纤维水泥粉砂土受力性能试验研究

李宏波，底国民，贾 彪

(宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021)

宁夏地区多条用粉砂性土填筑的路基，经受车辆和冻融作用后，路面开裂严重。其原因是道路处于季节性冻土区，冬季冰雪覆盖，自由水凝结成冰，使含水量下降，土体开始出现形变;春季冰雪融化，含水量增加，路基强度随之下降，易产生开裂和翻浆等冻害现象[1]，破坏路基承载力，严重损害了道路质量。

根据文献［2-3］等对纤维混凝土的研究成果，改性处理的聚丙烯纤维与水泥具有良好的黏结力和分散性，在混凝土或砂浆中掺入纤维，可大大提高其抗裂防渗性能，有效增强混凝土韧性，明显减少混凝土塑性收缩引起的裂缝。依据上述成果，拟采用聚丙烯纤维对粉砂性土进行改善力学性能的探索试验研究。在粉砂土和水泥固化粉砂土(对于粉砂土水泥的固化效果好于石灰固化效果)中掺入聚丙烯纤维，则有可能提高其力学性能。为此，本试验以宁夏银川市某道路路基填筑材料粉砂性土为试验对象，研究掺入聚丙烯纤维后粉砂土和水泥土抗剪强度的变化规律，以期为粉砂土填筑的道路工程应用提供参考。

1 试验研究

1.1 试验材料

加筋用的纤维为聚丙烯纤维丝，其物理力学性质见表1。用水泥稳定土时，硅酸盐水泥比铝酸盐水泥效果好一些，不宜采用快硬或早强水泥，故采用硅酸盐水泥。

1.2 击实试验

为了得到最大干密度和最佳含水量，首先进行了击实试验，试验包括素土和水泥土击实试验。

根据《公路土工试验规程》的规定，本试验均采用小型击实仪进行，仪器用小试筒，小试筒适用于粒径不大于25 mm的土，本试验用土为粉砂土，故可采用小型击实筒。所用击实筒内径10 cm，筒高12 cm，筒的容积997 cm3，填土分5层击实，击锤质量4.5 kg，落距45 cm，单位体积上所用的击实功为2.687 MJ/m3，总的击实功为2.679 MJ。

表1 聚丙烯纤维的物理力学性质

由击实试验得出粉砂土的最佳含水量为12.9%，最大干密度为1.936 g/cm3。3%水泥粉砂土的最佳含水量为13.8%，最大干密度为1.943 g/cm3。

1.3 三轴试验

根据以前文献对纤维土的相关研究［4-5］，本次试验中最大的纤维掺量为0.3%。为了比较粉砂土(1#)、水泥粉砂土(5#)、纤维掺量分别为 0.1%，0.2%，0.3%的粉砂土(2#～4#)和水泥粉砂土(6#～8#)的强度特性，分8组试验。试样尺寸大小为 φ61.8×H125 mm，每组 4个试块，共32块。在100%压实度的条件下，在围压σ3分别为 0 kPa，50 kPa，100 kPa和 200 kPa时，进行不固结不排水试验。粉砂土和纤维粉砂土试块制备完毕即可进行试验;水泥土和纤维水泥土养护28 d后进行三轴试验。试验仪器为南京土壤仪器厂生产的TSZ30-2.0型三轴仪和YCK-2三轴测控仪。

本次试验试样剪切速率均为0.4 mm/min。所有试样剪切均达到一定的轴向应变(15%)后停机。

2 试验结果分析

2.1 纤维对试块变形的影响

三轴试验试块破坏后的照片如图1。从图1可见，粉砂土和纤维粉砂土在试块破坏后，中下部鼓起，没有出现明显的剪切面，说明其黏聚力较小;水泥纤维粉砂土在破坏后都存在明显的剪切面，与水平面夹角约在57°～65°之间，在剪切面之间纤维交织成网状，未发现有剪断的纤维，表示纤维粉砂土和水泥纤维粉砂土比粉砂土的抗变形能力有显著提高。

图1 试块破坏后的照片

2.2 纤维水泥对粉砂土力学参数的影响

三轴试验后，分别以每块试块的轴向应变为横坐标，以主应力差为纵坐标绘制应变与主应力差关系曲线如图2～图9。

取各图应变与主应力差曲线的峰值为破坏点。无峰值时取15%轴向应变时的主应力差作为破坏点。根据确定的破坏点得出各组试块的极限应变见表2。根据破坏点的主应力差计算出试块破坏时的最大主应力，在剪力与应力平面图上绘制莫尔破损应力圆。根据每组莫尔破损应力圆包线即可得出试块的黏聚力和内摩擦角见表3。

表2 试块的极限应变 %

2.2.1 纤维对土体极限应变的影响规律

由表2可知:

