黄土掺入聚丙烯纤维后的无侧限抗压强度和变形试验研究

朱 敏, 倪万魁, 李向宁, 王海曼, 赵 乐

(长安大学地质工程与测绘学院,西安 710061)

西咸新区空港新城广泛分布大厚度Ⅲ、Ⅳ级自重湿陷性黄土,黄土遇水结构破坏强度丧失常导致市政管廊、道路不均匀沉降、开裂,造成工程财产损失并成为安全隐患,危害行人。因此考虑含水率变化情况下的地基下部黄土的强度改良是很有必要的。纤维加筋黄土即将黄土与纤维拌和而成,操作简单,工程应用早,可以显著提高黄土的强度[1],但应用于市政工程还需考虑其变形特征。1979年云南田坝矿区建成第一座加筋土挡墙储煤仓[2],后广泛应用于道路、水坝等领域。工程上常用加筋纤维可分为稻草、棕榈丝等天然纤维以及聚丙烯纤维、玻璃纤维等化学纤维。其中天然纤维的工程应用需要进行防腐处理,且加筋效果相对化学纤维较弱,化学纤维相对化学性能稳定,所以应用较广[3]。Kumar等[4]研究表明聚酯纤维显著提高了素土的无侧限抗压强度。李广信等[5]研究聚丙烯纤维加筋土表明其可以提高素土的黏聚力4倍左右。阮波等[6]研究聚丙烯加筋土的剪切强度,认为含水率会增大内摩擦角而对黏聚力影响较小。璩继立等[7]研究聚乙烯醇纤维加入上海黏土力学性能表明,抗剪强度和抗压强度的最佳加筋率分别为1.0%和0.8%。吴继玲等[8]研究聚丙烯纤维加筋膨胀土表明0.3%的聚丙烯掺量的加筋土无侧限抗压强度最高。刘羽健等[9]研究聚丙烯纤维加筋复合固化黄土强度表明聚丙烯纤维长度取12 mm,掺量为0.45%时无侧限抗压强度较高。

然而目前对聚丙烯纤维加筋黄土的强度研究主要是用控制变量法进行单因素的研究,如控制纤维长度研究纤维掺量对强度的影响,考虑含水率变化的研究较少。而对聚丙烯纤维加筋湿陷性黄土而言,黄土具有湿陷性,遇水结构易发生破坏,工程应用中不得不考虑含水率的变化。故基于含水率、聚丙烯纤维长度、聚丙烯掺量的三因素三水平正交试验对聚丙烯纤维加筋湿陷性黄土的无侧限抗压强度和变形模量进行研究。通过极差和方差分析同时考虑多因素变化的影响,更切合工程应用实际情况,可以和基于单因素变化的研究结果进行对比验证,为西咸新区空港新城市政工程建设提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验用土为西安西咸新区空港新城机场附近黄土,基本的物理性质指标如表1所示。聚丙烯纤维为高强度束状单丝有机纤维,基本指标如表2所示。

表2 纤维基本参数Table 2 Basic parameters of fiber

1.2 配合比设置

正交试验设计可以同时考虑多种因素对结果的影响,通过结果评估各个因素的影响水平,是考虑多因素水平试验的一种高效的方法。由于空港地区黄土遇水结构易发生破坏,因此含水率是需要考虑的重要因素,试验所设置的含水率水平为现场取样实测的含水率范围内具有代表性的含水率,为加筋黄土工程应用后含水率可能的变化区间,其中11%含水率为现场取样天然含水率,19.5%为取样黄土最优含水率,25%为现场取样测得的最大的含水率,位于管涵附近。聚丙烯纤维的水平设置参照天然纤维,化学纤维在软土、红土等特殊土的研究和应用结果加以选取[10-16],其长度和掺量水平的具体数值均为可以反映其影响规律的代表性数值。其中各因素编号及水平为:含水率变化w(11%、19.5%、25%)、聚丙烯纤维长度l(6、12、18 mm)、聚丙烯纤维掺量b(0.1%、0.3%、0.5%),掺量为质量比,即纤维和干土质量比值，如表3所示。

