胡 成，翁興中，張 俊，高 瑞，盧昌鑫

(1.空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院，陜西 西安 710038；2.西部戰(zhàn)區(qū)空軍軍檢站，陜西 西安 710082；3.中國(guó)人民解放軍 空軍房地產(chǎn)管理局蘭州房地產(chǎn)管理處，甘肅 蘭州 730020)

0 引言

水泥土作為一種施工簡(jiǎn)便、強(qiáng)度較高、對(duì)土質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)的材料，適合于簡(jiǎn)易機(jī)場(chǎng)跑道的快速修建，但應(yīng)用研究中發(fā)現(xiàn)水泥土存在易開(kāi)裂、水穩(wěn)性不良、荷載作用下產(chǎn)生脆性破壞等問(wèn)題，對(duì)此國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)方面，楊博瀚等[1]研究發(fā)現(xiàn)水泥加固黃土呈現(xiàn)明顯脆性破壞特征，但改性聚丙烯纖維的加入使其破壞特征由脆性破壞向延性、塑性破壞過(guò)渡，顯著增強(qiáng)了濕陷性黃土力學(xué)性能；劉羽健等[2]研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維可以有效提高固化黃土的劈裂抗拉強(qiáng)度，當(dāng)纖維長(zhǎng)度為12 mm時(shí)效果最好，且發(fā)現(xiàn)混雜纖維不能顯著提高固化黃土無(wú)側(cè)限劈裂抗拉強(qiáng)度；沈飛凡等[3]發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維可以有效抑制膨脹土體變形，且存在最優(yōu)纖維摻率，同時(shí)認(rèn)為纖維主要增強(qiáng)的是土體的黏聚力；姜宇波等[4]研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維可以有效提高鹽漬土抗壓強(qiáng)度及抗變形能力，且纖維加筋率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響大于纖維長(zhǎng)度；王天等[5]對(duì)比了聚丙烯纖維改良石灰土、水泥土和素土的效果，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維的加入能夠成倍提高石灰土和水泥土的強(qiáng)度，且在水泥土中加入纖維效果最好；施利國(guó)等[6]研究發(fā)現(xiàn)，與普通灰土相比，聚丙烯纖維加筋灰土可以使灰土峰值偏應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度均有不同幅度提高；劉寒冰[7]等研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維的加入能夠極大地提高粉煤灰土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；王偉等[8]研究發(fā)現(xiàn)分散性好的束狀單絲聚丙烯纖維非常適合加固黏性土，且最佳摻量為土質(zhì)量的0.2%；周世宗[9]研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維可以有效提高固化淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，且纖維長(zhǎng)度對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響小于纖維摻量和水泥摻量的影響；鄭俊杰等[10]研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維可以有效提高微生物固化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，纖維長(zhǎng)度對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響與纖維摻量有關(guān)，且當(dāng)纖維摻量為0.3%和纖維長(zhǎng)度為20 mm時(shí)效果最優(yōu)；張丹等[11]研究發(fā)現(xiàn)摻入一定量的玄武巖纖維，可以在一定程度上提高膨脹土的強(qiáng)度參數(shù)，使膨脹土的收縮系數(shù)顯著下降。國(guó)外方面，Maher和Ho[12]研究發(fā)現(xiàn)隨機(jī)分布的纖維顯著增強(qiáng)了高嶺土的峰值抗壓強(qiáng)度、延性、劈裂抗拉強(qiáng)度和彎曲韌性；Kumar等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)黏土的UCS隨纖維摻量的增加而增加，且當(dāng)摻入適量砂后其強(qiáng)度進(jìn)一步增加；Zaimoglu等[15-16]對(duì)聚丙烯纖維加筋細(xì)粒土經(jīng)受凍融循環(huán)后的強(qiáng)度和耐久性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)加筋土強(qiáng)度損失較未加筋土降低50%左右，凍融循環(huán)后試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨纖維含量的增加而增加；Ghazavi和Roustaie[17]研究發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)增加使試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低了20%～25%，3%摻量的聚丙烯纖維可導(dǎo)致凍融循環(huán)前后土樣相比素土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加60%～160% ；Pradhan等[18]研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維增加了土壤的峰值和殘余剪切強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR值，纖維最佳摻量為干土重的0.4%～0.8%；Hamidi和Hooresfand[19]研究發(fā)現(xiàn)，纖維的摻入增加了加固土的峰值和殘余剪切強(qiáng)度，使其脆性破壞模式變?yōu)檠有云茐哪Ｊ健?/p>

