膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产,具有显著的吸水膨胀和失水干缩两种变形特性[1]。由于这种显著的胀缩特性,常常给膨润土地区的工程建设造成严重的破坏,如地基隆起、路面开裂、边坡失稳等,从而造成巨大的生命和财产损失[2]。采用纤维加筋技术是对膨润土进行物理改良的方法之一[3]。有关纤维加筋技术的研究最早开始于20世纪的70年代,早期Waldron[4]研究了植物的根系对土体边坡稳定性的影响。目前纤维加筋土的技术已应用于多种土木结构中,例如：纤维加筋土挡墙、纤维加筋土路堤、纤维加筋土边坡及纤维加筋压实黏土衬垫等。与此同时纤维土的应用潜力也引起了越来越多的科研人员的兴趣,他们通过无侧限抗压、直剪、固结、三轴以及环剪等各种类型试验,研究纤维加筋土的特殊力学特性[5-6]。李广信等[7]研究表明纤维加筋能够显著提高黏性土的抗剪强度,增加黏性土在拉应力作用下的塑性和韧性,并且具有良好的抵抗水力劈裂能力和提升劈裂破坏后的自愈能力。通过离心模型试验的研究,介玉新等[8]发现纤维加筋黏性土边坡和素土边坡在破坏形式上有着很大的差异,素土陡坡表现为猝然倒塌,而纤维加筋土坡的破坏则是渐进的,土体裂而不断,陡坡裂而不倒。借助于扫描电子显微镜(SEM)技术,Tang等[9]、Li等[10]研究了聚丙烯纤维在不同的土体中筋土界面间的微观力学作用机制,从微观上分析了加筋纤维和基质土体之间的相互作用和力学传递过程。周健等[11]通过三轴试验研究饱和以及加筋层数对玄武岩纤维土工格栅加筋膨胀土的影响,试验结果表明：加筋可以提高其初始屈服应力和峰值强度,饱和可以使其破坏形式变为塑性破坏。

总结以往研究成果,多数研究仍偏重于纤维加筋砂土,有关纤维加筋膨润土的试验研究较为薄弱,尤其是针对纤维含量不同的试验研究不够深入。本文通过三轴压缩、直接剪切等试验深入探究不同含量聚丙烯纤维对膨润土强度和变形的影响。

1 试验

1.1 材料与设备

试验所用土样是南京飞钻膨润土有限公司的膨润土原矿,其物理力学性质如表1所示,试验采用的聚丙烯纤维的物理力学参数如表2所示。

在施工的进行中，首先需要考虑的就是制定一个详细的可行性施工方案，无论是大工程还是小工程，施工方案的制定都要做到详细与精准，一套科学合理的施工方案可以令后续准备工作的开展达到事半功倍的效果。我们需要更加深刻地认识到一点，一份合理的更加科学的施工方案是施工开展的前提和基础，更是施工质量的保障。一套好的施工方案，不仅能够从根本上杜绝一些施工过程中可能存在的问题，而且还能够在一定程度上提高工程的进度与质量，为施工的整个过程带来社会与经济效益。因而一个合理科学的施工方案是非常重要的，在施工方案制定的同时，也要在实践中按拟定的方案一步一步执行。

 

表1 膨润土的物理力学性质Table 1 Physical indices of expansive soil

  

液限wl/%塑性指数IP最佳含水量w0/%相对密度GS最大干密度/(g·cm-3)51．025302．751．36

试验设备主要采用英国GDS全自动三轴仪,其主要由压力架、三轴压力室、压力/体积控制器、数据采集装置和连接装置组成,另外还有ZJ-2型应变控制式直剪仪和WG-1C型系列单杠杆三联固结仪。

 

表2 聚丙烯纤维的主要参数Table 2 Physico-mechanical parameters of polypropylene fiber

  

密度/(g·cm-3)长度/mm抗拉强度/MPa直径/mm弹性模量/MPa断裂延伸率/%0 9112≥460≥0 0015>350010

1.2 土样制备及试验方案

3.3.1 内容效度 研究者将中文版N-QOL提交给5名相关专家后，专家经过商讨，对条目12进行了修改。经测定，各条目I-CVI范围为0.8～1.0,S-CVI为0.923，因此，汉化后的N-QOL具有较好的内容效度。20例预试验对象对各条目的理解符合条目本意，表明量表的表面效度较好。

图4是在常规三轴压缩不排水剪切试验(CU)下不同纤维掺量的纤维加筋土的强度包络线。当纤维掺量为0、0.25%、0.5%时,纤维加筋土的内摩擦角分别为10.4°、10.6°和10.3°,纤维加筋土的黏聚力分别为43.06、50和36.09 kPa。从图4中可以看出随着纤维掺量的增加,聚丙烯纤维土的黏聚力有了明显的变化,但对内摩擦角的影响不大。

“不为什么，原来的同桌把我当成‘自助讲题机’，我不想干了，正好听到老师说你成绩的事，就顺口要求换个座位。”

