聚丙烯纖維復(fù)合土應(yīng)力-應(yīng)變性狀及強(qiáng)度特性研究

聚丙烯纖維復(fù)合土應(yīng)力-應(yīng)變性狀及強(qiáng)度特性研究

1土體張拉微裂紋的土體特性土壤物理破壞機(jī)制和加固方法是土壤力學(xué)的一個(gè)重要課題。在實(shí)際工程中由于受到外界各種各樣環(huán)境介質(zhì)的作用而導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)損傷,發(fā)生一系列巖土的裂縫、滑坡、坍塌、滲透變形等工程事故,是巖土工程中一直亟待解決的棘手問題。土體受外力作用后,不管應(yīng)力如何,包括拉力、壓力、剪力,均會(huì)在土體內(nèi)形成張拉性微裂紋,使土的結(jié)構(gòu)連續(xù)性遭到破壞。張拉微裂紋的擴(kuò)展、合并過程是應(yīng)變能的釋放、抗剪強(qiáng)度不斷降低的過程,也是土體損傷、漸進(jìn)性破壞的過程。由于聚丙烯纖維具有高耐化學(xué)腐蝕性、不吸水、高強(qiáng)度、蠕變收縮小、價(jià)格低廉等特點(diǎn),是一種耐久性極高的高分子材料,目前在工程上已較多地應(yīng)用于混凝土中,聚丙烯纖維應(yīng)用于土中研究較少。本試驗(yàn)研究的目的是選擇聚丙烯纖維的最佳類型、確定最佳摻入量、分析聚丙烯纖維復(fù)合土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及對(duì)強(qiáng)度特性的影響,使聚丙烯纖維更有效地改善土體的微結(jié)構(gòu),提高土體抗剪強(qiáng)度、抗拉應(yīng)力、抗裂能力,從而彌補(bǔ)土體多孔、散體性、易裂性、易損傷的缺陷。2試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法2.1聚丙烯纖維在土中的分散性試驗(yàn)用土取自江南大學(xué)蠡湖校區(qū),土為粉質(zhì)黏土,土的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。試驗(yàn)分別選用束狀單絲聚丙烯纖維和網(wǎng)狀聚丙烯纖維,其物理力學(xué)性能見表2。試驗(yàn)用土經(jīng)人工碾碎過篩,預(yù)配土樣含水率為25%,將土樣攤平在長(zhǎng)為2m、寬為1.2m、高為0.2m不銹鋼盒內(nèi),用噴水壺不斷均勻地灑水,反復(fù)地?cái)嚢柚敝辆鶆?再裝入保濕器,保溫時(shí)間大于24h,取土后測(cè)得含水率w=24.50%。在做試驗(yàn)過程中將聚丙烯纖維先后按不同比例摻入土中拌至均勻,在拌合過程中束狀單絲聚丙烯纖維在土中不結(jié)團(tuán),其分散性很好,在實(shí)際工程中應(yīng)用時(shí)易拌合,而網(wǎng)狀聚丙烯纖維在土中的分散性差。圖1表示將已壓好的土柱掰開后其斷面上束狀單絲聚丙烯纖維實(shí)際分布情況,可以看出,聚丙烯纖維隨機(jī)亂向分布在土中,纖維在土中猶如加筋細(xì)絲,在土中形成三維空間網(wǎng)狀的加固結(jié)構(gòu)體系,纖維增強(qiáng)了土顆粒之間的摩阻力,提高了土的抗拉強(qiáng)度,增強(qiáng)了復(fù)合土微結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。2.2分狀單絲聚丙烯纖維與不加纖維組合的三軸壓縮試驗(yàn)研究為了選擇加入土中聚丙烯纖維的最佳類型、尋找聚丙烯纖維最佳組合和最佳摻入量,分別做了聚丙烯纖維不同組合、不同含量情況下的三軸壓縮試驗(yàn):(1)對(duì)束狀單絲聚丙烯纖維分別做了在土中不加纖維、加長(zhǎng)度19mm的纖維、(6+19)mm纖維的2種組合、(6+10+15+19)mm纖維4種組合三軸壓縮試驗(yàn)研究。(2)對(duì)束狀單絲聚丙烯纖維在不同組合下進(jìn)行了不加纖維和分別加入占土質(zhì)量的0.05%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%共5種不同比例三軸壓縮試驗(yàn)研究。(3)對(duì)網(wǎng)狀聚丙烯纖維進(jìn)行了不加纖維和分別加入占土質(zhì)量的0.05%、0.15%、0.25%、0.35%的4種不同比例情況下三軸壓縮試驗(yàn)研究。聚丙烯纖維在試樣中不同含量、不同組合的三軸壓縮試驗(yàn)分組情況見表3。