從上述文獻(xiàn)可以看出，聚丙烯纖維和玄武巖纖維都能較好地提高加固土的力學(xué)性能，改善其脆性破壞模式，但上述研究大多針對(duì)的是單一土質(zhì)，且材料上對(duì)纖維加筋土的研究仍不充分，尤其是對(duì)粗聚丙烯纖維以及粗細(xì)混摻聚丙烯纖維加筋水泥土的研究少。因此以纖維種類(lèi)、加筋長(zhǎng)度、質(zhì)量加筋率和土的種類(lèi)在浸水條件下對(duì)纖維加筋水泥土抗壓性能的影響為研究目的，進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其結(jié)果可為工程上提高水泥土抗壓性能提供具體依據(jù)。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)土樣分別取自西安、三亞和庫(kù)爾勒地區(qū)，測(cè)得液限、塑限、塑性指數(shù)如表1所示。水泥為冀東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥(3.10 g/cm3)，水泥摻量以干土質(zhì)量百分比計(jì)，分別為6%，8%和10%。選用3個(gè)品種，不同長(zhǎng)度規(guī)格的纖維，分別是玄武巖纖維(長(zhǎng)度為6，12，20 mm，直徑為15 μm)，細(xì)聚丙烯纖維(長(zhǎng)度為6，12，19，24 mm，直徑為30 μm)和粗聚丙烯纖維(長(zhǎng)度為28，38，8 mm，直徑為0.8 mm)。纖維摻量以素干土質(zhì)量百分比計(jì)，玄武巖和細(xì)聚丙烯纖維為0.1%，0.2%，0.3%，0.6%，0.8%和1.0%，粗聚丙烯纖維為0.1%，0.2%，0.3%，0.6%，0.8%，1.0%和1.2%。通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)得到土樣的最佳含水率和最大干密度如表2所示，按照最佳含水率和最大干密度制備圓柱體試件(D50 mm×H50 mm)，并使用路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀進(jìn)行素土、水泥穩(wěn)定土和纖維加筋水泥穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(unconfined compressive strength，簡(jiǎn)寫(xiě)為UCS)試驗(yàn)。由于粗聚丙烯纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為防止纖維露出，其試樣尺寸定為D100 mm×H100 mm，同時(shí)制作尺寸為D100 mm×H100 mm的水泥土，將纖維加筋水泥土強(qiáng)度與水泥土強(qiáng)度之比作為粗聚丙烯纖維與其他種類(lèi)纖維加筋水泥土強(qiáng)度對(duì)比指標(biāo)，以消除尺寸對(duì)強(qiáng)度的影響。

表1 液限、塑限和塑性指數(shù)測(cè)定結(jié)果

表2 土樣的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同水泥摻量水泥土UCS變化規(guī)律

對(duì)3種土樣不同水泥摻量的水泥土和素土進(jìn)行了養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，未浸水和浸水條件下UCS試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從結(jié)果中可以看出同等條件下，水泥土抗壓性能西安土最好，三亞土次之，庫(kù)爾勒土最差，主要是由于庫(kù)爾勒土為砂質(zhì)土所致；同時(shí)經(jīng)過(guò)飽水養(yǎng)護(hù)的試樣UCS小于未浸水處理試樣，且經(jīng)過(guò)水泥固化后，可以明顯提高試樣抗壓性能，能滿(mǎn)足機(jī)場(chǎng)對(duì)基層的強(qiáng)度要求，試樣UCS隨著水泥摻量的增加而增大。當(dāng)水泥摻量為8%時(shí)，水泥土強(qiáng)度已滿(mǎn)足簡(jiǎn)易機(jī)場(chǎng)對(duì)基層強(qiáng)度的要求，且水泥摻量越高相應(yīng)的工程造價(jià)也越高，因此在后面加筋水泥土研究當(dāng)中以8%摻量的水泥土基體為準(zhǔn)。同時(shí)考慮到水泥土水穩(wěn)性不足會(huì)降低其抗壓性能，而這也是水泥土簡(jiǎn)易機(jī)場(chǎng)實(shí)際工程中比較突出的問(wèn)題，因此后面研究對(duì)象都是7 d齡期飽水養(yǎng)護(hù)后的試樣。

