水黏土加筋增強(qiáng)的探討

水黏土加筋增強(qiáng)的探討

0纖維復(fù)合材料在水土工材料中的應(yīng)用在對(duì)水的土壤中混合水泥的過(guò)程中，通過(guò)一系列物理反應(yīng)形成一定的強(qiáng)度和耐候性固。因?yàn)橥馏w經(jīng)過(guò)水泥加固后,其物理力學(xué)性質(zhì)能得到較好的改善,同時(shí)水泥土還具有經(jīng)濟(jì)適用、施工方便等優(yōu)點(diǎn),所以在地基加固、止水帷幕、邊坡加固與穩(wěn)定、深基坑支護(hù)等方面得到很廣泛的應(yīng)用。但水泥土從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),仍屬于一種特殊的土體,其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于混凝土,且抗拉強(qiáng)度較低,在水泥土攪拌樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中存在著水平向承載能力較低,用于復(fù)合地基時(shí)仍存在變形較大等問(wèn)題。為此,工程界的許多學(xué)者仍在探求改善水泥土力學(xué)性能的方法。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者曾對(duì)纖維加筋土進(jìn)行了較廣泛的研究,其中對(duì)鋼纖維加筋土和尼龍纖維加筋土的三軸試驗(yàn)結(jié)果表明:鋼纖維加筋土能提高土體的峰值強(qiáng)度和剪損前的剛度;高圍壓下尼龍纖維能提高土體的峰值強(qiáng)度和破壞應(yīng)變,但降低了土體在破壞前的剛度;對(duì)聚酯纖維增強(qiáng)粉煤灰-水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明,聚酯纖維的摻入在提高粉煤灰-水泥土強(qiáng)度的同時(shí),還使其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有浴Ｒ虼?在改善水泥土力學(xué)性能的措施中,利用外摻纖維材料改善其力學(xué)性能也是一種值得研究的方法。相對(duì)于纖維土的研究,國(guó)內(nèi)外對(duì)纖維水泥土的研究并不廣泛。本文探討了將玻璃纖維作為一種外加增強(qiáng)材料摻入到水泥土中,利用玻璃纖維較高的抗拉性能提高水泥土的強(qiáng)度,對(duì)其力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。為了考察玻璃纖維對(duì)水泥土的增強(qiáng)效果,本文采用不同的玻璃纖維摻量,對(duì)水泥土進(jìn)行了7d、30d、90d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)以及三軸壓縮試驗(yàn),并從玻璃纖維水泥土的強(qiáng)度、變形特性方面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。1關(guān)于纖維水土壤測(cè)試1.1試驗(yàn)構(gòu)件的性能土料:采用鹽城地區(qū)軟黏土,取自地表1m以下,土樣為灰黑色細(xì)粒土,含有少量碎貝殼,其部分物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。土樣的部分物理力學(xué)指標(biāo)水泥:采用海螺P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥,其立方體試件3d抗壓強(qiáng)度為21.0MPa,28d抗壓強(qiáng)度為42.7MPa。玻璃纖維:采用無(wú)堿短切原絲,為方便施工,本試驗(yàn)均采用短切1cm的長(zhǎng)度,其主要物理性能見(jiàn)表2。玻璃纖維的主要物理力學(xué)性能1.2試件的制備和養(yǎng)護(hù)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)試件尺寸為7.07cm×7.07cm×7.07cm的立方體。先將土樣烘干后在粉碎機(jī)上粉碎,過(guò)2mm篩,按表3的配比稱(chēng)好試驗(yàn)材料(水灰比0.5),并按一定順序放入攪拌盆內(nèi),用攪拌鏟人工拌和均勻,然后在尺寸為7.07cm×7.07cm×7.07cm的試模內(nèi)壁均勻涂上一層機(jī)油,將拌和后的材料分層裝入試模并振搗壓實(shí),最后刮平表面并蓋上塑料布,試件成型24h后脫模編號(hào)并水下養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期。