3應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線在三軸壓縮試驗(yàn)過程中采用TSW-3型土工試驗(yàn)微機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理繪制了聚丙烯纖維不同組合、不同含量情況下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、與黏聚力c關(guān)系曲線。3.1抗裂抗剪性能圖2為相同含量、不同組合聚丙烯纖維在相同圍壓下與不加纖維黏性土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,由圖可以看出:(1)在圍壓100kPa條件下,土中摻入長(zhǎng)度為19mm束狀單絲聚丙烯纖維的曲線2、6mm+19mm兩種束狀單絲聚丙烯纖維組合的曲線3、(6+10+15+19)mm4種束狀單絲聚丙烯纖維組合的曲線4,不管是在初期還是在后期,都高于不加纖維原土的曲線1,并且在加荷的初期19mm束狀單絲聚丙烯纖維和4種組合的曲線陡直,應(yīng)變?cè)黾拥乃俾蔬h(yuǎn)小于主應(yīng)力差,而未加纖維的原土則產(chǎn)生的應(yīng)變很大,即土中摻入束狀單絲聚丙烯纖維在受荷初期使土的初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到增強(qiáng),顯示出很強(qiáng)的初始抗裂補(bǔ)強(qiáng)加筋效果。(2)長(zhǎng)度19mm網(wǎng)狀聚丙烯纖維的曲線在加荷的初期和未加纖維的原土曲線拉開一段水平距離,顯然在相同應(yīng)力作用下,摻入長(zhǎng)度19mm網(wǎng)狀聚丙烯纖維的復(fù)合土產(chǎn)生的應(yīng)變小于原土的,顯示出一定的加筋效果,但隨著應(yīng)力的逐漸增大,這兩條曲線逐漸接近并最后重合,即加入網(wǎng)狀纖維復(fù)合土隨著應(yīng)力的增大,其加筋效果逐漸減弱并喪失了。同時(shí)可以看出,6mm+19mm兩種束狀單絲聚丙烯纖維組合的曲線和網(wǎng)狀聚丙烯纖維的曲線很接近,但在后期,6mm+19mm兩種束狀單絲聚丙烯纖維組合的曲線向上翹,即隨著應(yīng)力的逐漸增大,其抗裂補(bǔ)強(qiáng)加筋效果逐漸有所增大。(3)從加壓的初期到后期,加束狀單絲狀纖維的2~4曲線始終都在加網(wǎng)狀聚丙烯纖維的曲線上方,網(wǎng)狀纖維的補(bǔ)強(qiáng)效果顯然沒有束狀單絲纖維的好,所以在工程中應(yīng)選擇分散性好的束狀單絲聚丙烯纖維作為土抗裂補(bǔ)強(qiáng)加筋材料。(4)在加荷載的初期即試驗(yàn)的初始階段,19mm束狀單絲聚丙烯纖維的曲線稍高于4種纖維組合的曲線,19mm纖維的效果稍好于4種纖維組合的。但隨著應(yīng)力的增大,4種組合的曲線又高于19mm束狀單絲聚丙烯纖維的曲線,即4種束狀單絲聚丙烯纖維組合,隨著應(yīng)力的增大,逐漸顯示出增強(qiáng)黏性土抗拉抗剪的優(yōu)勢(shì)和潛能。圖3為不同組合聚丙烯纖維與不加纖維的土在圍壓300kPa下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,由圖可以看出,4種束狀單絲聚丙烯纖維組合的曲線在最上方,加荷初期曲線的初始段表現(xiàn)為最陡,即加荷的初期就表現(xiàn)出增強(qiáng)黏性土的抗拉、抗剪的優(yōu)勢(shì),隨著壓力的增大,與19mm纖維曲線、6mm+19mm兩種纖維曲線的主應(yīng)力差(σ1-σ3)間距加大,抗拉抗剪的能力逐漸增強(qiáng),具有較強(qiáng)的后期抗裂補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng),效果最佳。比較圖2、3可以看出:(1)在低圍壓100kPa時(shí),摻入19mm纖維的效果好于6mm+19mm2種纖維組合,因有較高長(zhǎng)徑比的優(yōu)勢(shì),但在圍壓300kPa作用下,6mm+19mm2種纖維組合的曲線又高于19mm纖維曲線,顯然隨著壓力的增大,在較高壓力下兩種組合的加筋效果優(yōu)于19mm的,6mm+19mm2種組合逐漸顯示其抗裂補(bǔ)強(qiáng)加固黏性土的潛能。(2)并不是纖維的含量越多就越好,纖維的含量一旦超過最佳摻入量,纖維在土中所形成的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)橋梁紐帶作用體系就會(huì)弱化,土中纖維太多,即可出現(xiàn)定向分布增多,而亂向分布急劇減少,變成纖維和纖維之間直接接觸的排列組合,纖維在土中扎堆出現(xiàn),使復(fù)合土的摩阻力大為減少。在土中若纖維單一,含量又較多,相互搭接、排列組合不理想,而長(zhǎng)短相間、長(zhǎng)短不一的纖維組合在高壓力作用下更有利于強(qiáng)化三維空間結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性,纖維承擔(dān)部分拉應(yīng)力,土顆粒與纖維間的摩阻增強(qiáng),土顆粒與纖維間鑲嵌、聯(lián)鎖產(chǎn)生的咬合力增大,使復(fù)合土的微結(jié)構(gòu)顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)及土顆粒間排列組合更合理。3.2纖維組合對(duì)土的應(yīng)力-圍壓關(guān)系圖4為土中摻入長(zhǎng)度19mm纖維時(shí)在相同含量、不同圍壓(100、200、300kPa)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖4可以看出,隨著壓力的增大,200kPa下曲線和300kPa曲線基本重合,即土中摻入19mm一種纖維時(shí),隨著壓力的逐漸增大,抗剪強(qiáng)度增值很小或者不增加了。圖5為土中摻入6mm+19mm2種纖維組合時(shí)在相同含量、圍壓分別為100、200、300kPa下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖可以看出,隨著壓力的增大,3條曲線拉開的距離比較大,即隨著壓力的增大,6mm+19mm2種纖維組合在土中形成的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性逐漸強(qiáng)化,復(fù)合土的抗拉、抗剪強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。圖6為土中摻入6mm+10mm+15mm+19mm的4種纖維組合時(shí)在相同含量、圍壓分別為100、200、300kPa下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖可以看出,4種纖維組合隨著圍壓逐漸增大,3條曲線逐漸拉開距離,即隨著壓力的增大,4種纖維組合使復(fù)合土的抗拉、抗剪強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。比較圖4~6可以看出,隨著壓力的增大,4種纖維組合的抗拉、抗剪強(qiáng)度增值最大,其纖維長(zhǎng)短不一的組合所形成的三維空間結(jié)構(gòu)體系使土顆粒間的排列組合最佳,使土微結(jié)構(gòu)顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度得到極大的提高,所以4種纖維組合是抗裂補(bǔ)強(qiáng)加固黏性土的較佳組合。3.3纖維含量對(duì)復(fù)合土抗裂強(qiáng)性能的影響圖7為土中摻入6mm+10mm+15mm+19mm4種纖維組合時(shí)不同纖維含量在相同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,由圖可以看出:(1)纖維含量為0.05%曲線與不加纖維原土的曲線相比較,兩條曲線之間自始至終相差距離都很大,即土中摻入少量的纖維,就能使黏性土抗拉、抗剪強(qiáng)度明顯提高,隨著聚丙烯纖維含量的逐漸增大,抗裂補(bǔ)強(qiáng)加筋效果逐漸增強(qiáng)。摻入聚丙烯纖維含量為0.2%的曲線位于其他5條線之上,且在曲線的后段較明顯地高于其他曲線,即聚丙烯纖維含量為0.2%的復(fù)合土具有良好抗裂補(bǔ)強(qiáng)后期效應(yīng)。纖維含量為0.3%曲線明顯地低于0.2%曲線,隨著纖維含量的繼續(xù)增加,復(fù)合土的強(qiáng)度反而降低,即0.2%是纖維的最佳摻入量。(2)聚丙烯纖維加入0.3%時(shí),初期曲線在含量0.05%、0.15%的曲線之下,但到了后期,曲線又高于這兩條曲線,即隨著聚丙烯纖維含量的增大,纖維在土中的加固效果顯示出一定的后期效應(yīng)。3.4纖維含量對(duì)復(fù)合土的影響圖8為不同含量、不同組合聚丙烯纖維對(duì)黏聚力c的影響,曲線1~3分別為19mm、6mm+19mm、6mm+10mm+15mm+19mm束狀單絲聚丙烯纖維的組合,曲線4表示網(wǎng)狀聚丙烯纖維,由圖可看出:(1)不管是哪一種組合,黏聚力c隨著聚丙烯纖維含量增加而增大,聚丙烯纖維含量達(dá)到0.2%時(shí),為曲線峰值,黏聚力c最大,即此時(shí)抗裂補(bǔ)強(qiáng)加筋效果最好,為最佳摻入量,之后隨著纖維含量的繼續(xù)增大而減小。