黃勇忠

(廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

在工程實(shí)踐中經(jīng)常會(huì)遇到高壓縮性和低強(qiáng)度的膨脹土路基。通常,這些路基的力學(xué)性能不能滿足實(shí)際工程條件的要求,有必要進(jìn)行地面改善,以避免對(duì)路基、路面甚至上部道路結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p壞[1]。水泥土作為化學(xué)改良最好的方法之一,因其完整性好、水穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于各種路基治理工程。然而,大量試驗(yàn)表明,由于水泥土具有抗拉強(qiáng)度低、脆性大、變形性差等缺點(diǎn),并不適合各類工程。針對(duì)上述問(wèn)題,許多研究人員提出了多種基于不同材料的改進(jìn)方法,發(fā)現(xiàn)使用纖維增強(qiáng)技術(shù)作為改善力學(xué)性能的方法在路基土壤改良方面表現(xiàn)良好。膨脹土具有高膨脹性和低滲透性,反復(fù)的降雨和蒸發(fā)使膨脹的土壤不均勻地上升和收縮,土壤產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,導(dǎo)致裂縫,且這些裂縫破壞了土壤的完整性,并為地表水的滲透提供了通道,對(duì)路基結(jié)構(gòu)造成重大破壞。

近年來(lái),固體廢物產(chǎn)量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),大多數(shù)低收入和中等收入國(guó)家每年產(chǎn)生約13×108t固體廢物,預(yù)計(jì)到2025年將增加到22×108t。顯然,固體廢物的回收利用已成為全球關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō),固體廢物由連續(xù)廢物(塑料、玻璃、金屬等)和自然可降解廢物(食品、木材、紙張、橡膠、皮革等)組成。垃圾填埋和焚燒是固體廢物處理的主要方法,然而,垃圾填埋場(chǎng)的建設(shè)消耗了大量的土地資源,焚燒會(huì)產(chǎn)生空氣污染,因此固體廢物資源化利用已成為重要的發(fā)展方向[2]。

纖維作為一種工程材料,可以顯著增強(qiáng)膨脹土的粘聚力,防止土體裂縫的形成,降低膨脹電位、液化電位和導(dǎo)熱電位。一些早期研究人員使用可降解的生物纖維材料(如稻草,劍麻和椰子纖維)來(lái)改善膨脹土壤,這可以增加膨脹土壤的剪切強(qiáng)度和穩(wěn)定性。近年來(lái),其他研究人員采用木質(zhì)素纖維和甘蔗纖維來(lái)改善膨脹土壤,并研究其對(duì)粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響[3]。然而,這種類型的纖維會(huì)很快被土壤侵蝕,改善土壤作用不持久。

目前大多數(shù)關(guān)于纖維改良路基土膨脹土裂縫的研究尚未探索干濕循環(huán)作用對(duì)裂縫發(fā)展的影響。因此,本研究使用兩種常見(jiàn)的從固體廢物中回收的纖維(PF和GF),以評(píng)估纖維加筋膨脹土提高路基土壤剪切強(qiáng)度的潛力,并研究添加纖維對(duì)膨脹土路基干濕開(kāi)裂行為的影響。

1 工程背景

膨脹土在南方某城市廣泛分布,膨脹土引起的工程災(zāi)害(公路路面結(jié)構(gòu)不均勻或開(kāi)裂、鐵路路基變形)是該地區(qū)最難解決的問(wèn)題之一。該公路起始里程為K59+550～K76+560,總長(zhǎng)17.024 km,路基主線填挖方路線總長(zhǎng)14.32 km,路基采用擊實(shí)法施工。設(shè)計(jì)車(chē)速為100 km/h,整體式兩側(cè)拼寬路基(雙向八車(chē)道),路基全寬為41 m。路基面形狀為三角形路拱,由路基中心線向兩側(cè)“人字形”排坡。曲線加寬時(shí),路基面仍保持三角形。由中心向兩側(cè)設(shè)4%的排水坡,路基排水設(shè)施的縱坡應(yīng)≥2%。當(dāng)路基填筑后,受自然風(fēng)化及濕脹、干縮等因素影響,極易發(fā)生不均勻沉降及開(kāi)裂,最大路基沉降為1.9 cm,并伴有軟化擠壓,導(dǎo)致較大沉降。路基越高,沉降越大、越頻繁,因此需要摻入新材料,進(jìn)一步解決膨脹土路基力學(xué)性能及開(kāi)裂等問(wèn)題。

