PVA 纤维水泥土的动力特性试验研究

孙 磊,王依凡,吴 瑕

（宿州学院 资源与土木工程学院,安徽 宿州 234000）

伴随我国经济的高速发展,公路、铁路（地铁） 、机场跑道等交通基础设施的建设规模不断扩大。 在上述工程的建设过程中,水泥土的应用最为广泛,并且在后期服役过程中,水泥土将承受来自汽车、火车与飞机等交通工具的动力荷载及地震的循环作用。 因此,研究水泥土在循环荷载作用下的动力特性,对深入揭示水泥土交通路基在循环荷载作用下的沉降和疲劳破坏等工程特性,进而提升其服役性能意义重大[1-4]。

随着施工工艺的不断改进,水泥土已从最初单纯的水泥与土的混合物发展成为集水泥、土、纤维、外加剂等多种材料为一体的复合物,其工程力学性能也在不断优化改进。 比如在传统水泥土的基础上加入纤维材料形成纤维水泥土,其韧性得到了有效提升,在一定程度上避免了传统水泥土因脆性较大而突然发生断裂破坏的情况[5]。 目前纤维材料的种类繁多,可以形成不同种类的纤维水泥土,工程中经常使用的有玻璃纤维水泥土、玄武岩纤维水泥土、聚丙烯纤维水泥土等。 针对不同种类的纤维水泥土,国内外专家学者也开展了一系列研究。 Ates[6]通过试验发现玻璃纤维能够有效减少水泥土发生破坏时的位移。 沈晨等[7]通过试验探究了玄武岩纤维长度对水泥土强度及韧性的影响,发现玄武岩纤维长度为9 mm 和12 mm 时对水泥土力学性能的改善最为明显。 梁仕华等[8]通过试验发现在水泥土中掺入0.4%的聚丙烯纤维能够提升其无侧限抗压强度,且能够有效延缓水泥土裂缝的发展。 然而,上述研究多基于静力学的视角,没有考虑动力荷载效应。 陈善民等[9]通过三轴循环剪切试验和共振柱试验探究了水泥土的动力特性,并提出了双曲线函数形式的动态本构模型。 王军等[10]通过逐级三轴循环加载试验并结合双曲线修正模型构建了水泥土应力-应变关系的经验模型。 张鹏等[11]基于共振柱试验探究了水泥掺量、围压和剪应变水平等对水泥土动剪切模量和阻尼比的影响。 马芹永等[12]通过冲击压缩和动态劈裂试验探究了玄武岩纤维对水泥土在爆炸冲击荷载过程中能量吸收及碎块块度分布特征的影响。 曹海等[13]通过冲击试验探究了玄武岩纤维掺量对水泥土冲击劈裂性能的影响,指出当玄武岩纤维掺量为1.5%时,水泥土的冲击劈裂强度和吸收能达到极大值。 王闵闵等[14]通过三轴循环加载试验研究了聚丙烯纤维和玄武岩纤维对水泥土动强度和动弹性模量的影响,进一步证实了纤维掺量及种类对水泥土动力特性具有显著影响。

综上所述,目前关于水泥土与纤维水泥土的静力和动力特性均已开展了大量试验及理论研究,但还鲜有纤维长度对水泥土动剪切模量和阻尼比等动力特性影响的研究。 因此,本研究通过动三轴循环剪切试验,探讨了不同纤维长度条件下聚乙烯醇（PVA） 纤维对水泥土动力特性的影响,研究结论有助于加深对纤维水泥土动力特性的认知,可为工程实践提供更加科学的理论依据和指导。

1 试验部分

1.1 试验仪器

本试验采用DSZ-2 型电磁振动三轴测试系统（图1） 进行。 该系统采用电磁振动施加动应力,气压提供静压力,提供方波、三角波、正弦波、半正弦波、锯齿波等多种波形的动力加载,加载频率为0 ～10 Hz,可以实现对地震、交通、风浪等动态作用的模拟。

图1 DSZ-2 型电磁振动三轴测试系统Fig.1 DSZ-2 electromagnetic vibration triaxial apparatus

1.2 试验材料及试样制备

试验所用材料主要包括粉质黏土、水泥和PVA 纤维。 粉质黏土取自安徽宿州某在建工程工地基坑内,经实验室基本物理指标测定可知,其相对密度约为2. 69,最优含水率约为21. 3%,液限和塑限分别为37.27%和24.64%,塑性指数为12.63,最大干密度约为1.71 g/cm3;水泥为海螺牌P·O 42.5 普通硅酸盐水泥;PVA 纤维采购自长春化工（江苏） 有限公司,选择纤维长度为3 mm、6 mm、9 mm 和12 mm 4 种规格,单丝直径约为30 μm,抗拉强度约为1 100 MPa,弹性模量约为30 GPa,密度约为1.5 g/cm3。 PVA 纤维水泥土试样制作的基本流程如图2 所示。