表3 不同水泥摻量水泥土UCS

2.2 玄武巖纖維加筋水泥土UCS變化規(guī)律

對(duì)于玄武巖纖維加筋8%水泥土試樣，進(jìn)行了7 d 齡期飽水養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，3種玄武巖纖維加筋水泥土UCS隨著纖維摻量增加均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，表明玄武巖纖維存在一個(gè)最佳摻量，西安土、三亞土和庫(kù)爾勒土的玄武巖纖維最佳摻量分別為0.3%, 0.6%和0.3%；當(dāng)纖維摻量過(guò)多時(shí)，在加筋加固土制樣時(shí)就會(huì)產(chǎn)生明顯的裂縫形態(tài), 如圖7(a)所示。從圖7(b)中可以明顯看出由于過(guò)量纖維聚集，在試樣內(nèi)形成薄弱面，制樣時(shí)纖維難以壓縮，造成脫模后纖維發(fā)生回彈，帶動(dòng)土體張拉，導(dǎo)致試樣表面產(chǎn)生裂縫。

圖1 玄武巖纖維加筋水泥土UCS曲線(xiàn)Fig.1 UCS curves of basalt fiber reinforced cement soil

因此，在工程實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)針對(duì)工程擬建設(shè)地點(diǎn)的土質(zhì)和相應(yīng)的固化劑找到纖維的最優(yōu)摻量，以最大限度地利用纖維對(duì)加固土強(qiáng)度的提高作用。從圖中也可看出，不同長(zhǎng)度的玄武巖纖維試樣強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度有差別，西安土和三亞土試樣強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度變化較大，但庫(kù)爾勒土的則較小。其原因是玄武巖纖維分散性不好，在成型試樣表面可以明顯看到成束狀集聚狀態(tài)的纖維，纖維長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，同等拌和條件下，其拌和均勻性越差；而庫(kù)爾勒土對(duì)纖維長(zhǎng)度敏感性較低的原因可能是庫(kù)爾勒土偏砂性，砂礫含量較高，而砂礫在纖維、土進(jìn)行拌和過(guò)程中有利于纖維打散，提高纖維在土體中的均勻性。

2.3 細(xì)聚丙烯纖維加筋水泥土UCS變化規(guī)律

圖2 細(xì)聚丙烯纖維加筋水泥土UCS曲線(xiàn)Fig.2 UCS curves of fine polypropylene fiber reinforced cement soil

