聚丙烯纤维水泥粉质黏土三轴压缩试验研究

邓林飞，阮波

聚丙烯纤维水泥粉质黏土三轴压缩试验研究

邓林飞1，阮波2

(1. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

通过三轴压缩试验，研究纤维掺量对聚丙烯纤维水泥粉质黏土邓肯-张模型参数的影响。研究结果表明：聚丙烯纤维水泥粉质黏土应力应变曲线呈双曲线型，符合邓肯-张模型，通过计算获得了聚丙烯纤维水泥粉质黏土的邓肯-张模型参数；聚丙烯纤维水泥粉质黏土黏聚力随纤维掺量的增加呈幂函数型增长，纤维掺量对聚丙烯纤维水泥粉质黏土内摩擦角影响不大；掺入聚丙烯纤维后，水泥土的破坏模式由脆性破坏转变为塑性破坏。

聚丙烯纤维；水泥土；纤维掺量；邓肯-张模型；黏聚力；内摩擦角

水泥土搅拌桩因其具有施工操作简单、成桩周期短、造价较低、隔水防渗效果好等优点被广泛应用到基坑支护工程中。但是水泥土在应用过程中也暴露出一些缺点，如水泥土是一种脆性材料，抗压强度较高而抗剪强度较低。在基坑支护工程中，水泥土搅拌桩需承受由侧向土压力产生的弯矩和剪力，若水泥土抗剪强度低则可能引起桩体剪切破坏，在水泥土中加入一定量的纤维可以改善水泥土的脆性，提高水泥土的抗剪强度，因此，进行纤维水泥土三轴压缩试验研究有一定的工程实际意义。阮波等[1]通过无侧限抗压强度试验研究玻璃纤维对水泥淤泥质土无侧限抗压强度的影响，提出玻璃纤维的最优纤维长度为9 mm。Sharma等[2]为了提高印度某地方砂土的抗压强度，采用纤维和水泥来加固砂土，通过无侧限抗压强度试验研究了纤维水泥土的抗压强度特性。研究表明，在土体中加入纤维可以使其无侧限抗压强度增加73%以上。贺祖浩等[3]通过室内试验探究聚丙烯腈纤维水泥土的抗拉强度、抗压强度和抗折强度的特性，研究表明纤维对水泥土抗拉和抗折强度的提高幅度要大于纤维对水泥土抗压强度的提高幅度。Correia等[4]研究了聚丙烯纤维水泥土无侧限抗压强度与抗拉强度之间的关系。陈峰等[5]采用不固结不排水三轴试验，研究了玄武岩纤维水泥土的抗剪强度的变化规律，研究表明玄武岩纤维水泥土黏聚力与纤维掺量呈正比关系。Hamidi等[6]为了研究聚丙烯纤维和水泥加固砂土的效果进行了三轴压缩试验。研究表明，水泥砂土中加入纤维后，其内摩擦角和黏聚力都会得到提高，但砂土的相对密度较大时，纤维对水泥砂土的抗剪强度影响更为明显。TANG等[7]对纤维的加筋作用进行了研究。研究表明，纤维的加筋作用主要与土体中的黏结材料、纤维与土体之间界面的有效接触面积和纤维表面的粗糙度有关。一些研究人员对纤维加筋水泥土干缩裂隙的抑制效果进行了研究，发现纤维还能有效阻止水泥土的拉伸或收缩裂隙的发育[8−9]。国内外学者对纤维水泥土抗压强度和抗拉强度特性研究较多，对纤维水泥土邓肯张模型参数研究较少。由于邓肯－张本构模型能较好地反映土体的非线性性态，概念清楚且易于理解，所以在岩土工程数值分析工作中得到广泛应用。本文通过三轴压缩试验，研究聚丙烯纤维掺量对聚丙烯纤维水泥粉质黏土邓肯－张模型参数的影响。

1 试验材料

试验用土来自湖南某工地的粉质黏土，物理力学指标见表1。试验所用纤维为聚丙烯纤维，其物理力学指标见表2。水泥采用P.C 32.5复合硅酸盐水泥，物理力学指标如表3所示。