表3 正交试验方案因素和水平Table 3 Orthogonal test factors used and their levels

1.3 试验试样与仪器

将现场取的土块碾碎风干,过筛,按照正交试样表将所加的纤维混入风干土中,搅拌均匀,加水拌和至设定含水率,拌和时需要保障纤维在土中均匀分布,拌和完成后养护24 h,使水分均匀。无侧限压缩试验根据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)[17]进行,样品直径39.1 mm,高80 mm,控制试样的压实度为94%,每组样品至少进行3次平行试验,确保结果的重复性。仪器选用南京土壤仪器厂的YSH-2 型石灰土无侧限压力仪,如图1所示,变形控制在0.8 mm/min。

图1 无侧限抗压强度试验试样与仪器Fig.1 Unconfined compression strength test specimens and instrument

2 试验结果与分析

对L9(34)正交试验表中的试样进行无侧限抗压试验可以获得各组试样的无侧限抗压强度qu和变形模量E50,如表4所示。为研究含水率、聚丙烯纤维长度、聚丙烯纤维掺量对无侧限抗压强度和变形模量影响情况和显著程度,对试验数据进行极差分析和方差分析。同时为进一步研究聚丙烯纤维对压实黄土在不同含水率水平下的无侧限抗压强度和变形模量的影响,设置了3个空白对照组,即对11%、19.5%、25% 3组不同含水率的压实黄土进行无侧限抗压试验进而获得其无侧限抗压强度和变形模量,如表5所示。

表4 加筋土正交试验方案与结果Table 4 Orthogonal test scheme and results

表5 未掺纤维黄土强度和变形结果Table 5 Test results of loess without fiber

2.1 试样破坏裂隙分析

唐朝生等[18]对加筋淤泥质黏土研究表明，聚丙烯纤维愈长且纤维掺量愈多,破坏裂隙越小越细且分布越均匀。由图2可知，在相同含水率和应变下,加筋黄土中存在同样的现象,且主要破坏裂隙与顶面的夹角随着无侧限抗压强度越大而越小。11%含水率的试样,即1号、2号、3号试样破坏裂隙与顶面夹角为82°、67°、50°，19%含水率的试样,即4号、5号、6号试样破坏裂隙与顶面夹角为73°、62°、69°且4、6号样无侧限抗压强度仅相差10 kPa，25%含水率试样具有弹延蠕变性,无明显大延展破裂裂隙,即无上述现象。

图2 土样破坏照片Fig.2 Photo of soil sample damage

2.2 无侧限抗压强度结果分析

聚丙烯纤维的掺入对黄土的无侧限抗压强度有很大改良。9组试样中试样5即19.5%含水率黄土掺加0.5%质量比的12 mm聚丙烯纤维时，无侧限抗压强度最大,为3 336.918 kPa；而试样7无侧限抗压强度82.796 kPa是最小值,整体极差为254.121 kPa,大于平均值174.958 kPa。说明各因素水平的变化对无侧限抗压强度数值的影响较大,通过极差分析(表6)可得:①含水率对无侧限抗压强度影响最大,极差达到153.956 kPa；聚丙烯掺量次之,极差达到64.083 kPa；聚丙烯纤维长度影响最小,极差为59.31 kPa,但数值和聚丙烯掺量的极差处于同一水平,二者对侧限抗压强度数据影响相当。②含水率从11%到19.5%,无侧限抗压强度提升了47.3%,而从11%到25%却减少了43.3%,说明对于纤维加筋土存在一个最优的含水率使得无侧限抗压强度达到最大；聚丙烯纤维长度从6 mm增加到12 mm,无侧限抗压强度增加了42.61%,而从6 mm到18 mm,无侧限抗压强度提升了28.02%,表明存在一个最优的聚丙烯纤维加筋长度；聚丙烯纤维掺量从0.1%到0.3%强度提升了11%,从0.1%到0.5%强度提升了44.23%,即随着聚丙烯纤维掺量增加,无侧限抗压强度是一直增加的。

表6 极差分析Table 6 Range analysis table

极差分析可得影响无侧限抗压强度的因素从大到小排列为:含水率w>聚丙烯纤维掺量l>聚丙烯纤维掺量b。进一步根据表7的方差分析结果可知,当显著水平α=0.1时,查表可知Fα(2,2)=9,此时含水率F值为13.40>9,即含水率w显著水平小于0.1,同理聚丙烯纤维长度和聚丙烯纤维掺量的显著水平大于0.1。故相比较聚丙烯纤维的长度和掺量因素,含水率为极显著因子。

表7 方差分析Table 7 Analysis of variance

2.3 变形模量结果分析

纤维加筋土的变形模量是体现其结构变形特征的重要指标,因剪胀性等原因其为随着应力水平变化的变量[19]。刘建龙等[20]、侯天顺等[21]研究发现对于纤维改良土,可以采用平均变形模量E50(0～1/2峰值)进行估算。故选取E50作为试样变形模量分析指标。

通过表6可得:①含水率对变形模量的影响最大,极差达到25.174 MPa；聚丙烯纤维长度和掺量变形模量对变形模量的影响较小,极差分别为9.51 MPa和7.92 MPa。②变形模量随着含水率增大急剧变小,19.5%含水率和25%含水率相比11%含水率分别减小60.28%和94.51%；聚丙烯纤维长度水平从6 mm 增加到18 mm,变形模量先增加再减小,存在一个最优值；聚丙烯纤维掺量从0.1%增加到0.5%,变形模量也是先增加再减小,存在一个最优值。

极差分析可知含水率对变形模量的影响大于聚丙烯纤维长度和掺量,通过方差分析(表7)进一步可知含水率w、聚丙烯纤维长度l、聚丙烯纤维掺量b的F值均大于显著水平α=0.1,难以确定一个绝对的显著因素。

2.4 力学性能机理分析

2.4.1 含水率

在94%压实度时,压实黄土和聚丙烯加筋黄土的无侧限抗压强度的随着含水率变化情况不同,如图3所示。高建伟等[22]研究表明,压实黄土当含水率增加到一定值后,无侧限抗压强度不再随含水率增加而明显降低，而是维持在一定水平,图3所示的11%、19.5%、25% 的重塑黄土强度数据符合该规律。而对于聚丙烯纤维加筋土存在一个最优的含水率,11%含水率时纤维加筋土平均无侧限抗压强度相比11%压实黄土提高了32.38%,25%含水率时提升了20.69%,而19.5% 含水率时提升了2.1倍。对于压实黄土,随着含水率增加,颗粒间空隙充水起到润滑作用,宏观上无侧限抗压强度会变小[23],而由于结合水膜的影响,在含水率提高到一定值后,颗粒间的相对位移会在一定范围增加而结构并未完全破坏,从而能承担更大的应力,进而表现为含水率提高到19.5% 后再提高至25%,无侧限抗压强度并未显著减小。而聚丙烯纤维对土体强度改良主要通过纤维与土颗粒之间的界面力去约束土体的相对移动,因此相同压实度的情况下,含水率越接近最优含水率,聚丙烯纤维与土颗粒结合越紧密,使得纤维抗拔拉能力增强,进而表现为宏观上的无侧抗压强度变大。柴寿喜等[24]对于稻草纤维加筋土也得出类似结论。

图3 qu随含水率变化Fig.3 The qu changes with water content

图4 E50随含水率变化Fig.4 The E50 changes with water content

由图4可得,随着含水率的增加,压实黄土和聚丙烯加筋黄土的变形模量变化趋势相同,均随着含水率增加而减小,当含水率为11%和25%时,压实黄土相比聚丙烯加筋土变形模量分别减小7.13%和3.53%,当含水率为19.5%时则提升了1.42倍,仍小于11%含水率时的变形模量,可见真正影响变形模量的是含水率变化带来的土体原生结构强度变化,这与侯天顺等[25]对水泥改良土的变形模量的研究结论相同。

