探析纤维加筋膨胀土的特性

近来，长江科学院和华南理工大学对南水北调中线工程膨胀土（岩）的纤维加筋问题进行了试验研究（汤艳红，2008）。

5.8.6.1　试验材料

本试验以弱膨胀土为原料土，两种土工合成纤维（改性聚丙烯单丝和聚酯纤维）为加筋材料。

土样取自南水北调中线工程新乡潞王坟试验段内，土中含大量石灰岩、硅铁结核。从现场观测来看，未出露表层的含水率较高，颜色较深，呈灰绿色；而出露表层的则由于含水率低，颜色由深变浅，呈灰白色。土样的物理性指标如表5.6所示。将土样采用橡胶榔头击碎，过5mm筛除去杂质，将筛余的干土置于塑料桶密封以备用。

表5.6　土的物理性指标

纤维采用改性聚丙烯单丝和聚酯纤维，各项参数见表5.7所示。

表5.7　纤维的参数指标

5.8.6.2　试样制作

试样制作时，按下列公式计算要求的含水率和所需的加水量：

式中：mw为需加水量；m为风干土质量；w为所需制备土样的含水率；w0为风干土的含水率。

在用击实方法制备试样时，每层的土和纤维又分4份放入，将纤维与土混合均匀，然后击实，所用纤维丝每股长度分别为5cm、10cm、20cm、65cm。显然，用这种常规击实方法制出的纤维加筋土试样，其布筋方向为水平方向。

试样制作完成后，在自然条件下养护24h，拆模后，用塑料保鲜袋将试样密封后置于保湿缸养护至龄期，养护温度控制在（20±5）℃。

5.8.6.3　膨胀土的基本性质和力学性质试验

（1）基本物理性试验内容包括含水率及密度试验，颗粒分析试验，比重试验，界限含水率试验，胀缩性试验和击实试验；力学性试验包括直剪试验，无侧限抗压强度试验等。

基本物理性试验所得成果如表5.5所示。

（2）击实试验采用轻型击实，分3层击实，每层25击；试样制备采用干法。试验所得最优含水率为18.3%，最大干密度为1.73g/cm3。

（3）胀缩性试验。根据土工试验规程，将扰动样重塑，并按含水率14.3%与18.4%分别进行压实度90%、95%、98%备样，上覆压力分别为12.5kPa、25kPa、50kPa，进行有荷膨胀率试验，由试验成果可见，初始含水率越低，素土膨胀率越大。其次，在压实度分别为90%、95%、98%时，不同压力下的膨胀率曲线趋势相似。相同含水率下，压实度越大，其膨胀率越大，膨胀力也相应越大。初始含水率对无荷膨胀率有很大影响，但随着压实度的增大或压力的增加，试样密度增大，初始含水率对相同荷载增量所产生的膨胀率增量影响很小。

再次，随着压实度的增加，在相同压力下，两种含水率下的有荷膨胀率值相差越大。

相同含水率下，土的压实度越大，膨胀率越大，其膨胀力也越大；反之，膨胀力越小。因此，土的膨胀力与膨胀变形是互为消长的，它们都是土的膨胀势的表现。

（4）直剪试验。对两个物理性质相近的膨胀土试样进行了排水反复剪试验，由试验结果可看出，试样具有极高的峰值，而残余强度又较低。然而，峰值强度却受含水率、裂隙发育程度、结构面强度等因素影响，有很大的不确定性。

（5）膨胀土无侧限抗压强度试验。从膨胀土无侧限抗压强度试验看出，膨胀土强度对含水率变化十分敏感，含水率14.5%的试样，其破坏强度为600.0kPa，破坏应变值为1.9%；而含水率18.2%的试样，相应的值为370.0kPa，和5.6%，说明遇水膨胀软化非常明显。同时，含水率对试样强度破坏形式也有很大影响，含水率14.5%的试样是典型的脆性破坏；而含水率18.2%的试样，基本上呈应变软化型。

膨胀土的灵敏度较低，主要是原状膨胀土受干湿循环的影响，裂隙和结构面发育造成的。

5.8.6.4　纤维加筋膨胀土的试验方法

（1）无侧限抗压强度试验。采用无侧限抗压强度对纤维加筋土加筋效果影响因素进行研究。试验采用不固结不排水剪，围压为0，剪切速率为1mm/min，当应力达到峰值后再进行3%～5%的轴向变形；如读数无峰值，则试验应进行到轴向变形12%～15%。

