加筋黄土的动力特性研究

郜 晓,刘妮娜,2,李 俊,韩一开,飞 菲

(1.长安大学地测学院,陕西 西安 710054;2.西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,陕西 西安 710054;3.上海市地震局,上海 200062)

0 引言

骊山山前段断裂位于渭河盆地东部,整体走向NW,倾向NE,倾角一般为55°。断裂以垂直位错为主要活动方式,是一条全新世活动断裂[1]。该断裂的存在严重影响了西安市的发展和工程建设,它的存在使得工程场地的完整性被破坏,断裂带邻近区域的工程建设将面临土体强度不足等问题。在以往的研究中,为了增强土体强度,通常对土体进行改良。改良土常用的方法有掺加入各种纤维、土工织物等材料提升土体强度。聚丙烯纤维和玻璃纤维在提升土体强度中的应用已经有一定的研究基础和工程实例验证[2]。

加筋技术的理论研究在工程建设中不断发展完善。因为施工工艺简单、材料廉价且能有效提高场地的工程性质,加筋土被广泛应用于路基工程、边坡工程等换填工程项目。加筋技术理论研究中主要利用正交试验对加筋材料改良土体的强度效果进行分析。正交试验是在保证达到试验目的前提下减少试验次数的一种试验方法。在改良土试验方面,正交试验通常以改良材料为因子,观察改良黄土体的强度等静力学参数变化情况。李志斌等[3]、杨博瀚等[4]利用正交试验研究不同配比条件下的水泥土的力学性质;陈四利等[5]研究动荷载作用下腐蚀介质对水泥土动力特性的影响,分析对比不同腐蚀介质的影响程度;邓友生等[6]、李沛达等[7]探究了玄武岩短纤维加筋土提高土体强度的机理。卢浩等[8]、安宁等[9]在边坡降冲刷试验中,得出加筋土能有效降低黄土崩解和边坡冲刷。

在工程应用中加筋土的静力学研究成果得到验证,但随着实际工程条件复杂程度的不断增加,静力学的研究已经不能完全应用于工程实际情况。因此,随着动荷载作用下土体强度研究的不断发展成熟[10],加筋土的动力特性试验研究也受到关注。马闫等[11]、张航等[12]分别将玻璃纤维、栅格加入土体中,探究在不同加筋方式条件下加筋土的动力力学性质;李胜男等[13]在对玄武岩纤维加筋土的动力特性研究中,得出在对纤维加筋土的动力特性研究中应该需要考虑含水率、围压、纤维含量等因素影响;闫春岭等[14]、赵中华等[15]分析行车荷载过程中土体内部孔隙水压力的主要影响因素;马林等[16]对加筋土的动弹性模量进行研究,提出动弹性模量受不同因素影响的衰减预测模型;田兆阳等[17]对软土进行动力学研究,利用最小二乘法拟合出较为简单的软土参与应变和软化指数的模型;李丽华等[18]、王家全等[19]对建筑垃圾、砾性土的加筋情况开展动三轴试验,探究轴向荷载作用下的累计变形发展规律;褚峰[20]利用动单剪仪对涤纶纤维纱加筋黄土进行试验,得出纤维的抗震最优掺入比。在前人研究中动荷载作用下加筋土的动力力学特性和规律不断被揭示。

工程场地是影响工程建设的重要因素,针对特殊工程场地的加筋土研究尚未有较多理论成果,尤其是针对临近断裂带这种特殊工程场地中的加筋土动力特性研究缺乏。因此,通过对骊山山前断裂带区域内典型工程场地取土,根据正交试验设置变量,制重塑纤维加筋土并进行动三轴试验,探究不同饱和度、纤维材料、纤维含量和纤维长度的加筋土动弹性模量变化规律,并进一步通过核磁共振手段对加筋黄土孔隙变化特征进行分析。基于上述试验结果,以期为类似的断裂带内工程建设土体的改良提供理论依据。

1 理论依据

1.1 动弹性模量计算理论依据

试验为探究断裂带附近的加筋土体的动力特性对加筋土体开展动三轴试验。在测量动弹性模量的试验中轴向施加逐级增大的动循环荷载,每级循环荷载震动12次,相当于7级地震[21],震级与等效循环次数关系如表1所列。