图2 PVA 纤维水泥土三轴试样制备流程Fig.2 Triaxial sample preparation process of PVA fiber reinforled cement soil

本研究主要探究PVA 纤维长度对土体动力特性的影响,制样时控制水泥掺量统一为干土质量的5%,水灰比（质量比） 按0.5 控制,纤维掺量统一为干土质量的0.2%,三轴试样高80 mm、直径39.1 mm,详细步骤如下:

1） 将工地现场所取土体在实验室烘干、破碎并过2 mm 筛,按照21.3%的最优含水率用喷壶将自来水喷在土样表面并搅拌均匀,随后装入密封袋中浸润24 h,备用。

2） 根据配合比取定量的土样、水泥和PVA 纤维混合并搅拌均匀,利用三轴静压加载装置和模具,采用分层压实法制备标准的圆柱体三轴试样。

1.3 试验方法

本试验主要模拟刚施工完成工况下的水泥土动力特性,同时考虑到地下水、降雨及仪器等因素的影响,故采用饱和试样进行动力特性测试。 PVA 纤维水泥土饱和试样三轴循环加载试验基本流程见图3。

图3 PVA 纤维水泥土三轴循环加载试验流程Fig.3 Cyclic triaxial test process of PVA fiber reinforced cement soil

如图3 所示,PVA 纤维水泥土三轴动力测试流程可大致分为以下3 个步骤:

1） 首先将制备好的水泥土三轴试样装入饱和器中,然后放入真空饱和缸内并注入自来水直至漫过饱和器,最后连接真空泵抽真空饱和,一般持续48 h 以确保试样充分饱和。

2） 待试样饱和完成后取出三轴饱和器中的水泥土试样并在其周边和上下端贴上滤纸,随后利用橡皮膜对试样进行包裹并安装固定到三轴压力室底座上,整个过程尽量避免对试样的扰动。

3） 安装三轴压力室外罩,打开进水阀向压力室注入无气水直至漫过试样顶部约1 cm 后关闭。 在试样前期抽真空饱和的基础上进一步利用反压对试样进行二次饱和,待试样的饱和度达到96%以上则认为试样处于完全饱和状态,随后保持反压恒定继续增大围压到试验方案设定值使试样排水固结,整个固结过程持续48 h。 待试样固结完成后关闭排水阀,利用设备自带的动模量和阻尼测试软件,选择图3 中所示的正弦波并输入相关参数（围压、频率、动应力幅值、循环次数等） 进行逐级循环加载,轴向动态偏应力幅值qd分10 级,按照0.1 倍的围压值逐级增大,加载频率选择1 Hz,每一级循环加载10 次。 具体试验方案如表1 所示。

表1 动三轴试验方案Tab.1 Cyclic triaxial test plan

2 结果与分析

2.1 动态剪切模量与阻尼比的定义

土体动态剪切模量（Gd） 和阻尼比（λd） 的确定通常采用动态单剪试验,图4 为土体在动态单剪试验下的典型动剪应力与剪应变（γd） 关系曲线。 连接图4 中滞回曲线最低点（C） 与最高点（A） 可得直线AC,其斜率定义为Gd;λd通常用于表征土体在循环荷载作用下的能量耗散,其定义如下:

图4 动剪应力和γd 关系曲线Fig.4 The relation curve of dynamic shear and γd

式中:WD为图4 中滞回曲线的面积;WS为图4 中三角形OAB的面积。

由于本研究采用的是动态三轴试验,故需要通过如下换算得到动态剪切模量[15],即

式中:μ为泊松比,当土体处于饱和状态时取0.5;εd和Ed分别为动三轴试验中土体的轴向应变和动弹性模量。

2.2 围压对Gd 和λd 的影响

图5 给出了PVA 纤维掺量和纤维长度一定（w=0.2%,L=6 mm） 时,不同围压下水泥土试样在逐级循环加载作用下的Gd随γd的变化曲线。 从图5 可以看出,PVA 纤维水泥土在不同围压下的Gd-γd关系曲线基本类似,随γd的增大,Gd逐渐衰减,同等γd水平下,围压越高,Gd越大;此外,图5 中的曲线还表明围压对PVA 纤维水泥土Gd的影响程度随着γd的增大逐渐减弱。 根据图5 中曲线变化特点发现,可以采用双曲线函数对Gd与γd的关系曲线进行拟合,即

图5 不同围压下Gd 与γd 的关系Fig.5 Relationship between Gd and γd under different confining pressures