2.4.2 聚丙烯纤维长度

由图5可知，纤维加筋土的无侧限抗压强度和变形模量随着聚丙烯纤维长度的增加整体变化趋势相同, 12 mm时无侧限抗压强度均值最大,均存在一个最优的长度，且当纤维为18 mm时,无侧限抗压强度均值略高于平均值,E50的均值则小于平均值。而聚丙烯纤维为6 mm的无侧限抗压强度和E50均值均小于平均值,表明聚丙烯纤维长度水平的变化对E50的优选效应高于无侧限抗压强度,这是因为聚丙烯纤维长度愈长,和土体结合越接近一个整体,加筋土会更多地表现出纤维的低弹性模量性质。

图5 E50和qu随纤维长度主效应图Fig.5 Fiber length response graphs of main effects for E50 and qu

2.4.3 聚丙烯纤维掺量

张小平等[26]研究表明，对于某一特定的聚丙烯纤维土, 它的抗压强度不仅取决于纤维的掺量, 而且取决于土的含水量。在湿陷性黄土中,由图6(b)可知，随着掺量增大无侧限抗压强度几乎线性增加,可知在同时考虑含水率和纤维长度时,对无侧限抗压强度没有明显的最优掺量值。这是因为纤维掺量增加会使得纤维的比表面积增大,纤维与土颗粒的摩擦增强进而增加强度,而由于同时考虑了含水率和纤维长度因素,掺量进一步地增加导致的孔隙度增加并没有破坏试样的整体性,导致无侧限强度依旧增加。由图6(a)可知，E50随着聚丙烯纤维掺量增大则存在一个最优掺量值,因为E50表现的是强度之前的试样应力应变情况,和无侧限抗压强度不存在一致性,没有正混杂效应。

图6 E50和qu随纤维掺量主效应图Fig.6 Fiber content response graphs of main effects for E50 and qu

2.5 微观机理分析

由图7可知,纤维表面光滑,整体结构为中空形。对比图8的图8(a)和图8(b),图8(a)为19.5%含水率素土样,图8(b)为19.5%含水率加筋纤维试验组中无侧限抗压强度最大的试样,即5号试样。可以看出，素土和纤维土的微观结构无明显变化,黏土矿物片状堆积成层,面孔隙率分别为40.3%和43.5%,这也是相比较素土,加筋土E50并没有明显改变的原因。

图7 聚丙烯纤维细观照片Fig.7 Micrograph of polypropylene fiber

图8 素土和加筋土500倍电镜照片Fig.8 500 times electron micrograph of loess and reinforced loess

聚丙烯纤维表面较为光滑,并未附着太多黏土矿物颗粒,大量随机分布的聚丙烯纤维在土体中以锚固的方式存在。同时由图7可以看出，由于纤维本身中空,纤维部分径向受压会凹陷,使得纤维和土颗粒咬合更紧密,筋土界面摩擦加大,纤维锚固区域的土颗粒在轴向受压时位移和变形受到约束,纤维越多,在宏观上表现的无侧限抗压强度越大。

3 结论

(1)考虑含水率变化时,聚丙烯纤维加筋黄土的无侧限抗压强度存在一个最优加筋长度,即12 mm左右,但在0.1%、0.3%、0.5%聚丙烯纤维掺量水平下其无侧限抗压强度随着掺量增加而增大,0.5%掺量最优。变形模量则存在一个最优加筋长度的同时存在一个最优加筋掺量,即12 mm长和0.3%的掺量。

(2)聚丙烯纤维加筋黄土的无侧限抗压强度随含水率的增加效果不一,在最优含水率附近的增强效果最佳,强度提升了2.1倍。原因是最优含水率时,土颗粒和纤维接触更加紧密,抗拔拉能力增强。总体上低含水率增强效果优于高含水率。

(3)聚丙烯纤维加筋黄土的变形模量随含水率的变化与不加纤维时变化趋势相同,均随着含水率增加,变形模量减小。