錢(qián)健， 周琳， 楊建冬， 張偉清， 姜屏

(紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院， 浙江 紹興 312000)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施也在不斷發(fā)展。而路基是整個(gè)道路結(jié)構(gòu)的重要組成部分，路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性直接影響道路的使用安全。但一般的路基土由于強(qiáng)度和穩(wěn)定性不夠無(wú)法直接用作路基填料，因此需要對(duì)路基土進(jìn)行改性處理。

目前對(duì)路基填料的處治主要使用石灰[1-4]、粉煤灰[5]、水泥[6]等固化劑對(duì)其進(jìn)行化學(xué)改良，大量研究表明：在土體中加入石灰能大大提高土體的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。雖然石灰土的抗壓性能很好，但抗拉性能差，脆性高，容易開(kāi)裂。而道路裂縫的產(chǎn)生跟抗拉強(qiáng)度有關(guān)，因此工程中通常摻加纖維來(lái)提高土體的抗拉強(qiáng)度和改善其脆性。

纖維主要是通過(guò)纖維與土壤顆粒之間的界面摩擦力和空間約束效應(yīng)來(lái)提高土體的力學(xué)性能和耐久性，研究人員對(duì)此已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。徐洪鐘等[7]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了玄武巖纖維膨脹土的強(qiáng)度特性，結(jié)果表明：摻入纖維能提高土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度；Estabragh等[8]通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究了聚丙烯纖維對(duì)水泥土力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)：在水泥摻量一定的情況下，纖維摻量和長(zhǎng)度的增加能提高水泥土抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度；阮波等[9]通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究了玻璃纖維對(duì)紅黏土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維能顯著提高紅黏土的抗壓強(qiáng)度，且強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度增加而增加，隨纖維摻量增加強(qiáng)度先增加后減?。籅oz等[10]通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究了聚丙烯纖維和玄武巖纖維對(duì)石灰土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)不加石灰的情況下兩種纖維均能提高土體的強(qiáng)度，而加了石灰的情況下聚丙烯纖維對(duì)石灰土強(qiáng)度提升顯著高于玄武巖纖維。以上研究表明：纖維能顯著提高土體的強(qiáng)度，但對(duì)于土體脆性與韌性的研究還不是很完善。

除了強(qiáng)度之外，還有彈性模量、脆性指數(shù)、韌性指數(shù)[11]也是路基材料的重要力學(xué)參數(shù)。該文選用常用的4種纖維：聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維和碳纖維，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究4種纖維對(duì)石灰土力學(xué)性能和各力學(xué)指標(biāo)的影響，旨在得出對(duì)石灰土改性效果最好的纖維。

1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用路基土來(lái)自浙江紹興某工地，所用石灰為生石灰，所用纖維分別為聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、碳纖維，纖維主要物理參數(shù)如表1所示。

表1 4種纖維的物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究7 d齡期下4種不同纖維石灰土的力學(xué)特性。石灰摻量固定為6%；纖維摻量分別為0、0.5%、0.75%、1%；含水率取最優(yōu)含水率17.5%；養(yǎng)護(hù)方式為7 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[12]，試樣為φ50 mm×50 mm的圓柱形，每組摻量做6個(gè)試樣。纖維石灰土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)步驟如下：

(1) 土樣制備。將原狀土烘干后搗碎，過(guò)2 mm的篩，得到路基土樣。根據(jù)試驗(yàn)方案把稱(chēng)好的石灰與路基土充分?jǐn)嚢?，再加水?dāng)嚢?，然后加入纖維攪拌均勻，得到混合料，最后將混合料裝入保鮮袋中浸潤(rùn)24 h。