表2 聚丙烯纤维的物理力学参数

表3 水泥的物理力学指标

2 试验方案

试验考虑围压和纤维掺量2个影响因素，围压选取了100，200，300和400 kPa 4个变量，纤维掺量研究范围从0%~3%，每2个掺量间隔0.5%，一共7个掺量。水泥掺入比采用15%，土样含水率采用40%，水灰比均采用1.0，在标准养护室中养护28 d后进行试验。具体试验方案见表4。

表4 试验方案

3 试样制备及试验

制样过程参照《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233－2011)[10]，先将从工地取来的土用烘箱烘干，然后用碾磨机将土样碾碎，再将碾碎的土样过2 mm的筛，过筛后的土样才能用于试验。试件制备时先在干土中加入水泥并搅拌均匀，然后再加入纤维并搅拌均匀，最后加入水再搅拌均匀，接着将搅拌均匀的土料放入直径39.1 mm，高度80 mm的圆柱体试模中，然后将试模放在振动台上振动2 min，将振实后的试件静置24 h后脱模，脱模后放入温度为(20±2) ℃，相对湿度≥95%的养护室中养护28 d。试件每组制备6个，聚丙烯纤维水泥粉质黏土三轴压缩试验步骤按《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)[11]进行。试验仪器采用TSZ-1全自动三轴仪器。

4 试验结果及分析

4.1 应力应变关系曲线

聚丙烯纤维水泥粉质黏土三轴压缩试验应力应变曲线如图1所示。

(a)纤维掺量0%；(b)纤维掺量0.5%；(c)纤维掺量1%；(d)纤维掺量1.5%；(e)纤维掺量2%；(f)纤维掺量2.5%；(g)纤维掺量3%

从图1(a)可以看出，水泥土三轴压缩试验应力应变曲线为应变软化型，随轴向应变的增大，主应力差先增大后减小，中间会出现1个峰值，峰值应力过后，应力会随应变增大而减小，最后会趋于稳定。从图1(b)~1(g)可以看出聚丙烯纤维水泥粉质黏土三轴压缩试验应力应变曲线为应变硬化型，呈现出双曲线的特征，曲线没有明显下降趋势，主应力差随着轴向应变的增加而一直增大，应力增大的速率随应变的增大会慢慢变小。综上可知，在水泥土中加入纤维后改变了水泥土的应力应变曲线变化规律，使得水泥土的应力应变曲线从应变软化型转变为应变硬化型。

4.2 邓肯-张模型参数结果及分析

聚丙烯纤维水泥粉质黏土应力应变曲线为双曲线，符合邓肯−张模型假设，参照《高等土力 学》[12]第二章第四节中计算邓肯张模型参数的步骤可获得聚丙烯纤维水泥粉质黏土邓肯−张模型的八大参数，试验结果见表5。

表5 邓肯-张模型参数试验结果

4.2.1 聚丙烯纤维水泥粉质黏土黏聚力变化规律

聚丙烯纤维水泥粉质黏土黏聚力与纤维掺量的关系如图2所示。

图2 聚丙烯纤维水泥粉质黏土黏聚力与纤维掺量的关系

由图2可知，纤维水泥土黏聚力随纤维掺量的增加而增加，当纤维掺量小于1%时，黏聚力的增长速率较快，纤维掺量从0%增加到1%，黏聚力增加了26.8%；当纤维掺量大于1%时，黏聚力的增长速率变慢，纤维掺量从1%增加到2%，黏聚力增加了6.8%，纤维掺量从2%增加到3%，黏聚力增加了3.5%。纤维掺量为3%的聚丙烯纤维水泥粉质黏土的黏聚力是水泥土黏聚力的1.4倍。

从黏聚力与纤维掺量的曲线图中可以看出，该曲线具有幂函数的变化规律，假设黏聚力与纤维掺量具有如下关系：

式中：为黏聚力，kPa；a为纤维掺量，%；，和为拟合系数。

用origin软件进行自定义函数拟合，拟合曲线如图3所示，拟合曲线的相对误差如表6所示。

通过软件拟合得到各拟合系数=72.50，=0.52，=295.50，所以聚丙烯纤维水泥粉质黏土黏聚力与纤维掺量的关系式为72.50a0.52295.50，拟合的相关系数为0.985，拟合的相对误差如表6所示，相对误差在−2.39%~3.96%之间，说明该公式拟合效果较好。