試驗(yàn)材料配比三軸試驗(yàn)試件尺寸為直徑3.91cm、高8cm的圓柱體。將材料按比例充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?按抗壓和抗拉試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的干密度,采用三軸試驗(yàn)專(zhuān)用三瓣模和壓實(shí)工具將混合料分層裝入并壓實(shí),靜置24h后脫模編號(hào)并水下養(yǎng)護(hù),三軸試驗(yàn)每組配比制備兩組平行試件?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中壓力試驗(yàn)機(jī)以8mm/min的速率連續(xù)均勻加載,直至試件破壞;分別在圍壓為100kPa、200kPa、300kPa下進(jìn)行不固結(jié)不排水剪切三軸試驗(yàn),試驗(yàn)中控制三軸儀軸向應(yīng)變速率1%/min(0.8mm/min),試件軸向應(yīng)變每隔0.2mm記錄測(cè)力計(jì)讀數(shù)一次,當(dāng)測(cè)力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值時(shí),繼續(xù)進(jìn)行3%~5%應(yīng)變后停止試驗(yàn)。2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1通過(guò)抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度增長(zhǎng)情況分析由圖1所示的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,玻璃纖維的摻入對(duì)提高水泥土三個(gè)齡期的強(qiáng)度均有較好的作用,而且強(qiáng)度的提高幅度與玻璃纖維摻入量成正比。在7d、30d和90d齡期時(shí),摻水泥12%、玻璃纖維2%的試件強(qiáng)度已超出單摻水泥15%的試件。在試件的破壞性狀上,摻入玻璃纖維的水泥土試件在抗壓破壞時(shí)出現(xiàn)的裂縫寬度和數(shù)量明顯要小于未摻玻璃纖維試件,破壞時(shí)僅表面出現(xiàn)幾條裂縫;而未摻入玻璃纖維的試件破壞時(shí)除了表面出現(xiàn)較多的裂縫外,還出現(xiàn)外表面剝落的現(xiàn)象。2.2運(yùn)行效果分析由圖2的試驗(yàn)結(jié)果可知,玻璃纖維的摻入對(duì)水泥土三個(gè)齡期的抗拉強(qiáng)度同樣均有較好的提高作用,1%的玻璃纖維摻入量對(duì)水泥土抗拉性的提高明顯優(yōu)于增加3%水泥用量所達(dá)到的效果。而且摻入玻璃纖維后,水泥土試件在短齡期內(nèi)的抗拉強(qiáng)度提高幅度比長(zhǎng)齡期時(shí)的提高幅度大,所以玻璃纖維的摻入短期內(nèi)就能大幅度提高水泥土的抗拉性能。在破壞形態(tài)上,劈裂抗拉試驗(yàn)中未摻玻璃纖維的90d齡期水泥土試件呈現(xiàn)明顯脆性破壞的特點(diǎn),劈裂面橫貫整個(gè)試件,而摻入玻璃纖維的試件則因?yàn)槔w維發(fā)揮了其抗拉作用,破壞時(shí)表現(xiàn)為裂而不斷,裂縫寬度和深度都小于單摻水泥的水泥土試件。因此,玻璃纖維的摻入對(duì)提高水泥土的抗裂性起到了較好的效果。2.3圍壓對(duì)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響7d齡期不同配比的水泥土試件在不同圍壓下的應(yīng)力~應(yīng)變關(guān)系如圖3、圖4、圖5所示。單摻水泥的水泥土試件在初始階段的線(xiàn)性變形相對(duì)于摻入玻璃纖維的水泥土試件略短,較早進(jìn)入了屈服階段。隨著圍壓的提高,不同配比水泥土試件的破壞應(yīng)力和破壞應(yīng)變均逐漸增加,玻璃纖維水泥土試件在不同圍壓下的破壞應(yīng)力均高于同條件下單摻水泥的試件,而且由于纖維的抗拉作用,摻入玻璃纖維的水泥土試件破壞應(yīng)變也大于同條件未摻玻璃纖維試件。