巨澍朋，張文權(quán)，楊保存，楊曉松，張勤玲

（塔里木大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院／南疆巖土工程研究中心，中國(guó) 阿拉爾843300）

0 引言

近年來(lái)，學(xué)者們將不同的纖維摻入到水泥土中，將土體改良技術(shù)中的化學(xué)改良法和力學(xué)改良法有機(jī)結(jié)合，形成纖維加筋水泥土，通常簡(jiǎn)稱纖維水泥土。大量結(jié)果表明，在水泥土中加入聚丙烯纖維［1］、玻璃纖維［2］、聚苯乙烯纖維［3］等纖維材料可以提高水泥土抗壓和抗拉強(qiáng)度。

季節(jié)性凍土區(qū)是指地表層冬季凍結(jié)、夏季全部融化的地區(qū)。玄武巖纖維抗拉強(qiáng)度高、彈性模量大，具有耐腐蝕、耐高溫等特性，在性價(jià)比上比其他纖維具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，因此，許多學(xué)者開(kāi)展了玄武巖纖維對(duì)水泥土加固效果影響的研究［4－5］。胡建林等［6］發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對(duì)水泥土抗壓、抗拉強(qiáng)度均有所提升； 陳峰［7－9］發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的摻入不僅可以提高水泥土的抗拉強(qiáng)度，還可增強(qiáng)水泥土塑性，對(duì)其黏聚力增強(qiáng)效果較為明顯；高常輝等［10］通過(guò)試驗(yàn)表明，摻入適量玄武巖纖維能夠使水泥土在破壞時(shí)保持較好的整體性。然而，目前將玄武巖纖維摻入南疆季凍區(qū)黏土的研究很少見(jiàn)到，本文以玄武巖纖維和水泥為加固材料，對(duì)此進(jìn)行了相應(yīng)的研究，為玄武巖纖維在南疆季凍區(qū)的水泥土加固提供參考。

1 研究?jī)?nèi)容

本文采用的土樣取自新疆第一師阿拉爾市周邊沙漠公路沿線附近，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1； 試驗(yàn)中所采用的水泥為新疆天山水泥股份有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，水泥的強(qiáng)度等級(jí)為P·O 42.5，試驗(yàn)摻入水泥含量為9%； 試驗(yàn)所選的玄武巖纖維為浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，其參數(shù)見(jiàn)表2，摻入纖維長(zhǎng)度lf為12 mm～13 mm、纖維摻量af為1.5%。

表1 土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)數(shù)值Table 1 Basic physical property index of soil

表2 玄武巖纖維參數(shù)Table 2 Basalt fiber parameters

本研究按照J(rèn)GJ／T233－2011 《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》 的要求進(jìn)行試驗(yàn)。試樣制作用面積為30 cm2，高為2 cm 環(huán)刀的圓柱體試模，將制作好的試樣進(jìn)行包膜，并在－20 °C 和20 °C 下分別凍融12 h，凍融循環(huán)次數(shù)N 分別為0 次、1 次、2 次、3 次、4 次、5 次。最后再進(jìn)行一系列直剪試驗(yàn)，測(cè)出在不同垂直壓力下最大的抗剪強(qiáng)度，并研究抗剪強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與凍融循環(huán)次數(shù)變化的關(guān)系。

本次直剪試驗(yàn)的試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Experimental research program

2 分析凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

2.1 凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

在不同法向應(yīng)力下，取每種配比的3 個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為一次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如圖1 所示。

圖1 水泥土抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系Fig.1 Relationship between shear strength of soil－cement and the number of freeze－thaw cycles

由圖1 可知，隨著法向應(yīng)力的逐級(jí)增加，抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，并在法向應(yīng)力為400 kPa時(shí)，其抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值。這說(shuō)明加入纖維后，隨著法向應(yīng)力的增大，改良土與純土相比其抗剪強(qiáng)度增加幅度更大。

