聚丙烯纤维复合土应力-应变性状及强度特性研究

聚丙烯纤维复合土应力-应变性状及强度特性研究

1土体张拉微裂纹的土体特性土壤物理破坏机制和加固方法是土壤力学的一个重要课题。在实际工程中由于受到外界各种各样环境介质的作用而导致土体结构损伤,发生一系列岩土的裂缝、滑坡、坍塌、渗透变形等工程事故,是岩土工程中一直亟待解决的棘手问题。土体受外力作用后,不管应力如何,包括拉力、压力、剪力,均会在土体内形成张拉性微裂纹,使土的结构连续性遭到破坏。张拉微裂纹的扩展、合并过程是应变能的释放、抗剪强度不断降低的过程,也是土体损伤、渐进性破坏的过程。由于聚丙烯纤维具有高耐化学腐蚀性、不吸水、高强度、蠕变收缩小、价格低廉等特点,是一种耐久性极高的高分子材料,目前在工程上已较多地应用于混凝土中,聚丙烯纤维应用于土中研究较少。本试验研究的目的是选择聚丙烯纤维的最佳类型、确定最佳掺入量、分析聚丙烯纤维复合土的应力-应变关系及对强度特性的影响,使聚丙烯纤维更有效地改善土体的微结构,提高土体抗剪强度、抗拉应力、抗裂能力,从而弥补土体多孔、散体性、易裂性、易损伤的缺陷。2试验材料和试验方法2.1聚丙烯纤维在土中的分散性试验用土取自江南大学蠡湖校区,土为粉质黏土,土的物理力学性质见表1。试验分别选用束状单丝聚丙烯纤维和网状聚丙烯纤维,其物理力学性能见表2。试验用土经人工碾碎过筛,预配土样含水率为25%,将土样摊平在长为2m、宽为1.2m、高为0.2m不锈钢盒内,用喷水壶不断均匀地洒水,反复地搅拌直至均匀,再装入保湿器,保温时间大于24h,取土后测得含水率w=24.50%。在做试验过程中将聚丙烯纤维先后按不同比例掺入土中拌至均匀,在拌合过程中束状单丝聚丙烯纤维在土中不结团,其分散性很好,在实际工程中应用时易拌合,而网状聚丙烯纤维在土中的分散性差。图1表示将已压好的土柱掰开后其断面上束状单丝聚丙烯纤维实际分布情况,可以看出,聚丙烯纤维随机乱向分布在土中,纤维在土中犹如加筋细丝,在土中形成三维空间网状的加固结构体系,纤维增强了土颗粒之间的摩阻力,提高了土的抗拉强度,增强了复合土微结构的整体稳定性。2.2分状单丝聚丙烯纤维与不加纤维组合的三轴压缩试验研究为了选择加入土中聚丙烯纤维的最佳类型、寻找聚丙烯纤维最佳组合和最佳掺入量,分别做了聚丙烯纤维不同组合、不同含量情况下的三轴压缩试验:(1)对束状单丝聚丙烯纤维分别做了在土中不加纤维、加长度19mm的纤维、(6+19)mm纤维的2种组合、(6+10+15+19)mm纤维4种组合三轴压缩试验研究。(2)对束状单丝聚丙烯纤维在不同组合下进行了不加纤维和分别加入占土质量的0.05%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%共5种不同比例三轴压缩试验研究。(3)对网状聚丙烯纤维进行了不加纤维和分别加入占土质量的0.05%、0.15%、0.25%、0.35%的4种不同比例情况下三轴压缩试验研究。聚丙烯纤维在试样中不同含量、不同组合的三轴压缩试验分组情况见表3。3应力-应变关系曲线在三轴压缩试验过程中采用TSW-3型土工试验微机数据处理系统自动采集数据,将数据进行整理绘制了聚丙烯纤维不同组合、不同含量情况下应力-应变关系曲线、与黏聚力c关系曲线。3.1抗裂抗剪性能图2为相同含量、不同组合聚丙烯纤维在相同围压下与不加纤维黏性土应力-应变关系曲线,由图可以看出:(1)在围压100kPa条件下,土中掺入长度为19mm束状单丝聚丙烯纤维的曲线2、6mm+19mm两种束状单丝聚丙烯纤维组合的曲线3、(6+10+15+19)mm4种束状单丝聚丙烯纤维组合的曲线4,不管是在初期还是在后期,都高于不加纤维原土的曲线1,并且在加荷的初期19mm束状单丝聚丙烯纤维和4种组合的曲线陡直,应变增加的速率远小于主应力差,而未加纤维的原土则产生的应变很大,即土中掺入束状单丝聚丙烯纤维在受荷初期使土的初始结构强度得到增强,显示出很强的初始抗裂补强加筋效果。(2)长度19mm网状聚丙烯纤维的曲线在加荷的初期和未加纤维的原土曲线拉开一段水平距离,显然在相同应力作用下,掺入长度19mm网状聚丙烯纤维的复合土产生的应变小于原土的,显示出一定的加筋效果,但随着应力的逐渐增大,这两条曲线逐渐接近并最后重合,即加入网状纤维复合土随着应力的增大,其加筋效果逐渐减弱并丧失了。同时可以看出,6mm+19mm两种束状单丝聚丙烯纤维组合的曲线和网状聚丙烯纤维的曲线很接近,但在后期,6mm+19mm两种束状单丝聚丙烯纤维组合的曲线向上翘,即随着应力的逐渐增大,其抗裂补强加筋效果逐渐有所增大。(3)从加压的初期到后期,加束状单丝状纤维的2~4曲线始终都在加网状聚丙烯纤维的曲线上方,网状纤维的补强效果显然没有束状单丝纤维的好,所以在工程中应选择分散性好的束状单丝聚丙烯纤维作为土抗裂补强加筋材料。(4)在加荷载的初期即试验的初始阶段,19mm束状单丝聚丙烯纤维的曲线稍高于4种纤维组合的曲线,19mm纤维的效果稍好于4种纤维组合的。但随着应力的增大,4种组合的曲线又高于19mm束状单丝聚丙烯纤维的曲线,即4种束状单丝聚丙烯纤维组合,随着应力的增大,逐渐显示出增强黏性土抗拉抗剪的优势和潜能。图3为不同组合聚丙烯纤维与不加纤维的土在围压300kPa下应力-应变关系曲线,由图可以看出,4种束状单丝聚丙烯纤维组合的曲线在最上方,加荷初期曲线的初始段表现为最陡,即加荷的初期就表现出增强黏性土的抗拉、抗剪的优势,随着压力的增大,与19mm纤维曲线、6mm+19mm两种纤维曲线的主应力差(σ1-σ3)间距加大,抗拉抗剪的能力逐渐增强,具有较强的后期抗裂补强效应,效果最佳。比较图2、3可以看出:(1)在低围压100kPa时,掺入19mm纤维的效果好于6mm+19mm2种纤维组合,因有较高长径比的优势,但在围压300kPa作用下,6mm+19mm2种纤维组合的曲线又高于19mm纤维曲线,显然随着压力的增大,在较高压力下两种组合的加筋效果优于19mm的,6mm+19mm2种组合逐渐显示其抗裂补强加固黏性土的潜能。(2)并不是纤维的含量越多就越好,纤维的含量一旦超过最佳掺入量,纤维在土中所形成的三维空间网状结构桥梁纽带作用体系就会弱化,土中纤维太多,即可出现定向分布增多,而乱向分布急剧减少,变成纤维和纤维之间直接接触的排列组合,纤维在土中扎堆出现,使复合土的摩阻力大为减少。在土中若纤维单一,含量又较多,相互搭接、排列组合不理想,而长短相间、长短不一的纤维组合在高压力作用下更有利于强化三维空间结构体系稳定性,纤维承担部分拉应力,土颗粒与纤维间的摩阻增强,土颗粒与纤维间镶嵌、联锁产生的咬合力增大,使复合土的微结构颗粒间联结强度增强及土颗粒间排列组合更合理。3.2纤维组合对土的应力-围压关系图4为土中掺入长度19mm纤维时在相同含量、不同围压(100、200、300kPa)下的应力-应变关系曲线。由图4可以看出,随着压力的增大,200kPa下曲线和300kPa曲线基本重合,即土中掺入19mm一种纤维时,随着压力的逐渐增大,抗剪强度增值很小或者不增加了。图5为土中掺入6mm+19mm2种纤维组合时在相同含量、围压分别为100、200、300kPa下的应力-应变关系曲线。由图可以看出,随着压力的增大,3条曲线拉开的距离比较大,即随着压力的增大,6mm+19mm2种纤维组合在土中形成的三维空间网状结构体系稳定性逐渐强化,复合土的抗拉、抗剪强度也逐渐增强。图6为土中掺入6mm+10mm+15mm+19mm的4种纤维组合时在相同含量、围压分别为100、200、300kPa下的应力-应变关系曲线。由图可以看出,4种纤维组合随着围压逐渐增大,3条曲线逐渐拉开距离,即随着压力的增大,4种纤维组合使复合土的抗拉、抗剪强度逐渐增强。比较图4~6可以看出,随着压力的增大,4种纤维组合的抗拉、抗剪强度增值最大,其纤维长短不一的组合所形成的三维空间结构体系使土颗粒间的排列组合最佳,使土微结构颗粒间的联结强度得到极大的提高,所以4种纤维组合是抗裂补强加固黏性土的较佳组合。3.3纤维含量对复合土抗裂强性能的影响图7为土中掺入6mm+10mm+15mm+19mm4种纤维组合时不同纤维含量在相同围压下的应力-应变关系曲线,由图可以看出:(1)纤维含量为0.05%曲线与不加纤维原土的曲线相比较,两条曲线之间自始至终相差距离都很大,即土中掺入少量的纤维,就能使黏性土抗拉、抗剪强度明显提高,随着聚丙烯纤维含量的逐渐增大,抗裂补强加筋效果逐渐增强。掺入聚丙烯纤维含量为0.2%的曲线位于其他5条线之上,且在曲线的后段较明显地高于其他曲线,即聚丙烯纤维含量为0.2%的复合土具有良好抗裂补强后期效应。纤维含量为0.3%曲线明显地低于0.2%曲线,随着纤维含量的继续增加,复合土的强度反而降低,即0.2%是纤维的最佳掺入量。(2)聚丙烯纤维加入0.3%时,初期曲线在含量0.05%、0.15%的曲线之下,但到了后期,曲线又高于这两条曲线,即随着聚丙烯纤维含量的增大,纤维在土中的加固效果显示出一定的后期效应。3.4纤维含量对复合土的影响图8为不同含量、不同组合聚丙烯纤维对黏聚力c的影响,曲线1~3分别为19mm、6mm+19mm、6mm+10mm+15mm+19mm束状单丝聚丙烯纤维的组合,曲线4表示网状聚丙烯纤维,由图可看出:(1)不管是哪一种组合,黏聚力c随着聚丙烯纤维含量增加而增大,聚丙烯纤维含量达到0.2%时,为曲线峰值,黏聚力c最大,即此时抗裂补强加筋效果最好,为最佳掺入量,之后随着纤维含量的继续增大而减小。(2)土种掺入纤维长度19mm时表现出黏聚力c较大,随着纤维的含量增大,曲线很陡,黏聚力c增值速率快,纤维的含量为0.20%时c达到最大;但纤维的含量超过0.2%时曲线变陡,c值急剧的降低,出现陡跌,呈现脆性破坏特征;当含量达到0.30%时,已降到比原土的c还要低,分析其机制,19mm与其他几种纤维比较,具有较高的长径比优势,其排列组合随着纤维含量的增加,趋向于杂乱无章的乱向分布,达到最佳掺入量时,土的微结构联结强度极大提高。一旦超过最佳掺入量,土中纤维即可出现定向分布增多,而乱向分布急剧减少,纤维在土中扎堆出现,变成纤维和纤维直接接触的排列组合,使复合土的摩阻力大为减少,由纤维形成的三维支撑结构体系迅速被瓦解,即土中仅加长度19mm的纤维时,一定要严格准确控制纤维含量在最佳掺入量之内,含量一旦稍有偏大,就失去了纤维在土中抗裂补强效能。(3)长短不一的6mm+10mm+15mm+19mm4种束状单丝聚丙烯纤维组合随着纤维含量的增大曲线较陡,c增值速率快,纤维的含量达到0.20%时c最大,值得注意的是曲线3超过最佳掺入量0.2%时,随着纤维含量的继续增大,黏聚力c值也有减小,但曲线完全不像掺入长度19mm纤维的曲线1那样陡直下降,而是比较平缓,即长短不一4种纤维的组合,即使纤维的掺入量超过最佳掺量0.20%时,其所形成的三维空间网状格架使土的微结构颗粒间联结强度有所降低,但颗粒与纤维间的排列组合杂乱无章、乱向排列较稳定,使土的柔韧性提高,土的延性增强,高黏结的纤维均匀乱向分布,同样可以有效地控制土颗粒的滑移、偏转,土的宏观结构强度增强,阻止了塑性变形产生的裂缝并抑制裂缝的发展,即表现出复合土的整体结构比较稳定,使土的抗拉、抗剪强度同样有一定的提高,使黏性土的抗裂性增强。即使纤维的含量达到0.3%时,比其他几种组合的黏聚力c值都要大得多,显然其抗裂补强加筋效果稳定。(4)加入网状纤维的加固效果,不如加入束状单丝聚丙烯纤维19mmm和6mm+10mm+15mm+19mm4种束状单丝聚丙烯纤维组合,所以要选择束状单丝聚丙烯纤维作为抗裂补强加筋材料。(5)黏性土抗拉、抗剪强度低,极易开裂,加入聚丙烯纤维后,犹如加入许多微细筋,在土中形成一个三维的空间网状格架,起到联结黏土颗粒间的桥梁作用,承担一定的拉应力,加强了复合土微结构颗粒之间的联接强度,改变了黏性土的微结构,增强了土体的抗拉强度,增强了土体的抗裂、抗剪强度,增强了土体的整体稳定性,从而有效地约束土颗粒的滑移、偏转,必然可有效地限制土体裂缝的发生、开展、延伸,提高土的韧性、延性和抗裂性。4束状单丝聚丙烯纤维组合(1)黏聚力c随着聚丙烯纤维含量增加而增大,含量达到0.2%时,c最大,即抗拉、抗裂补强加筋效果最好,为最佳掺入量。(2)在实际工程中应选择分散性好的束状单丝聚丙烯纤维作为黏性土抗裂补强的加筋材料,而不是网状纤维。(3)长短相间、长短不一的4种纤维组合更有利于土颗粒