表1 震级与等效循环次数关系Table 1 Relationship between magnitude and number of equivalent cycle

对于某一时刻的动应力-动应变可绘制滞回曲线(图1)。通过图1可计算出这一级循环荷载的动弹性模量,即可绘制动弹性模量的变化曲线[22]。动弹性模量由式(1)确定。

图1 动应力-动应变滞回曲线Fig.1 Hysteretic curve of dynamic stress-dynamic strain

(1)

式中:σd代表动应力;εd代表动应变。

根据动应力-动应变滞回曲线可绘制动应力-动应变关系曲线,进一步使用H-D双曲线模型对黄土骨干进行模拟[23-24],通过线性拟合得出动弹性模量和动应变之间的关系(图2)。在H-D双曲线模型中,根据动应力-动应变幅值曲线,引入试验参数a、b插入式(2)中,并结合式(1),得到式(3),即可得到1/Ed-εd的关系曲线,通过参数a、b即可拟合成一条直线。当εd趋近于0时,即最大动弹性模量Ed,max趋近于1/a。

图2 动弹性模量和动应变拟合关系Fig.2 Fitting relationship between dynamic elastic modulus and dynamic strain

(2)

(3)

1.2 核磁共振试验理论依据

核磁共振试验作为一种无损、快速检测样本内部孔隙分布的试验手段,其技术原理是在外部磁场作用下,试样内部水分子中的氢原子核发生偏离。将氢原子核从偏离状态至平衡状态所用时间称为驰豫时间T2。对试样进行核磁共振试验可以得到T2分布曲线,反演曲线便可得到土体内部孔隙的大小及分布情况。

根据核磁共振试验原理,土体的驰豫时间T2表达式为[25]:

(4)

一般情况忽略流体自由弛豫时间和扩散弛豫时间,因此得到式(5):

(5)

又因为流体表面弛豫时间表达式为:

(6)

(7)

则试样内部孔隙的尺寸与存在于该孔隙内部的流体产生的弛豫时间T2成正比,即弛豫时间T2越大,代表试样内部孔隙的尺寸越大;该弛豫时间T2范围下的信号幅值越大,说明处于该尺寸下的孔隙越多。

1.3 正交试验理论

正交试验是研究多个因素多种水平的科学试验方法。与全面的试验次数相比,正交试验从正交表中选取具有代表性的点开展试验,极大地减少了试验次数,并能从开展的试验结果中获取各因素对结果指标的影响关系[3-4]。在正交试验中,因素是对结果指标可能有影响的被研究因子。因素水平为该因素在试验研究中所设定的具体状态。指标是试验的设计考察结果。在任意正交试验中需要考虑以下两个因素:第一,正交试验设计表中因素所在列的各水平出现的次数一致;第二,任意两因素所在列构成的各有序数数量一致。

2 试验概述

2.1 试验仪器与材料

动三轴试验仪器采用英国GDS动三轴仪(图3),试验加载过程中由计算机通过专用软件GDSLab进行试验参数控制和数据采集。核磁共振试验仪器试验使用苏州纽迈试验分析仪器股份有限公司生产的MacroMR12-150H-I核磁共振孔隙分析仪(图4)测定土样的T2谱曲线,试验仪器磁体强度0.5 T,仪器主频率12 MHz,探头线圈直径150 mm。

图3 动三轴试验仪Fig.3 Dynamic triaxial test

图4 核磁共振试验仪Fig.4 Nuclear magnetic resonance tester

试验用土采用西安市临潼区骊山山前断裂带第四系马兰黄土,该层黄土颜色呈褐黄色无层理,不含钙质结核,土质较坚硬(图5)。黄土的基本物理力学参数列于表2。

图5 断裂带场地黄土Fig.5 Loess in fault zone

表2 黄土基本物理力学性质指标Table 2 Basic physical and mechanical properties of loess

试验材料采用玻璃纤维和聚丙烯纤维(图6)。两种纤维价格低廉且性能良好,耐酸耐腐蚀性极强。其力学参数和寿命参数更符合实际工程要求。两种纤维基本物理力学参数列于表3。

图6 纤维材料Fig.6 Fiber material

表3 不同纤维力学参数Table 3 Mechanical parameters of different fibers

2.2 动三轴试验与正交试验设计

试验采用静力压缩法制取常规动三轴试样,试样规格为39.1 mm×80 mm(图7)。制备土样时,首先将黄土风干、将稍大颗粒的土碾碎,根据《土工试验规范》[26]中规定及试验土样直径,取适量的土过2 mm筛。按照正交试验方案制取试样,将不同饱和度的黄土密封静置24 h以上,保证含水率均匀。

图7 不同含量玻璃纤维加筋土土样Fig.7 Reinforced soil samples with different contents of glass fiber

动三轴试验使用英国GDS动三轴仪,采用应力控制加载方式对土样施加动荷载。试验时动荷载选用频率为1 Hz的等幅正弦波循环荷载,围压设置为100 kPa,固结比KC取1.0,固结过程中不排水。

正交试验设计中,根据试验材料分为玻璃纤维和聚丙烯纤维两组试验。以玻璃纤维加筋土的正交试验设计为例,试验以纤维含量、土体饱和度、纤维长度为因素,根据试验设计每个因素取3种水平。

即各因素各水平具体为:纤维含量(0.3%、0.6%、0.9%)、土体饱和度(50%、70%、95%)、纤维长度(6 mm、9 mm、12 mm)。因而本次正交试验可按L9(34)进行正交表头设计(表4)。按照正交试验设计的条件进行动三轴试验,得到各次试验加筋黄土的动力特性指标,通过分析进一步判断出各因素对指标的影响程度。

表4 正交试验表Table 4 Orthogonal test table

同时为了进一步研究纤维对黄土动力特性的影响,还设计了三组未加纤维的素黄土在相同围压、相同振动频率下的动三轴试验。

3 正交试验结果分析

3.1 动弹弹性模量计算

根据本试验结果可绘制两种纤维材料加筋土的1/Ed-εd关系曲线(图8)。由图可知,每条曲线的拟合指数R2均在98%以上,说明加筋黄土在动本构关系上符合H-D双曲线模型。

图8 两种材料的1/Ed-εd曲线Fig.8 1/Ed-εd curves of two fiber materials

3.2 极差分析

表5为玻璃纤维、聚丙烯纤维加筋土的试验结果统计表。表6为两种纤维的极差分析。其中:Ki为各水平下总响应值,可解释为某个因素在各水平的指标之和,ki为其平均值。极差R表示Ki最大值与最小值之差,其值越大,表明该因素对试验结果的影响越强,即根据极差大小判断各因素的主次关系。

表5 试验结果统计表Table 5 Statistical table of test results

表6 两种纤维加筋土极差分析表Table 6 Range analysis table of soil reinforced with two kinds of fibers

由表6结果可知:对比三个因子的极差,玻璃纤维由饱和度所产生的极差为56.264 MPa,相比于纤维含量和纤维长度的极差为15.211 MPa和15.865 MPa。得出动弹性模量的主要影响因子为饱和度,其次为纤维长度,最后为纤维含量。聚丙烯纤维也表现出同样的规律。对比九组试样,玻璃纤维的最大动弹性模量是第四组试验其数值为187.97 MPa;第二组试验动弹性模量最小103.41 MPa,两者极差为84.56 MPa。聚丙烯纤维的最大动弹性模量是第七组其数值为172.12 MPa;最小为第八组111.11 MPa,两者极差为61.01 MPa。

3.3 方差分析

方差分析是直接分析因素影响结果的处理方法。为确定各试验因子对结果影响的显著性程度,探究影响因素的最优含量,对试验数据进行方差分析。根据正交试验结果处理软件的数据处理,最终结果如表7所列。在方差分析中,自由度与选取的因素数量有关,F值的大小是该因素对测试指标影响程度的反映,其值越小说明该因素对测试指标的影响越显著。由表可知,饱和度对纤维加筋土的动弹性模量影响极为显著,纤维含量和纤维长度对动弹性模量有一定影响。探究最优配合比时,结合图9的因素与指标关系图,可得出玻璃纤维加筋土和聚丙烯纤维加筋土的优水平均为0.6%的纤维含量、50%土体饱和度、12 mm的纤维长度。

表7 两种纤维加筋土方差分析Table 7 Analysis of variance of soil reinforced with two kinds of fibers