在某一級(jí)圍壓下,單摻水泥12%和15%的水泥土試件其破壞應(yīng)力和應(yīng)變?cè)诙听g期內(nèi)相差不大,而摻入玻璃纖維的水泥土試件破壞應(yīng)力、破壞應(yīng)變的大小均與纖維的摻量成正比關(guān)系,在短齡期內(nèi)就能反映出玻璃纖維對(duì)水泥土強(qiáng)度的提高作用。30d齡期不同配比的水泥土試件在各種圍壓下的應(yīng)力~應(yīng)變關(guān)系如圖6、圖7、圖8所示?？傮w上,應(yīng)力~應(yīng)變曲線(xiàn)在上升階段初期呈現(xiàn)出更多的線(xiàn)性關(guān)系,然后進(jìn)入屈服上升階段,但玻璃纖維水泥土的屈服應(yīng)力仍大于單摻水泥的試件。不同配比試件的破壞應(yīng)力點(diǎn)比7d齡期的同條件試件明顯,而且應(yīng)力~應(yīng)變曲線(xiàn)的下降段相對(duì)比較陡峭,試件破壞應(yīng)變?cè)?%~5%左右,小于同條件下7d齡期的水泥土試件。在某一級(jí)圍壓下,30d齡期不同玻璃纖維摻入比的水泥土試件破壞應(yīng)力均高于同條件下未摻玻璃纖維試件,而且摻入玻璃纖維的水泥土試件破壞應(yīng)力也基本與玻璃纖維摻入比成正比;在破壞應(yīng)變上,摻入玻璃纖維的水泥土試件破壞應(yīng)變?yōu)?%~5%,比同條件未摻玻璃纖維試件高1%~2%左右,隨著圍壓的提高,破壞應(yīng)變的差距逐漸縮小。90d齡期不同配比的水泥土試件在各種圍壓下的應(yīng)力~應(yīng)變關(guān)系如圖9、圖10、圖11所示?？傮w上,90d齡期同條件試件的屈服應(yīng)力大于7d和30d齡期試件,塑性變形階段相對(duì)略短,曲線(xiàn)的上升段和下降段的斜率均比7d和30d齡期有較大的增加,破壞應(yīng)力點(diǎn)也更明顯,達(dá)到破壞應(yīng)力后,在應(yīng)變?cè)黾硬皇呛艽蟮那闆r下,應(yīng)力迅速減小,材料逐漸趨向脆性。90d齡期水泥土試件破壞應(yīng)力高于7d和30d齡期的同條件水泥土試件,但其破壞應(yīng)變進(jìn)一步減小。90d齡期摻入玻璃纖維的水泥土試件在不同圍壓下破壞應(yīng)力和破壞應(yīng)變?nèi)愿哂谕瑮l件的未摻玻璃纖維試件,其破壞應(yīng)變比未摻玻璃纖維試件要高0.5%~1.5%左右。因此,玻璃纖維對(duì)90d齡期的水泥土仍有較好的增強(qiáng)作用,增強(qiáng)效果同樣受纖維摻入量的影響。在試件的破壞性狀上,7d和30d齡期試件在不同圍壓下破壞時(shí)主要表現(xiàn)為塑性剪切破壞,破壞時(shí)有比較明顯的斜裂縫,且貫穿整個(gè)試件,破壞面與大主應(yīng)力面夾角在60°左右。隨著齡期的增長(zhǎng),90d齡期的玻璃纖維水泥土試件在圍壓較高時(shí)仍具有較明顯的破壞斜裂縫,剪破角在60°左右,但在低圍壓時(shí)則出現(xiàn)端部被壓裂的情形,破壞形態(tài)接近脆性剪切破壞;而90d齡期單摻水泥的水泥土部分試件破壞時(shí)出現(xiàn)橫貫上下端面的豎向裂縫,在低圍壓時(shí)比較明顯,表現(xiàn)出脆性張裂破壞的特點(diǎn)。因此,在不同圍壓和齡期下玻璃纖維水泥土與單摻水泥的水泥土試件主要呈現(xiàn)出非線(xiàn)性變形的特點(diǎn),但玻璃纖維水泥土的屈服應(yīng)力、破壞應(yīng)力與破壞應(yīng)變高于同條件下單摻水泥的水泥土試件,特別是齡期較長(zhǎng)時(shí)比較明顯。3相結(jié)合處理對(duì)水土工材料影響的機(jī)理本文根據(jù)玻璃纖維水泥土的一些常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)玻璃纖維摻入到水泥土中后水泥土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究,結(jié)論如下:(1)摻入玻璃纖維后水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有較大的提高,水泥土強(qiáng)度隨玻璃纖維摻入比和齡期的增加而增大,并且玻璃纖維對(duì)提高水泥土的抗裂性也起到了較好的作用。(2)不同圍壓下的應(yīng)力~應(yīng)變關(guān)系反映了玻璃纖維的摻入提高了三個(gè)齡期水泥土的峰值應(yīng)力與破壞應(yīng)變,同時(shí)玻璃纖維對(duì)水泥土的增強(qiáng)效果與摻入量成正相關(guān)關(guān)系。(3)材料配比相同,齡期相同的玻璃纖維-水泥土試件其破壞應(yīng)力隨圍壓的提高而增加: