南疆季凍區玄武巖纖維改良水泥土抗剪強度試驗研究?

巨澍朋，張文權，楊保存，楊曉松，張勤玲

（塔里木大學 水利與建筑工程學院／南疆巖土工程研究中心，中國 阿拉爾843300）

0 引言

近年來，學者們將不同的纖維摻入到水泥土中，將土體改良技術中的化學改良法和力學改良法有機結合，形成纖維加筋水泥土，通常簡稱纖維水泥土。大量結果表明，在水泥土中加入聚丙烯纖維［1］、玻璃纖維［2］、聚苯乙烯纖維［3］等纖維材料可以提高水泥土抗壓和抗拉強度。

季節性凍土區是指地表層冬季凍結、夏季全部融化的地區。玄武巖纖維抗拉強度高、彈性模量大，具有耐腐蝕、耐高溫等特性，在性價比上比其他纖維具有較明顯的優勢，因此，許多學者開展了玄武巖纖維對水泥土加固效果影響的研究［4－5］。胡建林等［6］發現玄武巖纖維對水泥土抗壓、抗拉強度均有所提升； 陳峰［7－9］發現玄武巖纖維的摻入不僅可以提高水泥土的抗拉強度，還可增強水泥土塑性，對其黏聚力增強效果較為明顯；高常輝等［10］通過試驗表明，摻入適量玄武巖纖維能夠使水泥土在破壞時保持較好的整體性。然而，目前將玄武巖纖維摻入南疆季凍區黏土的研究很少見到，本文以玄武巖纖維和水泥為加固材料，對此進行了相應的研究，為玄武巖纖維在南疆季凍區的水泥土加固提供參考。

1 研究內容

本文采用的土樣取自新疆第一師阿拉爾市周邊沙漠公路沿線附近，其基本物理性質指標見表1； 試驗中所采用的水泥為新疆天山水泥股份有限公司生產的普通硅酸鹽水泥，水泥的強度等級為P·O 42.5，試驗摻入水泥含量為9%； 試驗所選的玄武巖纖維為浙江石金玄武巖纖維有限公司生產的短切玄武巖纖維，其參數見表2，摻入纖維長度lf為12 mm～13 mm、纖維摻量af為1.5%。

表1 土的基本物理性質指標數值Table 1 Basic physical property index of soil

表2 玄武巖纖維參數Table 2 Basalt fiber parameters

本研究按照JGJ／T233－2011 《水泥土配合比設計規程》 的要求進行試驗。試樣制作用面積為30 cm2，高為2 cm 環刀的圓柱體試模，將制作好的試樣進行包膜，并在－20 °C 和20 °C 下分別凍融12 h，凍融循環次數N 分別為0 次、1 次、2 次、3 次、4 次、5 次。最后再進行一系列直剪試驗，測出在不同垂直壓力下最大的抗剪強度，并研究抗剪強度及抗剪強度指標與凍融循環次數變化的關系。

本次直剪試驗的試驗方案見表3。

表3 試驗方案Table 3 Experimental research program

2 分析凍融循環次數對抗剪強度以及抗剪強度指標的影響

2.1 凍融循環次數對抗剪強度的影響

在不同法向應力下，取每種配比的3 個數據的平均值作為一次試驗結果進行分析，如圖1 所示。

圖1 水泥土抗剪強度隨凍融循環次數變化關系Fig.1 Relationship between shear strength of soil－cement and the number of freeze－thaw cycles

由圖1 可知，隨著法向應力的逐級增加，抗剪強度呈現增大趨勢，并在法向應力為400 kPa時，其抗剪強度達到最大值。這說明加入纖維后，隨著法向應力的增大，改良土與純土相比其抗剪強度增加幅度更大。

隨著凍融循環次數的增加，兩種試樣的抗剪強度呈現降低趨勢。凍融循環次數在0 ～1 次時，降低幅度最大，說明此階段對玄武巖纖維改良水泥土的抗剪強度不利影響趨勢最大； 當凍融循環次數在增加時，降低幅度趨于平緩，這說明對其抗剪強度不利影響增加趨勢逐漸平緩。當凍融循環次數達到5 次時，抗剪強度最小，且對抗剪強度不利影響達到最大。

由圖1 和圖2 對比可知，水泥含量為9%、纖維長度為12 mm～13 mm 和纖維含量為1.5%的配比組成的改良水泥土的抗剪強度明顯比純土的抗剪強度大，這說明該配比下，纖維的加入，能有效地提高水泥土的抗剪強度。

圖2 純土的抗剪強度隨凍融循環次數變化關系Fig.2 The relationship between shear strength of pure soil and the number of freeze－thaw cycles

2.2 凍融循環次數對抗剪強度指標的影響

根據試驗所得出的試驗結果和繪制出的抗剪強度曲線，最小二乘法擬合土體的內摩擦角和黏聚力值c。

水泥土和純土兩種試樣的抗剪強度指標，如表4 和表5 所示。

表5 純土的抗剪強度指標隨凍融循環次數變化關系Table 5 The relationship between shear strength index of pure soil and the number of freeze－thaw cycles

由圖3 可知，隨著凍融循環次數的增加，兩種試樣的黏聚力呈現降低趨勢，這說明凍融循環對黏聚力起著不利影響。從圖中可以得知隨著凍融循環次數的增加，黏聚力的下降幅度逐漸減小，這說明隨著凍融循環次數的增加，對其黏聚力的不利影響增加趨勢逐漸平緩。當凍融循環次數達到5 次時，黏聚力達到最小值，對黏聚力不利影響達到最大。

圖3 抗剪強度指標隨凍融循環次數變化關系Fig.3 The relationship between shear strength index and the numberof freeze－thaw cycles

從圖3 得知，該配比下的改良水泥土內摩擦角變化范圍21.61°～15.33°，隨著凍融循環次數的增加呈現出先增大后減小再減小的趨勢。且在凍融循環次數從1 次增加到2 次，內摩擦角降低幅度最大，這說明此階段對其內摩擦角的不利影響增加趨勢最大。在凍融循環次數增加到5 次時，內摩擦角達到最小值，對內摩擦角不利影響達到最大。純土的內摩擦角變化范圍13.13°～19.01°。隨著凍融循環次數的增加呈現出先增大后減小再減小的趨勢。且在凍融循環次數從1 次增加到2 次，內摩擦角降低幅度最大，這說明此階段對內摩擦角的不利影響增加趨勢最大。在凍融循環次數增加到1 次時，內摩擦角降到最小值，對內摩擦角不利影響達到最大。

3 結論

通過本文的研究，得到以下結論：

（1） 摻入質量比為1.5%的纖維后，纖維改良水泥土的抗剪強度均有所提高，其中纖維長度為12 mm－13 mm，水泥摻量為9%時，水泥土的強度增長幅度較大，說明纖維的摻入能有效地提高水泥土的抗剪強度。

（2） 通過2 次凍融循環后，由于凍融循環作用，纖維水泥土內部結構發生損壞，改良水泥土的抗剪強度均有所下降； 因水泥水化反應結束，其內部結構趨于穩定，隨著凍融次數的增加，強度降低幅度減小。

（3） 經過5 次凍融循環作用后，未摻入纖維的水泥土抗剪強度指標下降最大，而摻入纖維的水泥土強度指標下降較小。表明水泥土中加入纖維，不僅可以提高抗剪強度，而且可以減緩凍融循環作用下水泥土的抗剪強度損失，對提高水泥土的抗凍性起到了積極的作用。