玻璃纤维改良对浙西山区红黏土力学性能的影响.pdf
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1、D O I:/j j x a t u e d u c n h t t p:/x b x a t u e d u c n玻璃纤维改良对浙西山区红黏土力学性能的影响葛宏盛,刘丽萍(西安工业大学 建筑工程学院,西安 ;浙江成明试验检测有限公司,衢州 )摘要:为了解决高液限红黏土在浙西地区工程施工中引起的路基不均匀沉降、滑坡等工程地质灾害.文中采用玻璃纤维加筋技术改良红黏土,通过直剪试验、无侧限抗压试验对不同长度、掺量的玻璃纤维红黏土力学性能进行研究,分析其力学性能指标演变规律.试验结果表明,在红黏土中掺入定量的玻璃纤维对土体的抗剪强度有明显的提升作用,可使土体的黏聚力相比于素土提高 倍,黏聚力随着掺
2、量和长度的增加先增大后减小.玻璃纤维红黏土的无侧限抗压强度相比于素土提高了 倍,纤维土的无侧限抗压强度随掺量、长度的增加而增强.通过分析应力应变关系曲线发现素土应力峰值出现在 之间,而纤维土应力峰值出现在 之间,说明玻璃纤维的掺入提高了土体的残余强度.改良后的纤维土体可满足路用性要求,为纤维加筋土体治理提供参考.关键词:玻璃纤维红黏土;抗剪强度;无侧限抗压试验;应力应变关系;应力峰值中图号:TU 文献标志码:A文章编号:()M e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fG l a s s F i b e r I m p r o v e dR e dC l a
3、 y i nt h eM o u n t a i n o u sA r e ao fW e s t e r nZ h e j i a n gG EH o n g s h e n g,L I UL i p i n g(C i v i l&A r c h i t e c t u r eE n g i n e e r i n g,X i a nT e c h n o l o g i c a lU n i v e r s i t y,X ia n ,C h i n a;Z h e j i a n gC h e n g m i n gE x p e r i m e n t a lT e s t i n
4、gC o L t d,Q u z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h es t u d ya i m st os o l v et h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ld i s a s t e r s,s u c ha su n e v e ns e t t l e m e n ta n dl a n d s l i d e s,c a u s e db yt h eh i g hl i q u i dl i m i tr e dc l a yi nt h ew e s t e r nZ h e j i
5、a n g I nt h i sp a p e r,g l a s sf i b e rr e i n f o r c e m e n t t e c h n o l o g yi su s e dt oi m p r o v er e dc l a y T h r o u g ht h ed i r e c ts h e a rt e s ta n du n c o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s t,t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f r e dc l a yw i t hg l a s
6、 sf i b e r so fv a r y i n gl e n g t h sa n dd o s a g e sa r es t u d i e d,a n dt h ee v o l u t i o nr u l eo fm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s i n d e x e s i s a n a l y z e d T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t t h e a d d i t i o no f g l a s s f i b e r s i n r
7、e dc l a yh a s i m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y t h e s h e a r s t r e n g t ho f t h e s o i l,a n dt h a t i t sc o h e s i o n i s t i m e sh i g h e rt h a nt h a to fp l a i ns o i l I t sc o h e s i o ni n c r e a s e sf i r s ta n d第 卷第期 年月西安工业大学学报J o u r n a l o fX ia nT e c h n o
8、l o g i c a lU n i v e r s i t yV o l N o F e b 收稿日期:基金资助:陕西省自然科学基础研究计划项目(J M ).第一作者:葛宏盛(),男,硕士研究生.通信作者:刘丽萍(),女,副教授,主要研究方向为土木工程,E m a i l:q q c o m.引文格式:葛宏盛,刘丽萍玻璃纤维改良对浙西山区红黏土力学性能的影响J西安工业大学学报,():G EH o n g s h e n g,L I UL i p i n g M e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fG l a s s F i b e r I m p r
9、 o v e dR e dC l a y i n t h eM o u n t a i n o u sA r e ao fW e s t e r nZ h e j i a n gJ J o u r n a l o fX ia nT e c h n o l o g i c a lU n i v e r s i t y,():t h e nd e c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nt h ea m o u n ta n dl e n g t ho fg l a s sf i b e r s T h eu n c o n f i n e dc o m
10、p r e s s i v es t r e n g t ho fg l a s s f i b e r r e dc l a yi s t i m e sh i g h e rt h a nt h a to fp l a i ns o i l,i n c r e a s i n gw i t ht h ed o s a g ea n d l e n g t ho fg l a s s f i b e r s B ya n a l y z i n gt h es t r e s s s t r a i nc u r v e,i t i s f o u n dt h a t t h ep e a
11、 ks t r e s so fp l a i ns o i l i sb e t w e e n a n d,w h i l et h a to f f i b r o u ss o i l i sb e t w e e n a n d,i n d i c a t i n gt h a t t h ea d d i t i o no fg l a s s f i b e r sh a s i m p r o v e dt h e r e s i d u a l s t r e n g t ho f t h es o i l T h e i m p r o v e d f i b r o u
12、s s o i lc a nm e e t t h er o a d a b i l i t yr e q u i r e m e n t s T h es t u d yp r o v i d e s r e f e r e n c e f o r f i b e r r e i n f o r c e ds o i l t r e a t m e n t K e y w o r d s:g l a s s f i b e rr e d c l a y;s h e a r s t r e n g t h;u n c o n f i n e d c o m p r e s s i v e s
13、t r e n g t h;s t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p;p e a ks t r e s s红黏土是指碳酸盐类岩石经强烈化学风化后形成的高塑性土,它广泛分布在我国云贵高原、四川东部、浙江西部,江西东部等一些地区,是一种区域性特殊土.常呈红棕色,吸水易凝结成块,且较为坚硬.因其具有高液限、高塑性的特点,在工程施工过程中极易引起不均匀沉降现象 ,加大工程灾害的发生,因此需要对红黏土进行改良,使其性能满足工程施工条件,作为合格的路基填料得以运用.目前对于我国红黏土路基的处理方式大多采用直接换填、化学添加剂改良这两种形式,但对于大面积红
14、黏土片区,这两类处理方式需要大量的资金和人力,且存在环境污染问题.因此针对高液限红黏土新型改良方式的研究具有广泛的前景.随着科学技术的发展,纤维材料因其价格低廉、性能良好逐渐走入工程建设领域.文献 和文献 采用天然椰壳纤维加固红黏土,通过直剪试验发现椰壳纤维可以明显提高纤维土体的抗剪强度,对黏聚力提升效果尤为显著;文献 采用三轴试验对木质素纤维红黏土进行分析,得出添加一定量的木质素纤维可有效提高红黏土强度的结论;文献 和文献 用聚丙烯纤维改良土体进行了研究,发现聚丙烯纤维作为增强材料用于土体,可有效缓解冻融循环下的不利影响,且加入聚丙烯纤维可增加后期抗压性能与抗拉强度;文献 采用玻璃纤维来加固
15、花岗岩土体,通过S EM扫描、击实试验分析花岗岩土样的微观相互作用机理及抗冲击性能,结果发现随着纤维的加入,土体中原有的片状黏土颗粒和纤维发生了“胶结”作用.文献 、文献 采用无侧限抗压试验,研究了纤维对土体抗压强度的影响规律,分析后得出掺入一定量的纤维可有效提高土体的无侧限抗压强度,缓解土体中裂纹的扩张,提升抗压强度.综合上述学者研究结果可以发现在特殊土中掺入定量纤维可改良其力学性能.因各类纤维物理、化学性质存在差异,对改良土体的力学性能也存在差异,研究新型纤维材料对改良土体结构性能具有必要性.玻璃纤维具有不易腐蚀、抗拉能力强、不易缠绕、环保等特点,广泛应用于特殊土的改良.文中拟研究玻璃纤维
16、材料掺量、长度等参数对红黏土力学性能的影响,通过击实试验、液塑性试验、直剪试验、无侧限抗压强度试验等研究方法分析玻璃纤维加筋土体抗压、抗剪能力变化规律,为高液限红黏土路基改良提供新的方向和理论依据.试验材料及方法 试验材料试验所用土取自浙江省常山县黄冈山一带,取土深度 m.其物理力学参数见表.试验所用玻璃纤维采购于东安春晖新材料有限公司,其物理力学参数见表.外观如图所示.表红黏土的物理力学参数T a b P h y s i c a l a n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f r e dc l a y天然密度/gc m天然含水率/液限/塑限/