(2) 試樣制備。先將混合料分兩次裝入涂抹好機(jī)油的試模中。隨后將整個(gè)試模放入壓力試驗(yàn)機(jī)上，以1 mm/min的加載速率加壓，直到上下墊塊都?jí)喝朐嚹橹?，維持壓力2 min，壓實(shí)度控制為95%。接著把試模放到脫模器上將試樣頂出，最后將試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中，養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2) ℃，相對(duì)濕度為95%，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，養(yǎng)生期最后一天將試樣取出，浸水養(yǎng)護(hù)1 d。

(3) 試樣測(cè)試。對(duì)浸水養(yǎng)護(hù)后的試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為全自動(dòng)多功能無(wú)側(cè)限抗壓機(jī)，加載速率為1 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)前期發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)1 d浸水養(yǎng)護(hù)后， 1%纖維摻量的GLS、BLS與CLS試樣發(fā)生破壞，無(wú)法獲得數(shù)據(jù)。

從應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征、抗拉性能、延性和韌性幾方面比較4種纖維對(duì)石灰土的提升效果，旨在得出哪種纖維效果最好。

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到各配比纖維石灰土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示。

從圖1可以看出：石灰土和纖維石灰土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都是軟化型曲線，應(yīng)力隨應(yīng)變先增大后減小。其中PLS的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變隨纖維摻量增加逐漸增大；GLS與BLS的峰值應(yīng)力都隨纖維摻量增加先減小后增大，峰值應(yīng)變都隨纖維摻量增加逐漸增大；CLS的峰值應(yīng)力隨纖維摻量增加逐漸減小，峰值應(yīng)變隨纖維摻量增加逐漸增大。

綜上所述，聚丙烯纖維對(duì)石灰土抗壓強(qiáng)度的提升效果最好，不僅能夠提升強(qiáng)度，還能增加石灰土的延性。且最佳摻量為1%。

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可得到各配比纖維石灰土的峰值強(qiáng)度qu、殘余強(qiáng)度qc和彈性模量E，其中殘余強(qiáng)度取峰值應(yīng)變?cè)黾?%應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，結(jié)果如表3所示。

2.2 模強(qiáng)比

通常用彈性模量來(lái)描述材料抵抗變形的能力。從表3可以看出：石灰土的彈性模量與強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)度越大，彈性模量越大。并且加入聚丙烯纖維后石灰土的彈性模量增大，而加入其他纖維時(shí)則減小。

表3 各配比纖維石灰土的qu、qc、E

為了更好地描述纖維石灰土抵抗變形的能力，該文引入模強(qiáng)比λ[13]的概念。模強(qiáng)比是彈性模量E與強(qiáng)度qu的比值，用式(1)來(lái)計(jì)算：

(1)

圖1 不同纖維石灰土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

相比于彈性模量，模強(qiáng)比不僅能夠描述材料抵抗變形的能力，而且能夠描述材料的抗拉性能，模強(qiáng)比越小，說(shuō)明材料抵抗變形的能力越強(qiáng)，抗拉性能越好。

根據(jù)表3和式(1)計(jì)算各配比纖維石灰土的模強(qiáng)比，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同纖維石灰土的模強(qiáng)比

從表3和圖2可以看出：摻入纖維都會(huì)使石灰土的模強(qiáng)比減小。PLS的彈性模量隨纖維摻量增加逐漸增大，模強(qiáng)比逐漸減小。GLS的彈性模量和模強(qiáng)比都隨纖維摻量增加逐漸減小。BLS的彈性模量和模強(qiáng)比都隨纖維摻量增加先減小后增大，在纖維摻量為0.5%時(shí)達(dá)到最小。CLS的彈性模量和模強(qiáng)比都隨纖維摻量增加逐漸減小。因此，摻入纖維能夠提高石灰土的模強(qiáng)比，但除了聚丙烯纖維，其他3種纖維都會(huì)降低石灰土的彈性模量。綜合來(lái)說(shuō)，聚丙烯纖維對(duì)石灰土抵抗變形能力和抗拉性能的提升效果是最好的。

2.3 脆性指數(shù)