4.2.2 聚丙烯纤维水泥粉质黏土内摩擦角变化规律

聚丙烯纤维水泥粉质黏土内摩擦角与纤维掺量的关系如图4所示。

图3 聚丙烯纤维水泥粉质黏土黏聚力与纤维掺量的拟合曲线

表6 黏聚力和纤维掺量拟合公式的相对误差

图4 聚丙烯纤维水泥粉质黏土内摩擦角与纤维掺量的关系

从图4可以看出，纤维掺量对纤维水泥土内摩擦角影响不大，内摩擦角在26.9°~27.9°之间波动，内摩擦角的平均值为27.5°。加入纤维后，内摩擦角略微有增大，增大的幅度不大，纤维水泥土内摩擦角最大值为27.9°比水泥土的内摩擦角增大了1°，最大增幅为3.7%。

4.3 三轴压缩试验破坏模式

三轴压缩试验中水泥土破坏模式如图5(a)所示，聚丙烯纤维水泥粉质黏土三轴压缩试验破坏模式如图5(b)所示。

由图5(a)可知，水泥土破坏后形成了一个非常明显的剪切破坏面，剪切破坏面与水平方向大约成60°，试样破坏模式为脆性破坏；由5(b)可知，聚丙烯纤维水泥粉质黏土破坏后并没有没有形成明显的剪切破坏面，破坏时试件中部略鼓，破坏形式为鼓胀破坏，试样破坏模式为塑性破坏。这说明聚丙烯纤维加入到水泥土中后改变了水泥土的破坏模式，使水泥土的破坏模式由脆性破坏转变为塑性破坏，这是由于纤维水泥土中的纤维发挥了其抗拉性能，有效地抑制了纤维水泥土试件剪切破坏面的产生。

(a) 水泥土；(b) 聚丙烯纤维水泥粉质黏土

5 结论

1) 聚丙烯纤维水泥土应力应变曲线呈双曲线型，符合邓肯−张模型，通过计算获得了聚丙烯纤维水泥粉质黏土的邓肯−张模型参数。

2) 聚丙烯纤维水泥粉质黏土黏聚力随纤维掺量的增加呈幂函数型增长，纤维掺量为3%的聚丙烯纤维水泥粉质黏土的黏聚力是水泥土黏聚力的1.4倍。

3) 纤维掺量对聚丙烯纤维水泥粉质黏土内摩擦角影响不大，内摩擦角在26.9°~27.9°之间波动，内摩擦角的平均值为27.5°。

4) 聚丙烯纤维加入到水泥土中改变了水泥土的破坏模式，使水泥土的破坏模式由脆性破坏转变为塑性破坏。

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[2] Sharma V, Vinayak H K, Marwaha B M. Enhancing compressive strength of soil using natural fibers[J]. Construction and Building Materials, 2015, 93: 943−949.

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[11] GB/T50123—1999, 土工试验方法标准[S].GB/T50123—1999, Standard for soil test methods[S].

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(编辑 涂鹏)

Experimental study on triaxial compression test of polypropylene fiber reinforced cement silty clay

DENG Linfei1, RUAN Bo2

(1. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan 430063, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

The effect of polypropylene fiber content on the parameters of Duncan-Chang model of polypropylene fiber cement silty clay was studied by triaxial compression test.The results show that the stress-strain curve of polypropylene fiber cement silty clay is hyperbolic curve, which conforms to the Duncan-Chang model, and the Duncan-Chang model parameters of polypropylene fiber cement silty clay were obtained.The cohesive of polypropylene fiber cement silty clay increases with the increase of fiber content in power-function type and the fiber content has little effect on the internal friction angle. After adding polypropylene fiber, the failure mode of cement soil changes from brittle failure to plastic failure.

polypropylene fiber; cement soil; fiber content; Duncan-Chang model; cohesion; internal friction angle

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.05.012

TU411

A

1672 − 7029(2019)05 − 1201 − 06

2018−06−26

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@qq.com