對(duì)于細(xì)聚丙烯纖維加筋8%水泥土試樣，進(jìn)行了7 d齡期飽水養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，西安土和三亞土試樣UCS均隨著細(xì)聚丙烯纖維摻量提高而增大，且當(dāng)纖維摻量較高時(shí)(大于0.6%)此強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度更大，在所研究的摻量范圍內(nèi)(最大1%)，纖維加筋土試樣沒(méi)有出現(xiàn)高摻量纖維強(qiáng)度反而降低的情況。原因是細(xì)聚丙烯纖維在水泥土中分散性較好，能較為均勻地分散于土體中，纖維與水泥土間的黏聚力和摩擦力將土體更好地連接在一起，并分散試樣所受到的壓力，起到很好的加筋作用，其良好的分散性使得纖維在土體中形成薄弱面的幾率大大減少。圖3為光學(xué)顯微鏡拍攝的細(xì)聚丙烯纖維形態(tài)圖片，可見(jiàn)自然狀態(tài)下細(xì)聚丙烯纖維呈比較松散的束狀，加入土體后能較好地均勻分散于土體，呈交叉網(wǎng)絡(luò)型分布，起到“橋梁”作用，纖維與土體間的黏聚力和摩擦力及纖維與纖維間摩擦力在將土體不同部分緊密連接的同時(shí)將力分散，減少應(yīng)力集中，提高試樣承載力。細(xì)聚丙烯纖維加筋西安和三亞水泥土試樣，隨著纖維長(zhǎng)度的增加，UCS變化規(guī)律不明顯，在纖維摻量不太高時(shí)(0.8%以下)，12 mm長(zhǎng)度細(xì)聚丙烯纖維加筋水泥土強(qiáng)度已經(jīng)處于較高水平，對(duì)于西安土試樣4種長(zhǎng)度纖維加筋水泥土試樣強(qiáng)度差異不大，而對(duì)于三亞土試樣長(zhǎng)度高于12 mm的纖維加筋水泥土強(qiáng)度接近(19 mm纖維)或者小于(24 mm纖維)12 mm纖維加筋水泥土試樣。因此考慮經(jīng)濟(jì)和增強(qiáng)效果，細(xì)聚丙烯纖維的理想長(zhǎng)度和摻量分別為12 mm和0.8%。

圖3 細(xì)聚丙烯纖維形態(tài)Fig.3 Morphology of fine polypropylene fiber

2.4 粗聚丙烯纖維加筋水泥土UCS變化規(guī)律

對(duì)于粗聚丙烯纖維加筋8%水泥土試樣，進(jìn)行了7 d齡期飽水養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4中可看出，除了38 mm和48 mm長(zhǎng)粗聚丙烯纖維加筋西安水泥土和48 mm長(zhǎng)粗聚丙烯纖維加筋三亞水泥土。隨著纖維摻量提高，粗聚丙烯纖維加筋水泥土試樣強(qiáng)度均逐漸提高。以0.8%纖維摻量為例，28，38 mm 和48 mm長(zhǎng)粗聚丙烯纖維加筋水泥土UCS相比水泥土UCS，西安土分別提高了19.1%，22.3%和20.5%，三亞土分別提高了38.7%，60.6%和38.7%，而庫(kù)爾勒土分別提高了26.4%，41.9%和41.5%，表明粗聚丙烯纖維對(duì)水泥土強(qiáng)度的增強(qiáng)效果較好。這是由于粗聚丙烯纖維直徑較大，自然狀態(tài)下不會(huì)聚集在一起，加入土體后更易分散，不易形成軟弱面，圖5為光學(xué)顯微鏡拍攝的粗聚丙烯纖維形態(tài)圖片。不同長(zhǎng)度的粗聚丙烯纖維對(duì)3種土樣的水泥土試樣強(qiáng)度影響規(guī)律不同，特別是對(duì)西安土和三亞土，但整體來(lái)看，38 mm長(zhǎng)粗聚丙烯纖維加筋效果最好。當(dāng)纖維長(zhǎng)度為38 mm時(shí)，隨著纖維摻量提高，粗聚丙烯纖維加筋庫(kù)爾勒水泥土試樣強(qiáng)度逐漸提高?？紤]經(jīng)濟(jì)性，實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于庫(kù)爾勒土其纖維摻量宜控制在0.8%～1.0%之間，而對(duì)于西安土和三亞土，當(dāng)纖維長(zhǎng)度為38 mm時(shí)最佳摻量分別為1.0%和0.8%。因此綜合考慮后，粗聚丙烯纖維的理想長(zhǎng)度為38 mm，理想摻量為0.8%。

圖4 粗聚丙烯纖維加筋水泥加固土UCS曲線(xiàn)Fig.4 UCS curves of coarse polypropylene fiber reinforced cement soil