通常用脆性指數(shù)IB[14]來(lái)描述材料的延性，脆性指數(shù)越小，說(shuō)明材料的延性越好，用式(2)來(lái)計(jì)算：

(2)

根據(jù)表3和式(2)計(jì)算各配比纖維石灰土的脆性指數(shù)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同纖維石灰土的脆性指數(shù)

從圖3可以看出：PLS、 BLS和CLS的脆性指數(shù)都隨纖維摻量增加逐漸減小。GLS的脆性指數(shù)隨纖維摻量增加先增加后減小，在纖維摻量為0.5%時(shí)達(dá)到最大。綜上所述，加入聚丙烯纖維后，石灰土的脆性指數(shù)下降幅度最大，而其他3種纖維加入之后的脆性指數(shù)下降幅度不大。因此對(duì)石灰土的脆性改善效果最好的纖維是聚丙烯纖維，且纖維摻量為1%。

2.4 韌性指數(shù)

韌性指數(shù)TI[11]指材料完全失效時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變能，用來(lái)描述材料的韌性，TI值越大說(shuō)明材料的韌性越好，破壞時(shí)吸收的應(yīng)力-應(yīng)變能越大，也能間接說(shuō)明材料的強(qiáng)度高，用式(3)來(lái)計(jì)算：

(3)

式中：Ac-Au為圖4中的面積；εc為殘余應(yīng)變；εu為峰值應(yīng)變。

圖4 韌性指數(shù)計(jì)算圖示

根據(jù)式(3)計(jì)算各組試樣的韌性指數(shù)TI，見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出：PLS的韌性指數(shù)隨纖維摻量增加逐漸增大。GLS和CLS的韌性指數(shù)隨纖維摻量增大逐漸減小。BLS的韌性指數(shù)隨纖維摻量增加先減小后增大，在纖維摻量為0.5%時(shí)達(dá)到最小。綜上所述，加入聚丙烯纖維后，石灰土的韌性指數(shù)提升幅度最大，而其他3種纖維加入之后的韌性指數(shù)均有所下降。該變化規(guī)律與表3中強(qiáng)度的變化規(guī)律相同，說(shuō)明韌性指數(shù)能從另一個(gè)角度描述材料的強(qiáng)度。因此對(duì)石灰土的韌性改善效果最好的纖維是聚丙烯纖維，且纖維摻量為1%。

圖5 不同纖維石灰土的韌性指數(shù)

3 纖維作用機(jī)理分析

3.1 一般纖維作用機(jī)理

纖維土是加筋土的一種，纖維對(duì)土體的加強(qiáng)機(jī)理主要分為彎曲機(jī)理和交織機(jī)理[15]。

彎曲機(jī)理是指纖維在土體中呈彎曲分布，當(dāng)土體受到外力作用時(shí)，纖維彎曲的凹側(cè)與土顆粒之間產(chǎn)生界面摩擦力和壓力，從而起到加固土體的作用。

交織機(jī)理是指纖維在土體中無(wú)序分布時(shí)會(huì)產(chǎn)生交織點(diǎn)，這些交織點(diǎn)組合在一起會(huì)形成一張受力網(wǎng)。當(dāng)受到外力作用時(shí)，交織點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生位移，但交織點(diǎn)連接著纖維，纖維會(huì)阻礙交織點(diǎn)的位移，從而聯(lián)動(dòng)受力網(wǎng)，起到抵抗外力的作用。

綜上所述，纖維對(duì)土體加強(qiáng)作用是由彎曲機(jī)理和交織機(jī)理共同作用的。當(dāng)纖維摻量較少時(shí)，纖維之間沒(méi)有產(chǎn)生交織點(diǎn)，這時(shí)主要是彎曲機(jī)理起作用。當(dāng)纖維摻量增加時(shí)，纖維之間產(chǎn)生交織點(diǎn)，這時(shí)由纖維和土體之間的界面摩擦力和纖維相互交織形成的受力網(wǎng)同時(shí)起作用。但纖維摻量過(guò)量時(shí)[15]，纖維會(huì)大量附著在一起形成團(tuán)塊，影響了纖維與土體之間的摩擦作用和纖維受力網(wǎng)的形成，從而降低了土體的強(qiáng)度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果原因分析