式中:a和b为拟合参数。 拟合结果如图5 中的虚线所示,可见拟合值与实测值吻合较好。

进一步对不同围压下纤维水泥土试样的Gd采用最大动剪切模量（Gdmax） 进行归一化处理,结果如图6所示。 其中,Gdmax可利用式（4） 通过外推法确定,当γd=0 时,Gdmax=1/a,对应于围压50、100、200、300 kPa,Gdmax分别为172.71、181.49、191.94、204.92 MPa。 从图6 可以看出,当PVA 纤维掺量和长度一定时,同等γd水平下,归一化动剪切模量（Gd/Gdmax） 伴随围压的增大逐渐变小。 此外,不同围压下的Gd/Gdmax与γd之间近似存在良好的非线性关系且与围压有关,Gd/Gdmax与γd的关系曲线同样符合双曲线函数的变化特征,可采用式（4） 进行拟合,结果如图6 所示。

图6 不同围压下Gd/Gdmax 与γd 的关系Fig.6 Relationship between Gd/Gdmax and γd under different confining pressures

为分析围压对PVA 纤维水泥土λd的影响,进一步绘制了相同条件（w=0.2%,L=6 mm） 下,水泥土试样在不同围压下逐级循环加载所获得的λd随γd的变化曲线,见图7。 从图7 可以发现,随着γd的增大,λd呈现出与图5 完全相反的演化规律,即伴随γd的增大逐渐增大。 此外,同等剪应变水平下,随着围压的增大,λd逐渐变小。

图7 不同围压下λd 与γd 的关系Fig.7 Relationship between λd and γd under different confining pressures

2.3 纤维长度对Gd 和λd 的影响

图8 为PVA 纤维掺量和围压一定（w=0.2%,p′0=100 kPa） 时,不同纤维长度条件下,水泥土试样Gd随γd的变化曲线。 从图8 中可以看出,掺入不同长度PVA 纤维的水泥土在循环荷载下的Gd随着γd的增大逐渐降低。 对比图8 中的曲线可以发现,当γd一定时,PVA 纤维越长,水泥土试样的Gd就越大,说明纤维长度对水泥土的Gd具有重要影响,然而伴随γd的增大,影响逐渐减弱。 图8 中虚线为采用式（4） 对实测Gd与γd的关系曲线拟合的结果,可见拟合效果较好。

图8 不同纤维长度下Gd 与γd 的关系Fig.8 Relationship between Gd and γd under different fiber lengths

根据图8 中Gd与γd的关系曲线拟合结果可以确定,L为3、6、9、12 mm 时,水泥土试样的Gdmax分别为161.29、181.49、200.04、216.93 MPa。 采用Gdmax对图8 中纤维水泥土试样的Gd进行归一化处理,结果如图9 所示。 从图9 可以看出,Gd/Gdmax与γd之间存在良好的非线性关系且与纤维长度有关,采用式（4） 的双曲线函数进行拟合,结果如图9 中的虚线所示。 进一步对比图9 和图8 可以看出,在PVA 纤维掺量、围压等试验参数以及γd水平相同的工况下,随着PVA 纤维长度的增加,Gd/Gdmax与Gd呈现出完全相反的演化规律。

图9 不同纤维长度下Gd/Gdmax 与γd 的关系Fig.9 Relationship between Gd/Gdmax and γd under different fiber lengths

PVA 纤维掺量和围压一定（w=0.2%,p′0=100 kPa） 时,不同PVA 纤维长度条件下水泥土试样λd随γd的演化规律如图10 所示。 图10 中的曲线表明,纤维长度对水泥土试样的λd具有一定影响,且影响程度随着γd的增大逐渐增强,在给定的γd水平下,纤维越长,水泥土试样的λd越小。

图10 不同纤维长度下λd 与γd 的关系Fig.10 Relationship between λd and γd under different fiber lengths

3 结论

1） PVA 纤维水泥土的动剪切模量随着剪应变的增大逐渐变小,两者之间的关系可通过双曲线函数加以表征,其他试验参数一定时,增大围压和PVA 纤维长度均能够提高水泥土的动剪切模量。

2） 通过回归分析结合外推法确定PVA 纤维水泥土的最大动剪切模量,并对不同工况下的动剪切模量进行归一化处理,Gd/Gdmax-γd关系曲线同样可以用双曲线函数加以描述,且与围压和PVA 纤维长度有关。

3） PVA 纤维水泥土的阻尼比随着剪应变的增大逐渐增大,且受围压和PVA 纤维长度的影响,影响程度随着剪应变的增加逐渐增强;其他试验条件一致时,PVA 纤维水泥土的阻尼比随着围压的增大或PVA 纤维长度的增加逐渐变小。