废纤维膨胀土抗剪强度及干湿开裂行为研究

黄勇忠

(广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

在工程实践中经常会遇到高压缩性和低强度的膨胀土路基。通常,这些路基的力学性能不能满足实际工程条件的要求,有必要进行地面改善,以避免对路基、路面甚至上部道路结构造成严重损坏[1]。水泥土作为化学改良最好的方法之一,因其完整性好、水稳定性强、成本低等优点,被广泛应用于各种路基治理工程。然而,大量试验表明,由于水泥土具有抗拉强度低、脆性大、变形性差等缺点,并不适合各类工程。针对上述问题,许多研究人员提出了多种基于不同材料的改进方法,发现使用纤维增强技术作为改善力学性能的方法在路基土壤改良方面表现良好。膨胀土具有高膨胀性和低渗透性,反复的降雨和蒸发使膨胀的土壤不均匀地上升和收缩,土壤产生内应力,导致裂缝,且这些裂缝破坏了土壤的完整性,并为地表水的渗透提供了通道,对路基结构造成重大破坏。

近年来,固体废物产量不断增加。据统计,大多数低收入和中等收入国家每年产生约13×108t固体废物,预计到2025年将增加到22×108t。显然,固体废物的回收利用已成为全球关注的环境问题。一般来说,固体废物由连续废物(塑料、玻璃、金属等)和自然可降解废物(食品、木材、纸张、橡胶、皮革等)组成。垃圾填埋和焚烧是固体废物处理的主要方法,然而,垃圾填埋场的建设消耗了大量的土地资源,焚烧会产生空气污染,因此固体废物资源化利用已成为重要的发展方向[2]。

纤维作为一种工程材料,可以显著增强膨胀土的粘聚力,防止土体裂缝的形成,降低膨胀电位、液化电位和导热电位。一些早期研究人员使用可降解的生物纤维材料(如稻草,剑麻和椰子纤维)来改善膨胀土壤,这可以增加膨胀土壤的剪切强度和稳定性。近年来,其他研究人员采用木质素纤维和甘蔗纤维来改善膨胀土壤,并研究其对粘聚力和内摩擦角的影响[3]。然而,这种类型的纤维会很快被土壤侵蚀,改善土壤作用不持久。

目前大多数关于纤维改良路基土膨胀土裂缝的研究尚未探索干湿循环作用对裂缝发展的影响。因此,本研究使用两种常见的从固体废物中回收的纤维(PF和GF),以评估纤维加筋膨胀土提高路基土壤剪切强度的潜力,并研究添加纤维对膨胀土路基干湿开裂行为的影响。

1 工程背景

膨胀土在南方某城市广泛分布,膨胀土引起的工程灾害(公路路面结构不均匀或开裂、铁路路基变形)是该地区最难解决的问题之一。该公路起始里程为K59+550～K76+560,总长17.024 km,路基主线填挖方路线总长14.32 km,路基采用击实法施工。设计车速为100 km/h,整体式两侧拼宽路基(双向八车道),路基全宽为41 m。路基面形状为三角形路拱,由路基中心线向两侧“人字形”排坡。曲线加宽时,路基面仍保持三角形。由中心向两侧设4%的排水坡,路基排水设施的纵坡应≥2%。当路基填筑后,受自然风化及湿胀、干缩等因素影响,极易发生不均匀沉降及开裂,最大路基沉降为1.9 cm,并伴有软化挤压,导致较大沉降。路基越高,沉降越大、越频繁,因此需要掺入新材料,进一步解决膨胀土路基力学性能及开裂等问题。

2 试验样品准备

2.1 膨胀土壤

在项目现场很难获得均匀的原位土壤样品,因此本研究使用均匀改造的膨胀土壤。从广西宁明收集土壤样品,该地区膨胀土的塑性指数较大,表明其吸水能力强。在干湿循环下,膨胀土的膨胀和收缩较大,容易产生明显的裂缝。此外,膨胀土壤中伊利石(38.86%)、蒙脱石(28.67%)和高岭石(22.98%)的含量非常高。这些高含量的亲水矿物是膨胀土壤大规模扩张的重要驱动力。蒙脱石、伊利石等膨胀性矿物含量越高,土壤膨胀特征越明显。

2.2 纤维

玻璃纤维(GF)和聚丙烯纤维(PF)用作膨胀土加固材料。GF的表面光滑,PF的表面有纹理,比GF粗糙。为了将纤维与土壤均匀混合,本研究使用了长度为9 mm的短纤维。GF直径为16μm,断裂强度为1 000 MPa,断裂伸长率为4%,弹性模量为72 GPa;PF直径为36μm,断裂强度为498 MPa,断裂伸长率为25%,初始模量为3.7 GPa。

3 试验结果分析

3.1 抗剪强度

不同法向应力下GF和PF加筋膨胀土的抗剪强度与纤维含量的关系如图1所示,图2为剪切强度与法向应力之间的关系曲线图。不同法向应力的纤维加筋膨胀土的抗剪强度大于普通土的抗剪强度,且随纤维含量的增加而增加。对于GF增强膨胀土,当纤维含量达到0.3%时,剪切强度达到峰值,然后降低。对于PF增强膨胀土,当纤维含量为0.5%时,剪切强度达到峰值,当纤维含量>0.5%时,剪切强度降低。这表明0.3%GF和0.5%PF是最佳含量,可以增强膨胀土的抗剪强度,充分发挥纤维加固效果[4]。当一定量的纤维均匀地混合到膨胀土壤中时,纤维长丝和土壤颗粒交织在一起,形成许多“交错点”。任何部位的应力和变形都会影响纤维方向,从而形成重新分布应力的区域。当纤维含量超过一定量时,土壤结构和土壤颗粒之间的粘结状态受到纤维的影响,土结构的完整性受到破坏,土颗粒之间的粘结力降低。此外,在正常应力和纤维含量相同的条件下,大多数PF加筋膨胀土比GF加筋膨胀土具有更高的剪切强度。