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，兩種試樣的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。凍融循環(huán)次數(shù)在0 ～1 次時(shí)，降低幅度最大，說(shuō)明此階段對(duì)玄武巖纖維改良水泥土的抗剪強(qiáng)度不利影響趨勢(shì)最大； 當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)在增加時(shí)，降低幅度趨于平緩，這說(shuō)明對(duì)其抗剪強(qiáng)度不利影響增加趨勢(shì)逐漸平緩。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到5 次時(shí)，抗剪強(qiáng)度最小，且對(duì)抗剪強(qiáng)度不利影響達(dá)到最大。

由圖1 和圖2 對(duì)比可知，水泥含量為9%、纖維長(zhǎng)度為12 mm～13 mm 和纖維含量為1.5%的配比組成的改良水泥土的抗剪強(qiáng)度明顯比純土的抗剪強(qiáng)度大，這說(shuō)明該配比下，纖維的加入，能有效地提高水泥土的抗剪強(qiáng)度。

圖2 純土的抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系Fig.2 The relationship between shear strength of pure soil and the number of freeze－thaw cycles

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

根據(jù)試驗(yàn)所得出的試驗(yàn)結(jié)果和繪制出的抗剪強(qiáng)度曲線，最小二乘法擬合土體的內(nèi)摩擦角和黏聚力值c。

水泥土和純土兩種試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，如表4 和表5 所示。

表5 純土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系Table 5 The relationship between shear strength index of pure soil and the number of freeze－thaw cycles

由圖3 可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，兩種試樣的黏聚力呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，這說(shuō)明凍融循環(huán)對(duì)黏聚力起著不利影響。從圖中可以得知隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力的下降幅度逐漸減小，這說(shuō)明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，對(duì)其黏聚力的不利影響增加趨勢(shì)逐漸平緩。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到5 次時(shí)，黏聚力達(dá)到最小值，對(duì)黏聚力不利影響達(dá)到最大。

圖3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系Fig.3 The relationship between shear strength index and the numberof freeze－thaw cycles

從圖3 得知，該配比下的改良水泥土內(nèi)摩擦角變化范圍21.61°～15.33°，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出先增大后減小再減小的趨勢(shì)。且在凍融循環(huán)次數(shù)從1 次增加到2 次，內(nèi)摩擦角降低幅度最大，這說(shuō)明此階段對(duì)其內(nèi)摩擦角的不利影響增加趨勢(shì)最大。在凍融循環(huán)次數(shù)增加到5 次時(shí)，內(nèi)摩擦角達(dá)到最小值，對(duì)內(nèi)摩擦角不利影響達(dá)到最大。純土的內(nèi)摩擦角變化范圍13.13°～19.01°。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出先增大后減小再減小的趨勢(shì)。且在凍融循環(huán)次數(shù)從1 次增加到2 次，內(nèi)摩擦角降低幅度最大，這說(shuō)明此階段對(duì)內(nèi)摩擦角的不利影響增加趨勢(shì)最大。在凍融循環(huán)次數(shù)增加到1 次時(shí)，內(nèi)摩擦角降到最小值，對(duì)內(nèi)摩擦角不利影響達(dá)到最大。

3 結(jié)論

通過(guò)本文的研究，得到以下結(jié)論：

（1） 摻入質(zhì)量比為1.5%的纖維后，纖維改良水泥土的抗剪強(qiáng)度均有所提高，其中纖維長(zhǎng)度為12 mm－13 mm，水泥摻量為9%時(shí)，水泥土的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較大，說(shuō)明纖維的摻入能有效地提高水泥土的抗剪強(qiáng)度。

（2） 通過(guò)2 次凍融循環(huán)后，由于凍融循環(huán)作用，纖維水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞，改良水泥土的抗剪強(qiáng)度均有所下降； 因水泥水化反應(yīng)結(jié)束，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，隨著凍融次數(shù)的增加，強(qiáng)度降低幅度減小。

（3） 經(jīng)過(guò)5 次凍融循環(huán)作用后，未摻入纖維的水泥土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)下降最大，而摻入纖維的水泥土強(qiáng)度指標(biāo)下降較小。表明水泥土中加入纖維，不僅可以提高抗剪強(qiáng)度，而且可以減緩凍融循環(huán)作用下水泥土的抗剪強(qiáng)度損失，對(duì)提高水泥土的抗凍性起到了積極的作用。