（2）常规三轴剪切试验。基本上按有关规程进行。(www.xing528.com)

（3）胀缩性试验。根据土工试验规程规定进行，包括无荷载膨胀率试验和50kPa有荷载膨胀率试验，试样直径61.8mm、高20mm。另外为了比较试样尺寸的影响，还进行了试样直径为150mm、高度为100mm的无荷膨胀率试验。

试验从两方面考虑纤维加筋膨胀土强度的影响因素，一方面考虑试样本身因素的影响（如含水量、密实度等），另一方面考虑外部因素（如纤维掺量、试样尺寸等）的影响，具体见表5.8、表5.9。

表5.8　各因素试验配比方案（过5mm筛土料）

表5.9　纤维加筋膨胀土无侧限抗压强度试验方案

5.8.6.5　纤维加筋膨胀土试验的成果分析

（1）含水率的影响。试样除含水率外，其他试验初始条件均相同，所得成果如图5.63所示。由图5.63可知，强度对含水率变化很敏感，当含水率由天然含水率14.2%升高至18%时，抗剪强度降低。

（2）压实度的影响。纤维掺量1%和3%时的轴向剪应力—应变曲线分别如图5.64所示。可知，两种纤维掺量条件下均有如下规律。

1）应变较小时（＜2%），压实度大的，应力应变曲线的斜率相应也增大；但当应变较大时（＞2%），两种压实度的情况趋于一致。

图5.63　含水率对纤维土试验成果的影响

2）无侧限抗压强度随压实度的增大而提高，纤维土填筑施工中，提高压实度也是增大强度的途径之一。

（3）纤维掺量的影响。纤维掺量不同时的试验结果，如图5.65所示。由图5.65可知：当应变较小时（＜2%），随着纤维掺量的增大，d（σ1-σ3）/dεi反而下降；但当应变较大时（＞2%），d（σ1-σ3）随纤维掺量的增大而明显提高。从图5.65的曲线中也可以看出，两曲线均相交在应变2%附近，只是当压实度较高时，交点处的应力相应也较高。上述现象说明，只有当土体变形较大时，纤维与土的摩擦才发挥作用，使土体强度有较大提高。

图5.64　纤维加筋土的轴向剪应力—应变曲线

（a）纤维掺量1%；（b）纤维掺量3%

图5.65　不同纤维掺量的应力应变曲线

图5.66　掺量1%不同尺寸试样的应力应变曲线

（4）试样尺寸对不排水强度的影响。两试样纤维掺量均为1%，含水率均为18.2%，压实度均为98%，试样尺寸分别为101mm×200mm和39.1mm×80mm，两种尺寸试样的应力应变曲线如图5.66所示。

可以看出：小试样的强度较大试样强度高。纤维加筋土强度受试样尺寸的影响，试样强度随试样尺寸的增大而减小。

屈服点应变前，大、小试样的应力应变曲线是重合的，在不考虑试样加载初期非线性变形的情况下，尺寸对屈服前的变形特性没有明显的影响，说明弹性模量、屈服应变受试样尺寸大小的影响较小。但尺寸效应对无侧限抗压强度σf的影响较大，尤其对掺量为3%的小尺寸试样（直径39.1mm），各向异性及分层现象较严重。

图5.67　纤维加筋土的破坏形态

（a）重塑无加筋；（b）原状无加筋；（c）重塑加筋

（5）试样的破坏模式（图5.67）。纤维土试样的破坏模式与纤维掺量，纤维分布及方向有密切关系。制样过程中，纤维多少存在分布不均的现象，且由于制样击实的影响，纤维多呈水平向分布，故在空间上是各向异性的。纤维土的应力—应变曲线可分为弹性阶段与塑性阶段，试验过程观察发现，在弹性阶段，变形较小，试样无裂隙出现，但当应变大于屈服应变，进入塑性阶段后，试样开始出现纵向裂隙，裂隙最初出现在纤维分布较少的部位，随后，裂隙向纤维较多部位继续发展，当应变20%时，试样破坏。但也有两种情况：大试样（直径101mm）的破坏面不明显，仅中部或底部鼓胀、破碎带处有试样块脱落现象，破坏模式为局部破坏；而小试样剪切破坏面明显，呈整体破坏模式。大样和小样破坏模式的不同，可能与纤维的相对长度有关。