17、塑限指数最大干密度/gc m最佳含水率/黏聚力/k P a内摩擦角/()图玻璃纤维F i g G l a s s f i b e r西安工业大学学报第 卷表玻璃纤维的物理力学参数T a b P h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p a r a m e t e r so fg l a s s f i b e r s材料类型结构类型密度/gc m伸长率/可燃物含量/砷含量/抗拉强度/MP a弹性模量/MP a硅烷型束状单丝 试验方案对取得的土样严格按照文献 ,进行液、塑限试验,最佳含水率、最大干密度等试验,测得土样的基本物理力学参数.考虑到玻璃纤维长度、
18、掺量对红黏土力学性能的影响,采用 组试验进行直接剪切试验、无侧限抗压强度试验,具体见表.其中第组试验为素土试验;第组为掺入玻维长度为mm,掺量分别是,的加筋土,以此类推.对掺入纤维含量按式()进行计算.fcmfms,()式中:fc为纤维掺量;mf为纤维质量;ms为土体质量.表试验分组T a b T r i a l g r o u p i n g玻璃纤维长度/mm玻璃纤维含量/直接剪切试验方案按照文献 所规定的步骤:选取优良的红黏土土样,经过烘干机烘干、橡皮锤敲击、过mm筛等步骤,按照最佳含水率将水、纤维、土样进行调配,注意在调配工程中尽量避免纤维的黏团聚集现象.用 mm环刀取样,每组试验创建个
19、平行试样,直剪试验采用Z J型应变控制式直剪仪(如图),剪切方式为快剪,施加的垂直荷载为,k P a,并保持剪切速度为 mmm i n.对得到的数据进行整理,做出应力位移曲线,计算出c、值.图Z J型应变控制式直剪仪F i g As t r a i nc o n t r o l l e dd i r e c t s h e a ri n s t r u m e n t(t y p eZ J)无侧限抗压强度试验按照文献 所规定的步骤:对处理完成的土样,按照最佳含水率将水、纤维、土样进行调配,并控制压实度在 ,随后装填至为 mm,h为 mm的钢型套筒内,在装填过程中应分三次填入,且每次都要进行刮毛
20、处理,为的是防止土体内部出现断层现象.后使用脱模机进行脱模养护.养护条件为:温度为(),相对湿度 .每组试验建立个平行试块.试验采用WDW 型微机控制电子万能试验机(如图),对养护完成的试模进行无侧限抗压试验,试验过程中应变速率控制在mmm i n,轴向应变控制在 以内(或出现明显破坏变形).通过测得数据做出应力应变曲线.图WDW 型微机控制电子万能试验机F i g A WDW m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l e de l e c t r o n i cu n i v e r s a l t e s t i n gm a c h i n e第期
21、葛宏盛,等:玻璃纤维改良对浙西山区红黏土力学性能的影响试验结果及分析 直剪试验结果及分析根据直剪试验获得的数据算出黏聚力c值和内摩擦角值,具体见图、表.从图、表可以看出,随着纤维掺量、纤维长度的变化,改良后土体的c值得到了很大的提升,c值从素土的 k P a增加到最大的 k P a,相比于素土提高了 倍;值也得到了一定的提升,从素土的 提升到了最大的 ,相比于素土提高了 倍,说明改良有明显的效果.对c、值提升这一现象,可能的原因是:随着纤维的掺入,纤维、土体、水三者产生了胶结作用,内部形成若干个三维网状结构,能有效的传递、分解各方向上的力,增强了抗剪性;且纤维直径在m级,长度在mm间,随机均匀
22、的分布在土体内,极易产生“锚固”现象,抗拉能力得到增加,使土体难以被剪坏.该结论与文献 得到的结论有一致性.图直剪试验c、值对比F i g C o m p a r i s o no f ca n dv a l u e s i nt h ed i r e c t s h e a r t e s t表玻璃纤维土体与素土的c、比值T a b T h er a t i oo fca n db e t w e e ng l a s s f i b e r s o i l a n dp l a i ns o i l纤维长度/mm c值/MP a 值/()此外,还可以看出掺量在时,c值是呈增加趋势,而掺量在
23、这一阶段,c值则呈现出下降趋势,相比于,最大下降了 ,下降幅度较为明显.对于c值出现下降趋势可能的原因是:随着纤维的不断掺入,在以后,出现了“过载”现象,土体内部纤维含量过多,导致纤维极易发生“缠绕”反应,使土体内部结构受力不均匀,局部发生了应力集中的现象,从而导致c值发生了一定程度的下降,削弱了纤维的作用.纤维的掺入可以提高红黏土体的黏聚力和内摩擦角,过量的掺入会影响纤维加筋土体的黏聚力数值,但对于内摩擦角影响较小.无侧限抗压强度试验结果及分析对无侧限抗压试验得到的数值按式()进行整理归纳,计算出无侧限抗压强度值;按照式()计算标准偏差,按 规程 规定,对标准偏差大于 的数据组进行二次试验.
24、quP/A,()式中:qu为无侧限抗压强度,MP a;P为试样破坏时的最大荷载,N;A为试样面积,mm.C V(S/qu),qunniquS/nni(ququ,()式中:C V为相对标准偏差;qu为无侧限抗压强度平均值;n为试件数量.无侧限抗压峰值对比由图可知,在掺入同一长度的纤维情况下,随着掺入量的增加,无侧限抗压强度也出现增加;以mm纤维长度纤维土体为例,掺入 ,的纤维后,qu值分别为 ,西安工业大学学报第 卷 ,MP a,相比于素土各自提升了 ,倍.由可能的原因是:随着纤维的掺入,纤维与水、土体发生了“胶结”反应,土体内部孔隙被大量的纤维填充,且纤维吸收了土体内少量的水分,得以使土体内部
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