玻璃纤维加筋石灰土无侧限抗压强度试验研究

阮波，彭学先，马超，周堃野，韩钊

玻璃纤维加筋石灰土无侧限抗压强度试验研究

阮波，彭学先，马超，周堃野，韩钊

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

依托室内试验，研究玻璃纤维和石灰对红黏土无侧限抗压强度的影响规律。试验结果表明：在红黏土中掺入玻璃纤维能显著提高其无侧限抗压强度，使其具有较好的水稳定性；纤维石灰土的无侧限抗压强度增长率高于纯纤维土或石灰土；纤维土的无侧限抗压强度随着纤维长度的增加而增加，随着纤维掺量的增加先增加后减小，当掺量超过1‰后，强度随着掺量的增加而减小；纤维石灰土的无侧限抗压强度在未浸水条件下均随着纤维长度和掺量的增加而增大；浸水条件下，无侧限抗压强度在纤维长度未达到9 mm时随着纤维长度和掺量的增加而增大。研究成果可为纤维和石灰改良路基填土的工程应用提供参考价值。

玻璃纤维；石灰；红黏土；无侧限抗压强度；水稳定性

近些年来，交通在国民经济中发挥着越来越大的作用，交通基础设施规模也在持续扩大，其必然导致公路或者铁路建设向高等级、高标准的方向发展，对于一些较高强度的填筑路基而言，采用相应的加固措施才能满足工程需求。现阶段路基填料改良处治措施主要有化学改良法和物理改良法。其中化学改良法常采用在土体中掺入石灰、粉煤灰、水泥等无机结合料来提高土体的强度，降低土体压缩性，改善土体变形特性。这种方法研究较早、理论较全，现场的施工技术也相应比较成熟。物理改良法主要是在土中埋设抗拉强度较高的加筋材料，这种复合土属于土工合成材料的范畴。这种方法在不改变土体本身性质之外提高了土体的强度，又不会对环境造成污染，因此在工程应用中越来越受到工程师们的青睐。但是在工程实践中，通常是将条带、土工格栅、土工织物或者土工网按照一定的方向分层铺设在需要加固的土体中，从而加筋土存在施工工艺复杂和施工后土体存在各向异性等缺点。最新发展起来的加筋土分支的纤维土技术却能够克服这个弊端。它是将纤维随机地添加到土体里，纤维在土中弯曲，彼此交错、连接，互成空间网络体系，因此可以将之视为各向同性的材料，曾军等[1]探究了聚丙烯纤维对红黏土无侧限抗压强度的影响和作用机理。杜伟飞等[2]探究了聚丙烯纤维对黄土的抗压和抗剪强度的影响，得出纤维的掺入增加了基质土的抗压和抗剪性能，提高了峰值应变和残余强度，减少了破坏后应力的衰减速度，抑制贯穿裂缝的发育。牛向飞等[3]为了解决水泥灰土稳定砂的收缩裂缝，在其中掺入聚丙烯纤维后发现其能够减少裂缝病害的发生，且应用在一段高速公路中，改良效果显著。璩继立等[4]探究了不同含量的纤维素纤维和石灰粉在不同养护龄期情况下对上海黏土的抗压强度影响，提出了最适宜的加筋率和掺灰率分别为0.8%和10%。沈圆顺等[5]研究了纤维对石灰土路基和水泥土路基的影响，试验结果说明纤维的掺入对其黏聚力影响较大，对内摩擦角影响较小，初始弹性模量随着纤维的增加而减小。纤维加筋土属于一种新型的土体改良技术，目前玻璃纤维对石灰改良土强度影响的研究相对较少。为了探究玻璃纤维对红黏土的加固效果，文中开展对红黏土、石灰土、纤维土和纤维石灰土等4种土的对比试验，采用规范常用的无侧限抗压强度检验改良效果，研究成果可为玻璃纤维和石灰改良路基填土的工程应用提供一定的参考价值。