(a)GF

(a)GF

两种纤维加筋土在不同纤维含量下的粘聚力和内摩擦角如图3所示。对于GF加筋膨胀土,纤维含量为0.3%时达到最大粘聚力(88.59 kPa),当纤维含量继续增加时,粘聚力降低;纤维含量为0.5%时,粘聚力为79.8 kPa;在0.3%的纤维含量下,内摩擦角在18.41°处达到峰值。对于PF加筋膨胀土,在纤维含量为0.3%时,粘聚力达到91.40 kPa的峰值;纤维含量为0.5%时,内摩擦角达到23.02°的峰值。同样可以发现,随着纤维含量的变化,土壤粘聚力达到峰值。总体而言,两种纤维对膨胀土粘聚力的影响更为显著,纤维加筋膨胀土的粘聚力大于原状膨胀土。PF增强膨胀土的粘聚力和内摩擦角的作用明显优于GF。当纤维含量增加到一定值时,粘聚力和内摩擦角将达到峰值,如果纤维含量增加,粘聚力和内摩擦角就会减小。造成这种现象的原因是,当纤维含量小于峰值时,随着纤维含量的增加,曲线凹凸处纤维与土壤颗粒之间的咬合增加,纤维可以在土壤中交织,形成均匀有效的网格状支撑系统。当任一交织点受到外力时,其将带动周围的交织点随之运动,从而分散内部产生的拉应力,减少土体内部某处应力集中的发生。但是,当纤维含量达到一定值时,纤维会在土壤中结块,不能均匀分散。在这种情况下,纤维、土壤颗粒和水之间的摩擦和胶结减少。

(a)粘聚力

3.2 干湿循环条件下裂纹的发展模式

图4为不同次数的干湿循环后原状膨胀土和纤维增强膨胀土的裂缝图像。由图4可知,裂纹随着干湿循环次数的增加而发展,一些土壤样品的裂缝在第一个干湿循环中发展,一些在第二个干湿循环中发展。纤维对改善膨胀土壤裂缝的作用是非常明显的,0.5%GF、0.7%GF和0.5%PF膨胀土在5个干湿循环周期内没有出现主裂缝。0.3%GF和0.3%PF膨胀土在前两个周期没有出现主裂缝,但在第三个周期中出现。在加湿过程中,膨胀土壤的体积膨胀导致原始裂缝愈合。由于愈合部位的纤维含量低,在随后的干湿循环中,裂纹将根据第一或第二裂纹模式发展。

图4 裂纹发展示例图

3.3 纤维含量对裂纹的影响

图5为不同纤维含量的纤维加筋膨胀土(包括1～5次干湿循环)平均裂缝长度和最大裂缝长度的变化曲线。图5表明,随着纤维含量的增加,两种纤维加筋膨胀土的平均裂缝长度和最大裂缝长度均先减小后增加。在0.1%和0.3%纤维含量下,PF在改善膨胀土壤方面比GF更有效,而在0.5%和0.7%纤维含量下则相反。造成这种现象的一个可能原因是GF是一种疏水性材料,在与土壤混合过程中往往会相互缠绕。PF是一种吸收性材料,可以更容易、更均匀地与土壤混合,并促进内应力在土壤体之间的传递。因此,在低纤维含量水平下,PF的改善优于GF。当PF含量高时,土壤中的纤维很容易粘附在模具表面,因为纤维的表面更粗糙。在土壤收缩过程中,纤维的粘附在霉菌和土壤之间产生张力,并在土壤边缘产生张力间隙。

(a)平均裂缝长度

3.4 纤维路基土破坏角

图6为不同纤维含量下的路基土破坏角变化柱状图。由图6可知,在相同的围压下,随着纤维含量的增加,纤维路基土试样的破坏角先减少后增加。当纤维含量为0.6%时,破坏角达到最小值,表明纤维的加入可以在一定程度上改善试样的脆性断裂模式。当纤维含量进一步增加到0.8%时,破坏角仍然小于0掺量试样的破坏角,而且随着纤维含量的增加,改善效果明显。主要原因是,当纤维含量过大时,纤维很可能在土壤中相互重叠,进而导致路基土壤不能被很好地压实,因此改性效果是有限的。此外,当纤维含量在一定范围内时,纤维可以更好地填充路基土试样内部的空隙,纤维和土壤颗粒之间可以形成更稳定的结构,从而改善试样的破坏形式。相反,当纤维含量过高时,纤维很容易在土壤中相互重叠,土壤既不能被很好地压实,纤维也不能很好地连接。因此,试样的破坏角会得到改善,改性效果会下降。

图6 纤维路基土破坏角随纤维含量的变化柱状图

4 结语

(1)GF和PF与膨胀土随机混合后,纤维与土颗粒之间的摩擦力或咬合力对加筋膨胀土的抗剪强度起着一定的增强作用,PF的增强效果优于GF。两种纤维加筋膨胀土峰值抗剪强度对应的纤维含量不同:当GF和PF含量分别为0.3%和0.5%时,纤维加筋膨胀土的抗剪强度达到峰值,而两种纤维类型膨胀土的粘聚力均在纤维含量为0.3%时达到峰值。

(2)在干湿循环中,纤维可以抑制主裂纹的出现,而一旦主裂纹出现,纤维的改善作用将不再明显。结果表明,掺加纤维可以抑制主裂纹出现,对于防止膨胀土路基开裂有一定的效果。

(3)在微观水平上,纤维对膨胀土抗剪切和抗裂性能的改善是由于粘附效应。