图2 粉砂土的应力应变曲线

图3 掺0.1%纤维粉砂土的应力应变曲线

1)在相同围压下，试块的极限应变随纤维含量的增加而增大，说明纤维可以提高土体的抗变形能力。

2)在0围压的情况下，在粉砂土中掺入水泥反而降低了粉砂土的极限应变，说明水泥的掺入使得土体的脆性增强，而塑性降低，但其承载能力增强。

3)水泥粉砂土在掺入纤维后，其塑性和承载力均显著增大，纤维对水泥粉砂土力学性能改善效果显著。

2.2.2 纤维对土体极限应力的影响

图4 掺0.2%纤维粉砂土的应力应变曲线

图5 掺0.3%纤维粉砂土的应力应变曲线

图6 掺3%水泥粉砂土的应力应变曲线

图7 掺3%水泥和0.1%纤维粉砂土的应力应变曲线

由图2～图9和表3可知，对于粉砂土和水泥粉砂土，在相同密实的条件下，极限应力随纤维含量的增加而增大，即纤维土抵抗变形的能力随着纤维掺量的增加而提高。围压在200 kPa时，0.3%纤维粉砂土极限应力是粉砂土的1.66倍;3%水泥粉砂土极限应力是粉砂土的1.17倍;0.3%纤维3%水泥粉砂土极限应力是粉砂土的2.20倍。

图8 掺3%水泥和0.2%纤维粉砂土的应力应变曲线

图9 掺3%水泥和0.3%纤维粉砂土的应力应变曲线

表3 各组试块的黏聚力和内摩擦角

2.2.3 纤维对土体抗剪强度的影响

纤维的掺入对土体抗剪强度指标黏聚力 c和内摩擦角φ的影响见表3。土体掺入纤维后c值显著增大，而且是随着纤维掺量的增加而增大;φ值也有增加。土中纤维丝的抗拉作用，阻止了土体的侧向变形，土体整体受力性能增强，使粉砂土的c值增大。其次，纤维和土颗粒之间咬合力的增大也导致了φ值的提高。水泥的掺入使粉砂土的黏聚力显著增大，但对内摩擦角基本没有影响。

1)纤维对土体内摩擦角的影响规律

土体掺入纤维对其内摩擦角有较明显的的影响，内摩擦角的表达式为

式中，φ为纤维土的内摩擦角;φ0为粉砂土或水泥粉砂土的内摩擦角;Δφ为内摩擦角增量。

①掺入纤维后粉砂土内摩擦角增量公式可表示为

式中，a(0.1～0.3)为纤维掺量(%);Δφ为内摩擦角增量(°)。

②掺入纤维后掺3%水泥的水泥粉砂土内摩擦角增量公式可表示为

式中，a(0.1～0.3)为纤维掺量(%);Δφ为内摩擦角增量(°)。

2)纤维对土体黏聚力的影响规律

土体掺入纤维对其黏聚力影响显著，纤维土的黏聚力表达式为[6]

式中，c为纤维土的黏聚力;c0为粉砂土或水泥粉砂土的黏聚力;Δc为黏聚力增量。

①掺入纤维后粉砂土黏聚力增量公式可表示为

式中，a(0.1～0.3)为纤维掺量(%);Δc为黏聚力增量(kPa)。

②掺入纤维后掺3%水泥的水泥粉砂土黏聚力增量公式可表示为

式中，a(0.1～0.3)为纤维掺量(%);Δc为黏聚力增量(kPa)。

3 结论

通过三轴强度试验对粉砂土、纤维粉砂土和纤维水泥粉砂土工程力学性质进行了初步的研究。由试验分析，主要结论如下:

1)对于粉砂土和水泥粉砂土，在相同密实条件下，其极限应力随纤维含量的增加而增大，即纤维土抵抗变形的能力随着纤维掺量的增加而提高;

2)水泥粉砂土中掺入纤维可以提高水泥粉砂土的塑性，使水泥粉砂土的破坏形式由脆性破坏转变为塑性破坏，而且随着纤维含量的增加，使得纤维水泥土的塑性增强;

3)在粉砂土和水泥粉砂土中掺入纤维明显地提高了土体的抗剪强度。给出了纤维土内摩擦角和黏聚力增量计算的简单公式。

由试验分析结果可以看出，将新型聚丙烯纤维掺入粉砂土和水泥粉砂土中，不仅可以有效地改善土体的抗剪强度，而且可以提高土体的塑性。亦即，在粉砂土和水泥粉砂土中掺入纤维作为路基或建筑物基础填料，在理论上讲对于提高其抗冻、抗裂会效果显著，同时可以根据工程需要进行水泥和纤维掺量最佳配比试验。但是，对其实际抗冻能力和施工工艺还需要进一步研究。

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