聚丙烯纤维加筋对高岭土固结压缩特性影响试验研究

陈 乐 ，刘志彬 ，周书中

（1. 东南大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210096；2. 东南大学 江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室，江苏 南京 210096）

1 引 言

纤维加筋土是将连续的纤维丝或者一定长度的短纤维采用机械、气压或水压等方式随机掺入到土中形成的一种人工复合土体材料[1]，由于纤维的掺入，使加筋土体形成三维结构，可使纤维与土颗粒有效接触，破裂面上纤维可发挥其抗拉能力，阻止破裂面发展，提高了土体的抗剪强度，其抗冲刷性能也会得到加强。法国建筑师Henri Vidal在20世纪60年代成功地设计出第一个加筋构筑物，我国70年代末和80年代初引进加筋土技术，如今这种技术已得到巨大的发展，被广泛地运用到路基、挡墙、抗震、边坡等领域[2]。近些年来，国内外学者也先后围绕纤维加筋土的工程性质开展了一系列试验和理论研究。唐朝生等[3]开展龟裂试验发现，在土体中加入适量聚丙烯纤维能够改变黏性土干缩裂缝的发展规律，降低土体裂隙率，提高土体结构物的稳定性和防渗性能。Gumuser等[4]以不同含量的聚丙烯纤维掺入粉煤灰，试验发现其“桥梁”作用能抑制土体的张拉裂缝和变形，并增加土体的承载力和韧性。Miller等[5]通过试验得出，当纤维掺量介于0.4%～0.5%时，能减少约50%裂隙；当纤维掺量达到0.8%时，最多能减少约90%的裂隙。Harianto等[6]开展干燥试验得出纤维的拉筋作用可以降低压实试样的体积收缩应变和表面裂隙数量，其中纤维掺量为 0.2%时较无纤维土表面裂隙密度因子从2.75%降到了 0.2%。Manbeian[7]、Mohamed[8]、A等[9]以植物纤维为加筋材料，通过直剪试验发现土体的抗剪强度明显加强，且有一个最佳掺量。Muntohar等[10]开展了一系列不固结不排水三轴试验和耐久性试验发现，纤维能提高土的抗压、抗拉和抗剪性能，从而进一步增强土体的稳定性和耐久性，最佳纤维掺量为 0.4%～0.8%。吴景海等[11]进行直剪试验和拉拔试验，确定了各种国产土工合成材料与填料的界面作用特性。姚代禄等[12]进行剪切试验及现场加筋拉拔试验，分析得到土与加筋之间的剪切性质可用摩尔-库仑强度包线表示。Mirzababaei等[13]以废弃地毯为加筋材料，通过试验发现其能有效提高土体的无侧限抗压强度，并同时增加土体的韧性，在纤维掺量为5%时效果最明显。Akbulut等[14]由无侧限抗压强度结果得到，当使用橡胶纤维时，最佳掺量在2%，最佳纤维长度为10 mm；当使用聚丙烯纤维时，最佳掺量在0.2%，最佳纤维长度为15 mm。

目前国内外有关纤维加筋的研究主要是针对砂土、水泥、水泥土等，关于纯素土的研究相对较少，现有研究工作主要侧重于纤维加筋土的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、胀缩干裂性能等，关于其固结渗透、压缩特性等研究较少。实际上，作为防渗垫层材料，纤维加筋黏土在较大的工程荷载作用下必然产生一定的压缩变形，将影响到上部排水导气等系统的安全性，且垫层自身的防渗隔污性能也会随之改变。基于此，本文以聚丙烯纤维为加筋材料，对纤维加筋高岭土开展了一系列一维固结压缩试验，旨在探讨纤维掺量和纤维长度2个设计参数对纤维加筋土固结系数、压缩模量以及压缩指数的影响。