通過(guò)4種纖維石灰土力學(xué)性質(zhì)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)除了聚丙烯纖維，其他3種纖維的效果并不好，甚至具有不好效果。主要是纖維在土體中的分散性不同造成的。

纖維分散性的好壞，一方面是源自纖維材料本身的性質(zhì)不同；另一方面是試驗(yàn)過(guò)程中的攪拌方式。

纖維材料本身性質(zhì)中，細(xì)度對(duì)分散性有較大的影響，細(xì)度越小越容易成團(tuán)，參考表1，聚丙烯纖維的細(xì)度要比其他3種纖維大得多。除了細(xì)度，纖維表面的物理性質(zhì)影響也較大[16]，表面較為光滑的纖維分散性較好，并且表面經(jīng)過(guò)抗靜電處理的纖維分散性也較好。而聚丙烯纖維相較于其他3種纖維表面更光滑，且經(jīng)過(guò)了抗靜電處理。

攪拌方式有多種，如將材料全部一起攪拌、先攪拌干料最后放水等。此次試驗(yàn)先將石灰和土攪拌均勻，再加入水?dāng)嚢?，最后加入纖維。由于纖維吸水性質(zhì)的不同，導(dǎo)致吸水性高的纖維越容易和已經(jīng)濕潤(rùn)的土結(jié)合，越容易成團(tuán)(圖6)。

圖6 不同纖維石灰土的土樣

從圖6可以看出：聚丙烯纖維在土體中分散較好且均勻分散，而其他3種纖維分散較差，形成了團(tuán)塊。

聚丙烯纖維分散性好，能與土體顆粒產(chǎn)生較高的界面摩擦力，且形成的纖維受力網(wǎng)也較完整，限制了土體的變形和位移。而其他3種纖維的分散性較差，纖維受力網(wǎng)的形成不完整，大大影響了土體荷載的傳遞和裂縫的擴(kuò)張，而且纖維容易成團(tuán)，形成了弱受力區(qū)。

綜上所述，其他3種纖維石灰土，由于各自纖維分散性較差，導(dǎo)致石灰土抵抗變形能力降低，韌性降低，強(qiáng)度降低，脆性提高。

4 結(jié)論

通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)PLS、GLS、BLS、CLS的力學(xué)特性進(jìn)行了對(duì)比和分析，得到以下結(jié)論：

(1) 摻入4種纖維均能提高石灰土的模強(qiáng)比，但除了聚丙烯纖維，其他3種纖維會(huì)降低石灰土的彈性模量。因此聚丙烯纖維對(duì)石灰土抵抗變形能力和抗拉性能的提升效果最好。

(2) 加入聚丙烯纖維后，石灰土的脆性指數(shù)下降幅度最大，而其他3種纖維加入后的脆性指數(shù)下降幅度不大。因此對(duì)石灰土的脆性改善效果最好的纖維是聚丙烯纖維。

(3) 加入聚丙烯纖維后，石灰土的韌性指數(shù)提升幅度最大，而其他3種纖維加入后的韌性指數(shù)均有所下降。因此對(duì)石灰土的韌性改善效果最好的纖維是聚丙烯纖維。

(4) 除了聚丙烯纖維，其他3種纖維對(duì)石灰土各項(xiàng)性能的提升并不大，甚至還有副作用。主要是因?yàn)榫郾├w維在土體中的分散性較好，而其他3種纖維分散性較差，容易成團(tuán)，大大影響了纖維與土體顆粒之間的界面摩擦力和空間約束效應(yīng)。