从图2可以看出：在相同围压的情况下掺入0.25%的纤维能够提高纤维加筋土的抗剪强度,相对于素土来说纤维掺量0.25%在100、200和300 kPa围压下，其抗剪强度分别增长了13.9%、8.3%和8.1%,但在纤维掺量达到0.5%时，抗剪强度相对于素土来说反而出现了一定程度的减小,分析图2中的应力-应变曲线在轴向应变达到5%时,应力已接近极限值,随后轴向应变继续增加,应力水平不再增大,说明纤维加筋土有着明显的屈服阶段。剪切过程中当轴向应变很小时,试样中的纤维还没有伸展到固结以前的状态,此时纤维对土体强度的影响很小,但随着轴向应变的增加,纤维会不断被拉伸直至超过其初始状态,这时纤维的增强作用开始逐渐体现出来。但是当纤维的掺量超过一定限值时,整个加筋土的强度反而会减小,分析认为纤维掺量增加的同时也破坏了原来土与土之间的摩擦力,当纤维掺入过多时，纤维与土之间的摩擦力就会不足以弥补土与土之间摩擦力损失,此时加筋土的强度相对于素土来说就会变小。从图2可以看出：在相同围压的情况下，随着纤维掺量从0～0.25%增加的过程中,纤维加筋土的强度也随之增加,但是在0.25%左右再继续增加纤维的掺量,纤维加筋土的强度便会逐渐降低,在吴继玲等[12]对聚丙烯纤维膨润土的试验研究中也有过类似的结论。

将土样与不同质量掺量(0、0.25%、0.5%)的纤维按照最佳含水量30%均匀拌和在一起,然后将拌和均匀的纤维土混合料在保湿器中养护24 h使含水率均匀,采用击实法将拌和均匀的纤维土分5层击实制成直径39.1 mm、高80 mm的土样,试样密度为1.75 g/cm3。将装有土样的饱和器置于饱和缸中连续抽真空2 h,紧接着往饱和缸中注水直到没过饱和器为止,静置12 h,进行反压饱和,使饱和度达到0.95以上。

2 结果与分析

2.1 压缩试验

为了进一步研究聚丙烯纤维的掺量对膨润土强度的影响,又做了3组不同纤维掺量的纤维加筋土的直接剪切试验,在不同的垂直压力P(100、200、300 kPa)下,施加水平剪切力进行剪切,求得破坏时的剪应力。以抗剪强度(S)为纵坐标，垂直压力(P)为横坐标绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线,直线的倾角为摩擦角(φcq),直线在纵坐标上的截距为黏聚力(Ccq)[14],R2是拟合系数。从图6可以得出当纤维掺量为0、0.25%和0.5%时,纤维加筋土的内摩擦角分别为7.2°、7.4°和7.6°,纤维加筋土的黏聚力(Ccq)分别为31.16、37.89和29.67 kPa。由图6还可以看出:纤维加筋膨润土的强度在纤维掺量0.25%左右达到最大值,另外纤维的掺量对膨润土的黏聚力有着显著的影响,但对内摩擦角的影响不大。

 

表3 压缩试验方案Table 3 Experiment scheme of compression test

  

纤维掺量/%侧限条件土样饱和度/%含水量w/%加载路径/kPa初始孔隙比e00无侧限95．330．360—135—200—320—200—135—200—320—4801．1450．25无侧限97．231．160—135—200—320—200—135—200—320—4801．1180．5无侧限95．930．860—135—200—320—200—135—200—320—4801．1290侧限—30．350—100—200—400—600—400—200—100—200—400—600—800—10001．1670．15侧限—30．150—100—200—400—600—400—200—100—200—400—600—800—10001．1600．25侧限—30．650—100—200—400—600—400—200—100—200—400—600—800—10001．1550．35侧限—30．050—100—200—400—600—400—200—100—200—400—600—800—10001．1460．5侧限—30．150—100—200—400—600—400—200—100—200—400—600—800—10001．160

注：试验采用分级加载的形式,每级荷载下固结24 h。

  

图1 纤维加筋膨润土压缩试验结果Fig.1 Compression test data for fiber-reinforced expansive soil

2.2 常规三轴固结不排水剪切试验(CU)

为了研究纤维掺量对加筋土强度的影响,分别对3种不同纤维质量掺量(0、0.25%、0.5%)的纤维加筋土进行常规三轴固结不排水剪切试验(CU),试验结果如图2、图3所示。

同样为了研究纤维对膨润土强度的影响,分别利用GDS全自动三轴仪和ZJ-2型应变控制式直剪仪对不同质量掺量(0、0.25%、0.5%)的纤维加筋膨润土进行常规三轴固结不排水剪切试验(CU)和固结快剪试验(CQ),在CU试验中每种纤维含量做3种不同围压(100、200和300 kPa),剪切速率取0.05 mm/min。CQ试验中每种纤维含量做3种不同的垂直压力(100、200和300 kPa)，剪切速率取0.8 mm/min。

  

图2 相同围压下纤维加筋土的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain relationships for fiber-reinforced soil of the same pressure