(2)土種摻入纖維長(zhǎng)度19mm時(shí)表現(xiàn)出黏聚力c較大,隨著纖維的含量增大,曲線很陡,黏聚力c增值速率快,纖維的含量為0.20%時(shí)c達(dá)到最大;但纖維的含量超過0.2%時(shí)曲線變陡,c值急劇的降低,出現(xiàn)陡跌,呈現(xiàn)脆性破壞特征;當(dāng)含量達(dá)到0.30%時(shí),已降到比原土的c還要低,分析其機(jī)制,19mm與其他幾種纖維比較,具有較高的長(zhǎng)徑比優(yōu)勢(shì),其排列組合隨著纖維含量的增加,趨向于雜亂無章的亂向分布,達(dá)到最佳摻入量時(shí),土的微結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)強(qiáng)度極大提高。一旦超過最佳摻入量,土中纖維即可出現(xiàn)定向分布增多,而亂向分布急劇減少,纖維在土中扎堆出現(xiàn),變成纖維和纖維直接接觸的排列組合,使復(fù)合土的摩阻力大為減少,由纖維形成的三維支撐結(jié)構(gòu)體系迅速被瓦解,即土中僅加長(zhǎng)度19mm的纖維時(shí),一定要嚴(yán)格準(zhǔn)確控制纖維含量在最佳摻入量之內(nèi),含量一旦稍有偏大,就失去了纖維在土中抗裂補(bǔ)強(qiáng)效能。(3)長(zhǎng)短不一的6mm+10mm+15mm+19mm4種束狀單絲聚丙烯纖維組合隨著纖維含量的增大曲線較陡,c增值速率快,纖維的含量達(dá)到0.20%時(shí)c最大,值得注意的是曲線3超過最佳摻入量0.2%時(shí),隨著纖維含量的繼續(xù)增大,黏聚力c值也有減小,但曲線完全不像摻入長(zhǎng)度19mm纖維的曲線1那樣陡直下降,而是比較平緩,即長(zhǎng)短不一4種纖維的組合,即使纖維的摻入量超過最佳摻量0.20%時(shí),其所形成的三維空間網(wǎng)狀格架使土的微結(jié)構(gòu)顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度有所降低,但顆粒與纖維間的排列組合雜亂無章、亂向排列較穩(wěn)定,使土的柔韌性提高,土的延性增強(qiáng),高黏結(jié)的纖維均勻亂向分布,同樣可以有效地控制土顆粒的滑移、偏轉(zhuǎn),土的宏觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增強(qiáng),阻止了塑性變形產(chǎn)生的裂縫并抑制裂縫的發(fā)展,即表現(xiàn)出復(fù)合土的整體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定,使土的抗拉、抗剪強(qiáng)度同樣有一定的提高,使黏性土的抗裂性增強(qiáng)。即使纖維的含量達(dá)到0.3%時(shí),比其他幾種組合的黏聚力c值都要大得多,顯然其抗裂補(bǔ)強(qiáng)加筋效果穩(wěn)定。(4)加入網(wǎng)狀纖維的加固效果,不如加入束狀單絲聚丙烯纖維19mmm和6mm+10mm+15mm+19mm4種束狀單絲聚丙烯纖維組合,所以要選擇束狀單絲聚丙烯纖維作為抗裂補(bǔ)強(qiáng)加筋材料。(5)黏性土抗拉、抗剪強(qiáng)度低,極易開裂,加入聚丙烯纖維后,猶如加入許多微細(xì)筋,在土中形成一個(gè)三維的空間網(wǎng)狀格架,起到聯(lián)結(jié)黏土顆粒間的橋梁作用,承擔(dān)一定的拉應(yīng)力,加強(qiáng)了復(fù)合土微結(jié)構(gòu)顆粒之間的聯(lián)接強(qiáng)度,改變了黏性土的微結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了土體的抗拉強(qiáng)度,增強(qiáng)了土體的抗裂、抗剪強(qiáng)度,增強(qiáng)了土體的整體穩(wěn)定性,從而有效地約束土顆粒的滑移、偏轉(zhuǎn),必然可有效地限制土體裂縫的發(fā)生、開展、延伸,提高土的韌性、延性和抗裂性。4束狀單絲聚丙烯纖維組合(1)黏聚力c隨著聚丙烯纖維含量增加而增大,含量達(dá)到0.2%時(shí),c最大,即抗拉、抗裂補(bǔ)強(qiáng)加筋效果最好,為最佳摻入量。(2)在實(shí)際工程中應(yīng)選擇分散性好的束狀單絲聚丙烯纖維作為黏性土抗裂補(bǔ)強(qiáng)的加筋材料,而不是網(wǎng)狀纖維。(3)長(zhǎng)短相間、長(zhǎng)短不一的4種纖維組合更有利于土顆粒