圖5 粗聚丙烯纖維形態(tài)Fig.5 Morphology of coarse polypropylene fiber

2.5 粗細(xì)混摻聚丙烯纖維加筋水泥土UCS變化規(guī)律

本研究提出粗細(xì)混摻聚丙烯纖維加筋水泥土出于以下考慮，從材料上來(lái)說(shuō)，玄武巖纖維分散性不好，在成型試樣表面可以明顯看到成束狀集聚狀態(tài)的纖維，而粗細(xì)聚丙烯纖維的分散性都較好，在拌和結(jié)束后可以較為均勻地分散于土體中；從強(qiáng)度上來(lái)說(shuō)，本研究比較了摻量為0.8%的38 mm長(zhǎng)粗聚丙烯纖維加筋水泥土和摻量為0.6%的12 mm長(zhǎng)細(xì)聚丙烯纖維和玄武巖纖維加筋水泥土分別相比水泥土的強(qiáng)度提高百分比，見(jiàn)表4。從表中可以看出，粗、細(xì)聚丙烯纖維加筋水泥土強(qiáng)度提高百分比處于較高的水平，且粗、細(xì)聚丙烯纖維加筋水泥土強(qiáng)度值本身也較高，對(duì)3種土質(zhì)都超過(guò)3 MPa，除細(xì)聚丙烯纖維加筋三亞水泥土強(qiáng)度(3.11 MPa)，其余試樣都超過(guò)或者接近4 MPa。在將粗細(xì)纖維混摻時(shí)兩者是一種“替代”關(guān)系，不是將兩者摻量直接相加，因此，本試驗(yàn)選擇粗聚丙烯纖維摻量(dosage of thin fiber，記為DTF)為0.3%和0.6%，長(zhǎng)度為38 mm；細(xì)聚丙烯纖維摻量(dosage of corase fiber，記為DCF)為0.2%和0.3%，細(xì)聚丙烯纖維長(zhǎng)度(length of thin fiber，記為L(zhǎng)TF)為6，12,19 mm和24 mm。對(duì)粗細(xì)混摻聚丙烯纖維加筋8%水泥土試樣，進(jìn)行了7 d齡期飽水養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。整體來(lái)看當(dāng)粗聚丙烯纖維摻量為0.6%的混摻纖維加筋水泥土強(qiáng)度要高于對(duì)應(yīng)的粗聚丙烯纖維摻量為0.3%的強(qiáng)度，但當(dāng)混摻纖維中粗聚丙烯纖維摻量為0.3%時(shí)混摻纖維加筋水泥土的強(qiáng)度基本都超過(guò)或十分接近4 MPa，已經(jīng)滿(mǎn)足簡(jiǎn)易機(jī)場(chǎng)所需強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，而0.3%粗聚丙烯纖維+0.3%細(xì)聚丙烯纖維的組合強(qiáng)度要高于0.3%粗聚丙烯纖維+0.2%細(xì)聚丙烯纖維組合，且基本是細(xì)聚丙烯纖維長(zhǎng)度為12 mm時(shí)試樣的強(qiáng)度最高; 0.3%粗聚丙烯纖維(38 mm)+丙烯纖維(12 mm)組合的總體纖維摻量水平不算太高，適用于簡(jiǎn)易機(jī)場(chǎng)；而0.6%粗聚丙烯纖維+0.3%細(xì)聚丙烯纖維(24 mm)的組合在其他需更高強(qiáng)度水平的應(yīng)用場(chǎng)景中具有很大應(yīng)用潛力。

表4 選定條件下3種纖維加筋水泥土強(qiáng)度對(duì)比

表5 粗細(xì)混摻聚丙烯纖維加筋水泥土UCS

2.6 應(yīng)力-應(yīng)變特性和試樣破壞形態(tài)分析

圖6 水泥固化西安土或纖維加筋水泥固化西安土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.6 Stress-strain curves of Xi’an cement reinforced soil or Xi’an fiber reinforced cement soil