  

图3 CU试验中孔隙水压力和轴向应变的关系Fig.3 Pore water pressure of the same confining pressure in undrained triaxial compression tests

图5为CU试验下试样剪切后的破坏。从图5中可以看出：试样剪切后主要破坏模式为中部鼓起,四周掺有微小的裂缝。素土试样剪切后放置在空气中，在有小裂缝的情况下会逐渐延伸、加大直至贯穿,但在掺加纤维后可以看到裂缝得到有效控制。

为了研究纤维含量对纤维加筋膨润土压缩特性的影响,利用GDS全自动三轴仪和WG-1C型系列单杠杆三联固结仪对不同纤维含量的纤维加筋膨润土分别进行等向压缩试验和侧限压缩试验,试验方案如表3所示。

  

图4 CU试验中不同纤维掺量下纤维加筋土的强度包络线Fig.4 Strength envelope of fiber-reinforced soil in different fiber content from CU test

图3为在剪切过程中随着轴向应变的增加孔隙水压力的变化曲线。对于正常固结的黏土,土体的各向异性、压缩指数、膨胀率的不同以及应力历史的影响等都会使土体在剪切过程中产生体积变形从而形成孔隙水压力[13]。由图3中可以看出：纤维掺量0.25%相对于素土来说会产生更多的孔隙水压力,因为纤维加筋土在剪切过程中形成了孔隙水压力，但纤维的掺入有效抑制了一部分土体的变形,在不排水情况下土体中的孔隙水压力无法消散,而当纤维掺量在0.25%左右时，土体抵抗变形的能力最强,故在同一轴向应变下产生的孔隙水压力也会更多。

  

图5 土体剪切后在空气中放置5、10、15 min后变化Fig.5 Changes of shear after the placement of 5，10 and 15 min in air

2.3 固结快剪试验(CQ)

根据指定的试验方案,对不同纤维含量的膨润土进行等向压缩试验和侧限压缩试验。试验结果如图1所示。图1(a)表示不同纤维掺量下等向压缩试验εv-lg p曲线,图1(b)表示不同纤维掺量下聚丙烯纤维土的体积压缩系数。从图1(a)、1(b)中可以看出：在膨润土中随着所掺加的纤维量的增加,聚丙烯纤维土的体积压缩系数在一定范围内出现先减小然后逐渐增大的现象,在纤维掺量0.25%左右效果最好,可以有效抑制土体的变形,分析认为聚丙烯纤维土在受到压缩时纤维和土体的界面上产生切应力,限制了土体进一步被压缩,即纤维和土体界面产生的摩擦力抵消了一部分压应力。图1(c)是不同纤维掺量侧限条件下e-lg p曲线,图1(d)是不同纤维掺量下聚丙烯纤维土的回弹指数和压缩指数曲线。从图1(c)、1(d)中可以看出：随着纤维掺量的增加土体压缩指数和回弹指数大体上呈先增再减的趋势,在纤维掺量0.25%～0.35%存在一个最优加筋率。

  

图6 直剪试验中不同纤维掺量下纤维加筋土的强度包络线Fig.6 Strength envelope of fiber-reinforced soil in different fiber content from direct shear test

3 结论

1)纤维加筋可以有效控制试样剪切后裂缝的进一步发展,有效抑制膨润土体的变形,并存在一个最优纤维加筋率。

2)加入聚丙烯纤维后,在同一围压下,随着纤维掺量的适当增加,其主应力差也随之增大,绝大部分试样轴向应变在5%左右其应力就已接近极限值,而后应力-应变曲线处于水平状态,应变增加,应力不再增加,有明显的屈服阶段。

3)纤维加筋可以有效提高膨润土体的抗剪强度,在相同围压下掺加纤维0.25%左右,纤维增强的效果最好,且一定范围内抗剪强度随纤维掺量的增加而增加;相对于内摩擦角,纤维对黏聚力的增加效果更加显著。

猛一下子由无所事事的公务员转变为忙忙碌碌的打工者，工作节奏的骤然加快，令高潮很长时间都难以适应。在经过几次老板炒他鱿鱼和他炒老板鱿鱼之后，高潮终于决定不打他娘的工了，自己做老板。对于创业的规划，高潮从打工那天开始，就一直在心里暗暗盘算。因为高潮发表过一些诗歌，认为自己是个不折不扣的文化人了，因此，他都是选择到一些杂志、网站做编辑，对这些身份不太明确的媒体的运作程序渐渐有所了解。甫一辞职，高潮就花了伍佰圆钱，请人做了一个名为“焦点调查”的网站，开始了他的创业之旅。

龙首山地区属于祁连—秦岭成矿省的祁连—龙首山成矿带，其在大地位置上属于位于华北板块西南缘，阿拉善地块的南缘，南接河西走廊过渡带，北邻潮水盆地(图1)。在漫长的地质构造演化过程中，龙首山地质演化经历了三大发展阶段：前寒武纪地块的形成和发展阶段；古生代拱断带的形成和发展阶段，中新生代断块活动阶段。

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