 7029(2020)07? 1734 ? 09

2020?02?21

國家自然科學基金資助項目(51608533)

柳濤(1970?)，男，浙江龍泉人，高級工程師，從事路基工程研究；E?mail：315358442@qq.com

(編輯 蔣學東)