圖7 不同狀態(tài)下試樣的形態(tài)Fig.7 Shapes of specimens in different states

圖6為水泥固化西安土和纖維加筋固化西安土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖，其中纖維加筋固化西安土水泥摻量均為8%，玄武巖纖維和細(xì)聚丙烯纖維長(zhǎng)12 mm，粗聚丙烯纖維長(zhǎng)38 mm，粗細(xì)聚丙烯纖維混摻時(shí)細(xì)聚丙烯纖維摻量均為0.3%。從水泥固化西安土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)我們可以看出，素土試樣受力破壞過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)較為平緩，最大應(yīng)力值較小，而水泥加固土試樣破壞應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)應(yīng)力值增長(zhǎng)較快且最大應(yīng)力值較大，但在達(dá)到最大值后很快下降，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征，見(jiàn)圖7(c)。試樣破壞時(shí)表面裂縫條數(shù)較少且縫寬較寬，破壞面的環(huán)形剪切面較為明顯，試樣呈倒錐形；從玄武巖纖維、粗、細(xì)聚丙烯纖維單獨(dú)加筋水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)可以看出，各加筋土試件初始應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)重合性較好，曲線(xiàn)較為陡直，應(yīng)力增加速率遠(yuǎn)大于應(yīng)變速率，說(shuō)明摻入纖維使試件在初始受荷階段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了提高，體現(xiàn)出較強(qiáng)的抗裂補(bǔ)強(qiáng)效果[1]；當(dāng)纖維摻量較低時(shí)，試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)與水泥土試樣相似，應(yīng)力在達(dá)到最大值后下降迅速，試樣的破壞依然表現(xiàn)出較為明顯的脆性破壞特征，如玄武巖纖維摻量小于0.8%，細(xì)聚丙烯纖維摻量小于0.6%和粗聚丙烯纖維摻量小于0.2%時(shí)；隨著纖維摻量的提高，纖維加筋水泥土試樣的峰后應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)趨于平緩，殘余強(qiáng)度越來(lái)越大，說(shuō)明纖維的加入有效改善了試樣的脆性破壞模式，表現(xiàn)在試樣破壞時(shí)，表面裂縫條數(shù)增加且寬度減小，同時(shí)細(xì)密的非貫通裂縫和斜裂縫大量出現(xiàn)，見(jiàn)圖7(d)。而當(dāng)粗纖維摻量為0.3%和0.6%時(shí)，不同長(zhǎng)度情況下的粗細(xì)聚丙烯纖維混摻試樣的峰后應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)總體均趨于平緩，表明其脆性破壞模式得到了有效的改善。從改善水泥土脆性破壞模式所需纖維摻量來(lái)看，粗聚丙烯纖維效果較好，細(xì)聚丙烯纖維次之，玄武巖纖維最差，同時(shí)粗細(xì)混摻聚丙烯纖維在不同長(zhǎng)度組合下均能達(dá)到較好的改善效果。