2 试验材料

本次试验所用黏土为徐州夹河高岭土矿生产的商业高岭土，基本物理参数见表 1，测试方法参照《土工试验方法标准》[15]。根据《土的工程分类标准》[16]，由于ωL<50且IP>0.73(ωL-20)，确定该高岭土属低液限黏土(CL)。试验中采用的纤维材料直径为0.048 mm的聚丙烯纤维丝，物理力学参数见表2。

表1 高岭土的物理参数Table 1 Physical parameters of Kaolin

表2 聚丙烯纤维的物理力学参数Table 2 Physico-mechanical parameters of polypropylene fiber

3 试验设备与方法

本次试验所用固结仪为南京土壤仪器厂生产的WG型单杠杆固结仪。试验参照《土工试验方法标准》[15]，采用压样法制样，控制土样干密度为 1.5 g/cm3，含水率为17.4%，样品直径为61.8 mm，高20 mm。制样时，先将干土与纤维充分搅拌，遇到纤维结团时手工将其撕开。然后将土与水拌和，确保纤维在土样中均匀分散，控制含水率 17.4%，在塑料袋内密封养护24 h。最后在环刀内压实成干密度为1.5 g/cm3的土样。

试验设计分为 2组：一组控制纤维的长度一定，改变土样中纤维掺量，另一组控制纤维的掺量一定，改变土样中纤维的长度。第一组试样控制纤维长度为8 mm和10 mm两种情况，掺量分别为0、0.1、0.15、0.2、0.3%。第二组试样控制掺量0.3%，长度分别为 8、10、12、14 mm。固结试验前，首先采用抽气饱和法对试样进行预饱和，再在固结仪上进行一维固结试验。

4 试验结果分析

4.1 纤维掺量对加筋黏土固结压缩特性影响

图1为8 mm和10 mm两种长度纤维的加筋高岭土固结系数与纤维掺量间关系曲线。从图中可以看出，当纤维长度一定时，纤维加筋高岭土的固结系数在各相同荷载级别下一般随纤维掺量的增加表现为先增大后减小的趋势。在各级荷载下，当纤维掺量为0.2%的时候，纤维加筋土的固结系数达到峰值，因此，纤维掺量在0.2%时纤维加筋土的固结速率最快。换言之，纤维掺量在 0%～0.2%之间时，纤维掺量的增大不仅有利于提高其抗剪强度和抗干裂性能，也会加速其排水固结；当掺量高于 0.2%后，固结系数会随掺量的增大而降低。从图1还可以看出，纤维长度为8 mm时，固结系数测试结果规律性相对较差，可能是由于相对较短的纤维在土样中不易达到良好的拌和均匀性所致。相比之下，纤维长度为10 mm时，测试结果稳定性明显较好。此外，固结压力高于400 kPa后，加筋土的固结系数受纤维掺量影响相对较弱，即在较高荷载下掺量变化对加筋土的固结系数影响程度有限。

图1 加筋高岭土在不同纤维掺量时的固结系数Fig.1 Coefficients of consolidation of fiber-reinforced Kaolin with different fiber contents

图2为8 mm和10 mm两种长度纤维的加筋高岭土压缩模量与纤维掺量间关系曲线。从图中可以看出，当纤维长度一定时，纤维加筋高岭土的压缩模量在相同荷载下一般随纤维掺量的增加表现为先增大后减小的趋势。在各级荷载下，掺量为0.10%～0.15%的时候，纤维加筋土的压缩模量达到峰值。当竖向压力较大时（＞400 kPa），这一规律尤其明显，即当纤维掺量为0.10%～0.15%的时候，相同压力下纤维加筋土的压缩性最小。从图中还可以看出，当竖向压力较小时（≤400 kPa），纤维长度对加筋高岭土压缩模量影响不明显。另一方面，图中还显出高压下的压实作用对于纤维加筋高岭土的压缩模量提高有着重要作用，如0.2%掺量条件下纤维加筋高岭土在400 kPa下的压缩模量不足7.5 MPa，而在800 kPa时则增大至25 MPa左右。为保证现场条件下纤维加筋黏土的低压缩性，应当确保加筋土达到足够高的压实度标准。