图9 因素与指标关系Fig.9 Relationship between factors and indicators

4 加筋土动弹性模量影响因素分析

4.1 土体饱和度的影响

从表8中可以得出,在饱和度为50%条件下玻璃纤维加筋土的动弹性模量是黄土的1.5倍,聚丙烯纤维加筋土是黄土的1.4倍。饱和度为70%条件下分别提高到1.7倍、1.6倍;95%饱和度下分别是素黄土的1.4倍、1.5倍。在相同饱和度条件下,纤维加筋黄土的动弹性模量明显高于素黄土。这是由于纤维和土体拌合,纤维丝与土颗粒相互接触、嵌合,束缚土颗粒的移动。纤维自身表面并非平整光滑,因此在纤维表面存在不平整情况。在振动荷载作用下,土体颗粒和纤维材料的接触面在外力的作用下产生相互错动的趋势,此时二者接触面产生摩擦力和咬合力,阻碍土体破坏。对比素黄土内部结构,纤维加筋土不仅存在土颗粒之间的胶结、摩擦嵌合作用,还存在纤维丝与土颗粒之间的摩擦、嵌合等作用。因此,在相同饱和度条件下,土体的夹纤维化作用提高了黄土的动弹性模量。

表8 试验拟合参数、最大动弹性模量Table 8 Fitting parameters and maximum dynamic elastic modulus

随着饱和度的增加,加筋黄土和素黄土的动弹性模量呈减小趋势。土体饱和度从50%增加到95%,玻璃纤维加筋土的动弹性模量降低了27.8%,聚丙烯纤维加筋土的动弹性模量降低了22.5%,黄土降低了26.8%。无论是纤维加筋土还是素黄土,随着饱和度的增加,土颗粒之间的大部分孔隙会被自由水填充。在水的作用下,土体颗粒之间的胶结物质会被水溶解,胶结结构被破坏;同时土颗粒之间的自由水起到润滑作用,降低了土颗粒与土颗粒之间的摩擦力;纤维加筋黄土中纤维与土颗粒之间的摩擦也会随孔隙中水的含量而降低。因此,在振动荷载作用下,随着土体饱和度的增加,土体的破坏更加容易,即加筋土土体的动弹性模量随饱和度的增加而降低。

4.2 纤维长度的影响

玻璃纤维加筋土和聚丙烯纤维加筋土的动弹性模量随长度变化趋势如图10所示。由图可知二者的变化趋势相同,都为动弹性模量随纤维长度的增加而增加。纤维长度从6 mm增加到12 mm,玻璃纤维加筋土的动弹性模量增加了112%,聚丙烯纤维加筋土的动弹性模量增加了107%。玻璃纤维加筋土动弹性模量的增加幅度高于聚丙烯纤维加筋土。随着纤维长度的增加,颗粒与纤维的接触界面增加,土-筋界面的摩擦力和网状结构有效面积增加,加强了土体与纤维的相互作用。纤维加筋土的动弹性模量在振动荷载作用下随掺入纤维长度的增加而增加。

图10 动弹性模量随纤维长度变化图Fig.10 Change of dynamic elastic modulus with fiber length

4.3 纤维含量的影响

玻璃纤维加筋土和聚丙烯纤维加筋土的动弹性模量随纤维含量的变化趋势如图11所示,其增长趋势呈先增长后降低。在土颗粒与纤维接触界面,纤维含量相对较低时,纤维与土颗粒之间的相互作用更加明显,土体与纤维的结合就愈发的紧密,整体性就越强,纤维加筋效果更突出,在振动荷载作用下土体的动弹性模量呈上升趋势。随着纤维在土体中的含量逐步增加,土体与纤维的随机拌合会导致纤维和纤维之间的接触增加,纤维和纤维的接触面相对于颗粒与纤维的接触面为软弱接触面,加筋土土体在振动荷载作用下强度降低。因此,加筋土的动弹性模量呈现先增加后降低的变化情况。图中两条曲线的增长变化说明在该纤维含量范围内存在最优纤维含量,而处于最优含量的纤维加筋土其动弹性模量达到峰值。从图11中明显看出玻璃纤维加筋土和聚丙烯纤维加筋土的最优含量不同,聚丙烯纤维加筋黄土的最优含量低于玻璃纤维加筋黄土。