1 试验研究

1.1 试验材料

试验所用土取自沪昆铁路贵州段的红黏土，其物理力学指标如表1所示。石灰为深圳市长隆科技有限公司生产的清源牌石灰，其化学成分见表2。选取的纤维为日升玻璃纤维厂生产的短切玻璃纤维，其物理力学参数如表3所示。

表1 红黏土的物理力学性质

表2 石灰的化学成分及含量

表3 玻璃纤维的物理力学参数

1.2 试验方案

本次试验采用石灰掺入比分别为0%，4%，6%，8%和10%，严格按照《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2010)[6]进行击实试验，结果如图1所示。从图中可以发现随着掺灰量的增加，最大干密度逐渐减小，最优含水率增加。这是因为石灰的相对体积比红黏土的相对体积小，在没有养护时存在一定程度的胶结作用，形成新的胶结物质，改变了石灰土的压实性能，所以最大干密度降低；同时由于土颗粒和石灰之间的离子交换作用，导致土颗粒周围的双电子层密度与厚度发生改变，石灰与水还会发生化学反应，消耗了其中一部分水，所以最优含水率一直增大。

不同石灰掺量下的红黏土根据其最大干密度和最优含水率进行配样后，再进行无侧限抗压强度试验，结果如2所示。无侧限抗压强度在掺灰量为8%时达到最大，且由于玻璃纤维不会与土体发生反应，故本次试验的掺灰量选定为8%。

图1 不同石灰掺量下改良土的击实曲线

图2 无侧限抗压强度的结果

考虑玻璃纤维对石灰土的影响，本次试验设计了红黏土、石灰土、纤维土和纤维石灰土的对比试验，详细的设计方案如表4所示。同时为了研究纤维石灰土的水稳定性，所有试样均一式2份，一份在保湿缸中养护7 d；另一份在保湿缸中养护6 d后浸水1 d。

表4 试验方案

1.3 试样制备

选取代表性的土样风干、碾碎、过2 mm筛，压实度选为94%。按照上述不同的对比试验，分别称取干土、水和相应的石灰或者玻璃纤维(或者石灰和纤维均有)的质量，并拌和均匀，通过压样法分2层将混合料统一制成尺寸为直径50 mm、高度50 mm的圆柱体试样，两层之间适当刮毛以增大上下层之间土样摩擦咬合作用。注意若有玻璃纤维的掺入，一定要将玻璃纤维充分拌和均匀，避免它们之间的黏结成团，给试样的压实带来困难。每组试样制备5个以保证试验结果的准确性和可靠性。脱模后养护到相应的龄期再进行试验。

2 试验结果及分析

无侧限抗压强度试验采用WDW-50型微机控制电子万能试验机，试验过程中应变速率控制在1 mm/min，记录每个试样破坏时的最大压应力及峰值强度对应的应变。试验现象和结果说明：红黏土和纤维土在浸水后完全崩解成土渣，而石灰土和纤维石灰土保持原状且具有一定的无侧限抗压强度；未浸水的纤维石灰土的无侧限抗压强度是红黏土的3.9~5.5倍，浸水后纤维石灰土的无侧限抗压强度提高倍数也达到了1.3~2.0，说明在红黏土中同时掺入纤维和石灰能有效提高自身的无侧限抗压强度，并使其具有良好的水稳定性和整体性。石灰与红黏土发生化学反应，增大了孔隙之间的密实程度，从而改变了土体本身的性质，而纤维的作用是其和土颗粒之间相互咬合、摩擦，增大了土颗粒之间的拉 应力。

2.1 纤维对红黏土无侧限抗压强度的影响

玻璃纤维对红黏土无侧限抗压强度的影响规律如图3所示。

图3 玻璃纤维对红黏土的关系曲线

从上图可以看出，在红黏土中掺入纤维能够提高土体的无侧限抗压强度。无侧限抗压强度呈现出随着纤维长度的增加而增加，随着纤维掺量的增加而增加，当掺量超过1‰后，强度随着掺量的增加而减小。玻璃纤维在长度不同时，纤维土的强度增长率为10%~47%，其中12 mm的增长幅度最快。