2 試驗(yàn)樣品準(zhǔn)備

2.1 膨脹土壤

在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)很難獲得均勻的原位土壤樣品,因此本研究使用均勻改造的膨脹土壤。從廣西寧明收集土壤樣品,該地區(qū)膨脹土的塑性指數(shù)較大,表明其吸水能力強(qiáng)。在干濕循環(huán)下,膨脹土的膨脹和收縮較大,容易產(chǎn)生明顯的裂縫。此外,膨脹土壤中伊利石(38.86%)、蒙脫石(28.67%)和高嶺石(22.98%)的含量非常高。這些高含量的親水礦物是膨脹土壤大規(guī)模擴(kuò)張的重要驅(qū)動(dòng)力。蒙脫石、伊利石等膨脹性礦物含量越高,土壤膨脹特征越明顯。

2.2 纖維

玻璃纖維(GF)和聚丙烯纖維(PF)用作膨脹土加固材料。GF的表面光滑,PF的表面有紋理,比GF粗糙。為了將纖維與土壤均勻混合,本研究使用了長(zhǎng)度為9 mm的短纖維。GF直徑為16μm,斷裂強(qiáng)度為1 000 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率為4%,彈性模量為72 GPa;PF直徑為36μm,斷裂強(qiáng)度為498 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率為25%,初始模量為3.7 GPa。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗剪強(qiáng)度

不同法向應(yīng)力下GF和PF加筋膨脹土的抗剪強(qiáng)度與纖維含量的關(guān)系如圖1所示,圖2為剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間的關(guān)系曲線圖。不同法向應(yīng)力的纖維加筋膨脹土的抗剪強(qiáng)度大于普通土的抗剪強(qiáng)度,且隨纖維含量的增加而增加。對(duì)于GF增強(qiáng)膨脹土,當(dāng)纖維含量達(dá)到0.3%時(shí),剪切強(qiáng)度達(dá)到峰值,然后降低。對(duì)于PF增強(qiáng)膨脹土,當(dāng)纖維含量為0.5%時(shí),剪切強(qiáng)度達(dá)到峰值,當(dāng)纖維含量>0.5%時(shí),剪切強(qiáng)度降低。這表明0.3%GF和0.5%PF是最佳含量,可以增強(qiáng)膨脹土的抗剪強(qiáng)度,充分發(fā)揮纖維加固效果[4]。當(dāng)一定量的纖維均勻地混合到膨脹土壤中時(shí),纖維長(zhǎng)絲和土壤顆粒交織在一起,形成許多“交錯(cuò)點(diǎn)”。任何部位的應(yīng)力和變形都會(huì)影響纖維方向,從而形成重新分布應(yīng)力的區(qū)域。當(dāng)纖維含量超過(guò)一定量時(shí),土壤結(jié)構(gòu)和土壤顆粒之間的粘結(jié)狀態(tài)受到纖維的影響,土結(jié)構(gòu)的完整性受到破壞,土顆粒之間的粘結(jié)力降低。此外,在正常應(yīng)力和纖維含量相同的條件下,大多數(shù)PF加筋膨脹土比GF加筋膨脹土具有更高的剪切強(qiáng)度。

