纤维加筋水泥土用于搅拌桩填料的力学特性研究

袁 钊，吴会龙，李 彬

(1.上海城地建设股份有限公司，上海 200062；2.上海城地岩土设计有限公司，上海 200062；3.宿迁学院，江苏 宿迁 223800；4.中铁第五勘察设计院集团有限公司常州分院，江苏 常州 213000)

0 前 言

水泥土目前已广泛应用于基坑工程中作为挡土构件及止水帷幕的关键技术[1]。为进一步达到稳定土体的目的，有研究表明，通过向土中掺入加筋材料形成加筋土，利用拉筋与土体之间的摩擦作用来改善土体变形条件且提高土体的工程性能[2]。而纤维水泥土也作为加筋土的一种，通过纤维与土体的充分混合，在土中相互集聚交接，利用纤维各向同性的特性，增大与土体间的接触摩擦，从而增加土体的抗拉能力[3]。

本文基于相关水泥土及纤维水泥土方向的应用发展情况，针对上海地区的淤泥质粉质黏土层，以玄武岩纤维为外加剂形成纤维水泥土，通过室内无侧限抗压强度及渗透试验来研究纤维水泥土的力学特性，得出合理配合比，以期为不良水土环境中纤维水泥土搅拌桩的工程实际应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究主要选取上海地区淤泥质粉质黏土作为研究对象，依托某基坑工程进行原状土取样。根据地质勘察报告，该土层场地遍布，呈流塑性，属于高等压缩性土层，土性较差，具体物理力学指标详见表1。试验所用水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，纤维采用长度分别为6、9、12 mm的人工玄武岩纤维。

表1 原状土的基本物理力学指标

1.2 试验方案

本试验所需70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试块及直径61.8 mm、高度30 mm的圆柱体试块，采用正交试验对试件分别进行无侧限抗压试验及渗透试验。通过选用L9(四因素三水平正交方式)组合模式进行9组试验，不同影响因素设置包括纤维长度A：6 mm、9 mm、12 mm；纤维掺量B：0.2%、0.4%、0.8%；水泥掺量C：10%、13%、16%；养护龄期D：14d、28d、90d，同时，设置无纤维水泥土作为对照组。

2 结果与分析

2.1 抗压强度试验

图1表示不同试验组试样无侧限抗压强度试验的应力应变关系曲线。由图可知，纤维水泥土应力应变曲线均呈现应变软化特征，当轴向应力达到峰值后，随轴向应变的继续增长，轴向应力迅速降低，且逐渐趋于稳定状态。显而易见的是，在相同龄期下，纤维水泥土的无侧限抗压强度较纯水泥土试样均有较大增长，抗压强度显著提高，而纤维水泥土破坏应变较纯水泥土也有一定增长，表明纤维的掺入提高了水泥土的韧性，这与黄钰程等研究类似[4]。此外，我们发现纤维掺量对强度影响较水泥掺量影响较弱，在相同龄期下，当水泥掺量含量最大时，水泥土抗压强度表现为最强，这可能是较高的水泥含量会引起更多的水化反应，产生初级及二次凝胶反应，导致水泥土强度急剧增强。

(a)14 d养护龄期

2.2 渗透试验

图2表示不同组别试样的抗渗性正交试验结果。由图可知，纤维水泥土的渗透系数处于10-9～10-8cm/s，而纯水泥土为10-10cm/s，因此，添加纤维会提高水泥土的渗透性1～2个数量级，但仍能满足抗渗的安全需求标准。陈峰等人发现纤维的增多可能导致纤维与土颗粒间裂隙增多，纤维发生结团，致使水泥土抗渗性能呈现减缓趋势，这与本研究相一致[5]。

图2 不同组别试样的渗透试验结果

3 结 论

本文针对上海地区典型淤泥质粉质黏土层，采用正交试验研究了不同影响因素下玄武岩纤维加筋水泥土的无侧限抗压强度及渗透系数指标，得出如下结论。

1)玄武岩纤维加筋可显著提高水泥土的抗压强度，但对渗透性表现为负作用。相同水泥掺量下，采用纤维掺量0.2%～0.8%、长度6～9 mm，抗压强度提高了13%以上，渗透系数提高1～2个数量级，仍能满足基坑防渗要求。

2)综合考虑纤维加筋水泥土的抗压强度及渗透性指标，玄武岩纤维对水泥土性能改善的最优配合比为：纤维长度6～9 mm、水泥掺量13%、纤维掺量0.2%～0.4%。

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