纤维掺量对红黏土无侧限抗压强度的补强作用存在一个最优值，当纤维的掺量超过最优值后，纤维的弱化作用就会体现出来。纤维细小，比表面积大，随机分布到红黏土中，可以在其内部形成一种空间网状的随机支撑体系，起到“锚杆”加固作用，所以能提高土体的强度。但纤维掺量超过最优值后，纤维在土体的空间网状的桥梁纽带作用就会削弱。分布越多，纤维的定向分布以及它们之间叠加抱团现象就会越显著，强度提高的能力反而下降。

2.2 纤维对石灰改良红黏土无侧限抗压强度的影响

纤维掺量对石灰土强度的关系曲线如图4所示，图5反映的是纤维长度对石灰土强度的关系 曲线。

图4 纤维掺量对石灰土的关系曲线

从图4中可以发现，纤维石灰土的强度在未浸水状态时均随着掺量的增加而增加，较红黏土而言，强度增长率达到了289%~451%，提高幅度比纤维土大很多；在浸水状态时，强度规律大体(纤维长度为3，6和9 mm)是随着掺量的增加而增加，在12 mm时却出现了先增加后减小的现象。

在图5中可以看出，在相同纤维掺量条件下，纤维石灰土在未浸水时呈现出随着长度增长而增加的规律，且长度越长，曲线则表现越陡；在浸水状态时，强度却是先增加后减小，在9 mm时达到最大值。同样也在长度为12 mm时，掺量为3‰时纤维石灰土的强度突然降到未掺入纤维的石灰土强度之下。

图5 纤维长度对石灰土的关系曲线

图6 破坏形式

纤维石灰土无侧限抗压强度的提高是纤维和石灰二者共同作用的结果，就其一而言，石灰土的无侧限抗压强度是红黏土的3.9倍；而纤维土的无侧限抗压强度较红黏土而言，提高的最大幅度仅仅为1.9倍，可见石灰在提高强度发挥的作用比纤维大，从而使纤维石灰土呈现不同于纤维土的规律。在浸水条件下，纤维长度为12 mm时强度均出现了反常，其原因主要归结于试样在泡水后会发生膨胀、冒泡现象，如果有水进入到试样的内部，试样的抗压强度就会降低。此次试验中试样的尺寸为50 mm×50 mm圆柱体，长度为12 mm的纤维在掺量越高的情况下就越容易在试样中相互搭接，形成贯穿的通道，使得水由通道从外部进入内部，从而使强度降低。

2.3 破坏形式

4种土的破坏形式各不相同，详见图6。红黏土试样的裂缝长而宽，破坏面和水平面的夹角近似为60度，同时伴随着局部少量掉渣现象的发生。掺入纤维后，试样的裂缝方向和红黏土类似，不过高度更窄、长度更短一些，试件压缩后的高度更高，仔细观察裂缝处，可以发现一些纤维细丝相互交叉。石灰土和纤维石灰土的破坏形式成倒三角锥形，不过纤维石灰土的掉渣情况不是特别明显，纤维的抵抗剪切变形能力延缓了裂纹的进一步发展，使试件保持一定的韧性。

3 结论

1) 红黏土中掺入纤维和石灰能有效提高自身的无侧限抗压强度，并使其具有良好的水稳定性和整体性。

2) 纤维土的无侧限抗压强度呈现出随着纤维长度的增加而增加，随着纤维掺量的增加而增加，掺量超过1‰后，强度随着掺量的增加而减小。

3) 纤维石灰土的无侧限抗压强度在未浸水条件下，随着纤维长度和掺量的增加而增大；在浸水条件下，在长度为未达到9 mm，无侧限抗压强度也随着纤维长度和掺量的增加而增大。

4) 在土中加入纤维减少了掉渣现象的发生。纤维的抵抗剪切变形能力延缓了裂纹的进一步发展，使试件保持一定的韧性。

[1] 曾军, 彭学先, 阮波, 等. 聚丙烯纤维红黏土无侧限抗压强度试验研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2015, 12(3): 545−550. ZENG Jun, PENG Xuexian, RUAN Bo, et al. Experimental study on unconfined compressive strength of polypropylene fiber reinforced red clay[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2015, 12(3): 545−550.