图2 加筋高岭土在不同纤维掺量时的压缩模量Fig.2 Compression moduli of the fiber-reinforced kaolin with different fiber contents

图3为8 mm和10 mm两种长度纤维的加筋高岭土的压缩指数随纤维掺量变化曲线。从图中可以看出，当控制纤维长度一定的时，各级荷载下纤维加筋高岭土的压缩指数在0.18～0.26之间变化；随着纤维掺量的增加，压缩指数也相应增大。但在纤维掺量为 0.15%～0.20%时有一谷值；纤维长度为8 mm的加筋土的压缩指数较10 mm情况下更高。

图3 加筋高岭土在不同纤维掺量时压缩指数Fig.3 Compression index of fiber-reinforced kaolin with different fiber contents

4.2 纤维长度对加筋黏土固结压缩特性影响

根据已有文献中常用的纤维掺量，该组试验中纤维加筋高岭土的纤维掺量选择0.3%，选取的长度为8、10、12、14 mm。图4为0.3%纤维掺量的加筋高岭土固结系数与纤维长度间关系曲线。从图中可以看出，当纤维掺量一定时，纤维加筋高岭土的固结系数在相同荷载级别下随纤维长度的增加表现为先减小后增大的趋势。在各级荷载下，当纤维长度为10 mm时，纤维加筋土的固结系数达到一个极小值，即纤维长度为10 mm时纤维加筋土的固结速率较慢，表明工程中同一掺量条件下，纤维较长和较短时纤维加筋高岭土的固结速率均比较快，但在某一中间长度时纤维加筋土的固结性能最差。

图4 加筋高岭土在不同纤维长度时固结系数Fig.4 Coefficients of consolidation of fiber-reinforced Kaolin with different fiber lengths

图5为0.3%纤维掺量的加筋高岭土压缩模量与纤维长度间关系。从图中可以看出，由于孔隙比减小，土样变得越来越密实，加筋土的压缩模量随荷载的增加而变大。荷载水平较低时（<400 kPa），纤维长度对纤维加筋黏性土的压缩模量影响不明显；当荷载水平较高时(≥400 kPa)，随着纤维长度增大加筋高岭土的压缩模量呈降低的趋势。

图5 加筋高岭土在不同纤维长度下的压缩模量Fig.5 Compression moduli of fiber-reinforced Kaolin with different fiber lengths

图6为加筋高岭土在不同纤维长度时压缩指数。由图中可以看出，总体上纤维加筋高岭土的压缩指数随纤维长度的增大呈增大的趋势，在纤维长度为10 mm的时候其压缩指数为一谷值；加筋土的压缩指数数值在0.203～0.233之间。

图6 加筋高岭土在不同纤维长度时压缩指数Fig.6 Compression index of consolidation of fiberreinforced Kaolin with different fiber lengths

5 结 论

（1）控制土体干密度和纤维长度一定时，随着纤维掺量的增加，加筋高岭土的固结系数、压缩模量均呈先增大后减小的规律。掺量为0.2%的时，固结系数达到峰值；掺量为 0.10～0.15%左右时，压缩模量达到峰值；固结压力超过400 kPa后，掺量变化对加筋土的固结系数影响不明显，但此时荷载水平的提高对加筋土的压缩模量提高显著。此外，随纤维掺量的增加，压缩指数总体呈增大趋势，但在纤维掺量为0.15～0.20%时有一谷值。

（2）当控制土体干密度和纤维掺量一定时，纤维加筋高岭土的固结系数随纤维长度的增加先减小后增大，当纤维长度 10 mm时固结系数达到最小值；固结压力较小时（＜400 kPa），纤维长度对加筋土的压缩模量影响不明显，但当压力较高时（≥400 kPa），随纤维长度的增大加筋土的压缩模量呈减小趋势；纤维加筋高岭土的压缩指数随纤维长度的增大总体表现为增大的趋势；在纤维长度为10 mm的时候其压缩指数为一谷值。

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