2.7 纖維加筋水泥土增強(qiáng)機(jī)理分析

纖維主要是通過(guò)與水泥土的黏聚、摩擦、嵌鎖作用以及纖維之間形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)其抗壓性能。其中，黏聚作用主要是通過(guò)纖維同水泥與土顆粒形成的膠凝顆粒之間的黏聚力而產(chǎn)生，且對(duì)于纖維加筋水泥土，水泥對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)要大于纖維；而當(dāng)土體受力時(shí)纖維與土體之間產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)，纖維與土體之間的摩阻力會(huì)產(chǎn)生摩擦作用，以阻礙土體變形，從而起到增強(qiáng)作用；嵌鎖作用主要是針對(duì)纖維表面凹凸不平以及纖維存在較多彎曲的情況，此時(shí)纖維會(huì)與土體相嵌，當(dāng)土體受力時(shí)，阻礙其變形；纖維形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)纖維與纖維之間的拉結(jié)作用，來(lái)增強(qiáng)土體抗壓性能，見(jiàn)圖3(b)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在纖維摻量適宜的情況下，隨著纖維摻量的增加，其UCS逐漸增大(如細(xì)聚丙烯纖維加筋三亞水泥土)，這是因?yàn)槔w維與土體的黏聚作用與摩擦作用均與纖維、土體的接觸面積呈正相關(guān)。分散良好條件下，接觸面積越大其黏聚作用與摩擦作用越大，且此時(shí)的纖維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也較好，因此纖維增強(qiáng)效果越好。但當(dāng)纖維摻量過(guò)量時(shí)，纖維不能得到有效的分散，會(huì)在纖維聚集的地方形成薄弱面(圖7(d))，因此會(huì)降低其增強(qiáng)效果，甚至起反作用。長(zhǎng)度也可以通過(guò)影響纖維與土體的接觸面積來(lái)影響其增強(qiáng)效果，但是相比纖維摻量，其影響效果較小。同時(shí)不同長(zhǎng)度下壓縮破壞形式不一，當(dāng)長(zhǎng)度較短時(shí)主要是纖維與土體間產(chǎn)生滑動(dòng)，從而使纖維加筋作用失效；而當(dāng)纖維長(zhǎng)度較大時(shí)，外力會(huì)使纖維斷裂從而使纖維加筋作用失效。因此當(dāng)纖維長(zhǎng)度適宜(玄武巖纖維和細(xì)聚丙烯纖維為12 mm,粗聚丙烯纖維為38 mm)，能使纖維抗拉強(qiáng)度與其所承受的拉應(yīng)力相當(dāng)時(shí)，纖維的加筋作用就能夠充分得到發(fā)揮，相應(yīng)纖維加筋水泥土的抗壓性能最好。同時(shí)，在本研究中，粗聚丙烯纖維由于其特殊的表面構(gòu)造(圖4)使其與土體之間還存在較大的嵌鎖力，對(duì)土體抗壓性能的增強(qiáng)效果較好。對(duì)于粗細(xì)聚丙烯纖維混摻加筋水泥土，其對(duì)土體性能增強(qiáng)在于充分發(fā)揮了粗細(xì)聚丙烯纖維各自的優(yōu)點(diǎn)，且兩者相組合所形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)土體性能增強(qiáng)效果更強(qiáng)，更強(qiáng)體現(xiàn)在強(qiáng)度與改善脆性破壞模式上，以上分析表明，相比于單種纖維加筋，粗細(xì)混摻聚丙烯纖維加筋水泥土的強(qiáng)度與脆性破壞模式的改善效果均更好。

3 結(jié)論

(1)相較于素土，水泥固化西安、三亞和庫(kù)爾勒土7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有較大的提高，隨著水泥摻量提高，強(qiáng)度逐漸提高，當(dāng)水泥摻量為8%時(shí)UCS已滿(mǎn)足簡(jiǎn)易機(jī)場(chǎng)的強(qiáng)度要求，且3種土中水泥固化西安土的效果最好；同時(shí)水泥的固化作用較大地提高了3種土的水穩(wěn)定性，飽水養(yǎng)護(hù)下水泥固化西安土、三亞土、庫(kù)爾勒土的水穩(wěn)定性系數(shù)分別在0.44～0.78，0.53～0.73和0.72～0.98之間；水泥加固土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)峰后下降很快，表現(xiàn)出脆性破壞特征。

(2)纖維的加入可以繼續(xù)提高水泥土的UCS，選取的3種纖維中，玄武巖纖維分散性不良，在土體中以集束狀態(tài)為主，細(xì)聚丙烯纖維和粗聚丙烯纖維分散性較好，在土體中以單絲狀態(tài)為主，適合用于纖維加筋水泥土；纖維加筋水泥土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)峰后下降緩慢，纖維有效改善了水泥土脆性破壞模式。

(3)細(xì)聚丙烯纖維、粗聚丙烯纖維以及粗細(xì)混摻聚丙烯纖維增強(qiáng)效果較好，細(xì)聚丙烯纖維理想的長(zhǎng)度和摻量為12 mm和0.8%；粗聚丙烯纖維理想的長(zhǎng)度和摻量為38 mm和0.8%;粗細(xì)混摻聚丙烯纖維理想的組合為38 mm長(zhǎng)粗聚丙烯纖維(摻量為0.3%)+12 mm長(zhǎng)細(xì)聚丙烯纖維(摻量為0.3%)。

(4)相較于單種纖維加筋，粗細(xì)聚丙烯纖維混摻加筋對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)與脆性破壞模式的改善效果更好。