[2] 杜伟飞, 刘争宏, 沈云霞, 等. 聚丙烯纤维优化黄土改良土力学性能研究[J]. 工程勘察, 2014(11): 12−17. DU Weifei, LIU Zhenghong, SHEN Yunxia, et al. Study on optimization mechanical properties of improved loess with polypropylene fiber[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2014(11): 12−17.

[3] 牛向飞, 乐金朝, 郭凤妍. 聚丙烯纤维在水泥灰土稳定砂中的应用研究[J]. 路基工程, 2011(4): 129−134. NIU Xiangfei, LE Jinchao, GUO Fengyan. Application study of polypropylene fiber in cement-lime sand[J]. Subgrade Engineering, 2011(4): 129−134.

[4] 璩继立, 孙中明. 纤维素纤维和石灰粉对上海黏土抗压强度的影响[J]. 水资源与水工程学报, 2016, 27(2): 211−215. QU Jili, SUN Zhongming. Influence of cellulose fiber and lime powder on compressive strength of cohesive soil in Shanghai[J]. Journal of Water Resources & Water Engineering, 2016, 27(2): 211−215.

[5] 沈圆顺, 刘玖壮, 郭丽丽. 纤维土作为路用材料的试验研究[J]. 建筑材料学报, 2010, 13(4): 545−549. SHEN Yuanshun, LIU Jiuzhuang, GUO Lili. Experimental study on properties of texsol used in road [J]. Journal of Building Materials, 2010, 13(4): 545−549.

[6] TB10102—2010, 铁路工程土工试验规程[S]. TB10102—2010, Code for soil test of railway engineering[S].

[7] 蔡奕, 施斌, 高玮, 等. 纤维石灰土工程性质的试验研究[J]. 岩土工程学报, 2006, 28(10): 1283−1287. CAI Yi, SHI Bin, GAO Wei, et al. Experimental study on engineering properties of fiber-lime treated soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2006, 28(10): 1283−1287.

[8] 刘寒冰, 何岩, 魏海斌, 等. 聚丙烯纤维改良粉煤灰土[J]. 吉林大学学报(工学版), 2010, 40(2): 431−434. LIU Hanbing, HE Yan, WEI Haibin, et al. Enhancing fly ash soil by blending polypropylene fiber[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2010, 40(2): 431−434.

[9] 宋金岩. 玻璃纤维土的变形及强度特性的试验研究[D].上海: 上海交通大学, 2012. SONG Jinyan. Deformation and strength characteristics of glass fiber-reinforced soil studied by experiments[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2012.

(编辑 涂鹏)

Experimental study on unconfined compressive strength of glass fiber reinforced lime soil

RUAN Bo, PENG Xuexian, MA Chao, ZHOU Kunye, HAN Zhao

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Relying on the laboratory tests, a series of red clay specimens were prepared and subjected to the unconfined compressive strength (UCS) tests. The results indicate that the UCS values of red clay soil specimens mixed with a certain amount of glass fiber and lime increase significantly. Meanwhile, red clay soil specimens modified by lime and glass fiber show water stability. The strength increment of soil specimens modified with glass fiber and lime was higher than that of soil specimens modified with either glass fibers or lime. The UCS of red clay soil specimens increased significantly with increasing fiber length; however, the strength increased with fiber content less than 1‰ and then decreased with fiber content exceeding 1‰. The UCS of red clay soil specimens modified by lime and glass fiber, when not inundated in water, increased significantly with increasing fiber length and content; conversely, the UCS of the inundated specimens increased significantly with increasing fiber length and content when the length of fiber is less than 9mm. The results provide useful reference and guidance to engineering applications where soils modified by lime and glass fiber are used as subgrade filling materials.

glass fiber; lime; red clay; UCS; water stability

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.09.009

TU 411.7

A

1672 − 7029(2018)09 − 2246 − 06

2017−01−12

中南大学实验室开放专项资金资助项目(zzts416)

阮波(1972−)，男，河南新县人，副教授，博士，从事岩土工程方面的研究；E−mail：421084359@126.com