图11 动弹性模量随纤维含量变化图Fig.11 Change of dynamic elastic modulus with fiber content

4.4 纤维种类的影响

对比分析玻璃纤维和聚丙烯纤维加筋土在同条件下的最大动弹性模量表现(图12),玻璃纤维加筋土的动弹性模量高于聚丙烯纤维加筋土,但数值相差不大。在黄土的加筋理论中,纤维材料是影响加筋土强度的重要因素,纤维加筋土的强度主要由纤维与土体接触界面以及纤维与一定范围土颗粒的联合作用[27]。对比玻璃纤维和聚丙烯纤维两种材料的物性指标,这可能是由于聚丙烯纤维是空心结构,比重相对较小,在相同的纤维含量条件下,土体内的聚丙烯纤维数量更多。过多的纤维数量使得土颗粒与纤维的作用减小,所以在振动荷载作用下表现出比玻璃纤维较小的动弹性模量。

图12 不同纤维加筋土的动弹性模量Fig.12 Dynamic elastic modulus of soil reinforced with different fibers

5 核磁共振试验结果分析

根据核磁共振试验结果可得出两种纤维加筋黄土的T2分布图(图13)。根据式(7)可将土体内部孔隙与弛豫时间T2相联系。通过分析图中峰值分布和峰面积即可得到土体内部孔隙的大小和含量情况。玻璃纤维加筋土有4个峰值,0.25 ms附近存在一个小的峰值,峰面积约9.8%;第二峰在7.91 ms附近,峰面积约47%;第三峰在30.42 ms附近,峰面积约43%;第四峰在505 ms附近,峰面积约0.2%。根据T2曲线峰面积和峰值分布情况,我们可以得出,玻璃纤维加筋土内部孔隙小、分布多。

图13 T2曲线分布图Fig.13 T2 curve distribution

聚丙烯纤维加筋土的T2曲线有两个峰值,主峰位于10.6 ms,其峰面积约占99%。第二峰位于3 488 ms,其峰面积约占1%。这说明,聚丙烯纤维加筋土内部孔隙多为小孔隙,大孔隙几乎不存在。

对比玻璃纤维和聚丙烯纤维在土体内部的孔隙含量与大小,从峰值大小可以看出聚丙烯纤维的孔隙数量上多于玻璃纤维,从弛豫时间可以看出聚丙烯纤维有少数较大孔隙,而玻璃纤维没有,这可能是因为聚丙烯纤维中空结构引起的,力学表现上为玻璃纤维比聚丙烯纤维加筋土有更高的动弹性模量。

6 结论

对骊山山前断裂场地黄土进行不同纤维加筋处理,基于正交试验设计方法,开展动三轴试验。分别从纤维种类、纤维长度、土体饱和度、纤维含量几个方面对纤维加筋土的动弹性模量进行分析,研究结论如下:

(1) 根据极差分析可知,玻璃纤维加筋黄土和聚丙烯纤维加筋黄土动弹性模量由饱和度因素产生的极差分别为56.26 MPa、42.91 MPa。即影响加筋土动弹性模量的主要影响因子为土体饱和度,其次为纤维长度,最后为纤维含量。

(2) 根据方差分析结果探究最优配合比时,可得出玻璃纤维加筋土和聚丙烯纤维加筋土的优水平均为0.6%的纤维含量、50%土体饱和度、12 mm的纤维长度。根据F值可知,饱和度对纤维加筋土的动弹性模量影响极为显著,纤维含量和纤维长度对动弹性模量有一定影响。

(3) 考虑单因素作用下对加筋土动弹性模量的影响,在相同饱和度条件下纤维加筋黄土的动弹性模量明显高于素黄土。玻璃纤维加筋黄土数值约为素黄土的1.5倍,聚丙烯纤维加筋黄土约为素黄土的1.4倍。纤维长度对加筋土动弹性模量的影响呈正相关增长。玻璃纤维加筋土和聚丙烯纤维加筋土的动弹性模量随纤维含量的变化趋势几乎一致,为先增长后降低。

(4) 在相同条件下,对比玻璃纤维和聚丙烯纤维两种材料的物性特征,因为聚丙烯纤维是空心结构,比重相对较小。在加入相同的质量分数的纤维条件下,聚丙烯纤维加筋土内部的纤维数量比玻璃纤维加筋土内部更多,因此玻璃纤维加筋土的动弹性模量比聚丙烯纤维加筋土大。