(a)GF

(a)GF

兩種纖維加筋土在不同纖維含量下的粘聚力和內(nèi)摩擦角如圖3所示。對(duì)于GF加筋膨脹土,纖維含量為0.3%時(shí)達(dá)到最大粘聚力(88.59 kPa),當(dāng)纖維含量繼續(xù)增加時(shí),粘聚力降低;纖維含量為0.5%時(shí),粘聚力為79.8 kPa;在0.3%的纖維含量下,內(nèi)摩擦角在18.41°處達(dá)到峰值。對(duì)于PF加筋膨脹土,在纖維含量為0.3%時(shí),粘聚力達(dá)到91.40 kPa的峰值;纖維含量為0.5%時(shí),內(nèi)摩擦角達(dá)到23.02°的峰值。同樣可以發(fā)現(xiàn),隨著纖維含量的變化,土壤粘聚力達(dá)到峰值?？傮w而言,兩種纖維對(duì)膨脹土粘聚力的影響更為顯著,纖維加筋膨脹土的粘聚力大于原狀膨脹土。PF增強(qiáng)膨脹土的粘聚力和內(nèi)摩擦角的作用明顯優(yōu)于GF。當(dāng)纖維含量增加到一定值時(shí),粘聚力和內(nèi)摩擦角將達(dá)到峰值,如果纖維含量增加,粘聚力和內(nèi)摩擦角就會(huì)減小。造成這種現(xiàn)象的原因是,當(dāng)纖維含量小于峰值時(shí),隨著纖維含量的增加,曲線凹凸處纖維與土壤顆粒之間的咬合增加,纖維可以在土壤中交織,形成均勻有效的網(wǎng)格狀支撐系統(tǒng)。當(dāng)任一交織點(diǎn)受到外力時(shí),其將帶動(dòng)周?chē)慕豢楛c(diǎn)隨之運(yùn)動(dòng),從而分散內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力,減少土體內(nèi)部某處應(yīng)力集中的發(fā)生。但是,當(dāng)纖維含量達(dá)到一定值時(shí),纖維會(huì)在土壤中結(jié)塊,不能均勻分散。在這種情況下,纖維、土壤顆粒和水之間的摩擦和膠結(jié)減少。

(a)粘聚力

3.2 干濕循環(huán)條件下裂紋的發(fā)展模式

圖4為不同次數(shù)的干濕循環(huán)后原狀膨脹土和纖維增強(qiáng)膨脹土的裂縫圖像。由圖4可知,裂紋隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而發(fā)展,一些土壤樣品的裂縫在第一個(gè)干濕循環(huán)中發(fā)展,一些在第二個(gè)干濕循環(huán)中發(fā)展。纖維對(duì)改善膨脹土壤裂縫的作用是非常明顯的,0.5%GF、0.7%GF和0.5%PF膨脹土在5個(gè)干濕循環(huán)周期內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)主裂縫。0.3%GF和0.3%PF膨脹土在前兩個(gè)周期沒(méi)有出現(xiàn)主裂縫,但在第三個(gè)周期中出現(xiàn)。在加濕過(guò)程中,膨脹土壤的體積膨脹導(dǎo)致原始裂縫愈合。由于愈合部位的纖維含量低,在隨后的干濕循環(huán)中,裂紋將根據(jù)第一或第二裂紋模式發(fā)展。

圖4 裂紋發(fā)展示例圖

3.3 纖維含量對(duì)裂紋的影響

圖5為不同纖維含量的纖維加筋膨脹土(包括1～5次干濕循環(huán))平均裂縫長(zhǎng)度和最大裂縫長(zhǎng)度的變化曲線。圖5表明,隨著纖維含量的增加,兩種纖維加筋膨脹土的平均裂縫長(zhǎng)度和最大裂縫長(zhǎng)度均先減小后增加。在0.1%和0.3%纖維含量下,PF在改善膨脹土壤方面比GF更有效,而在0.5%和0.7%纖維含量下則相反。造成這種現(xiàn)象的一個(gè)可能原因是GF是一種疏水性材料,在與土壤混合過(guò)程中往往會(huì)相互纏繞。PF是一種吸收性材料,可以更容易、更均勻地與土壤混合,并促進(jìn)內(nèi)應(yīng)力在土壤體之間的傳遞。因此,在低纖維含量水平下,PF的改善優(yōu)于GF。當(dāng)PF含量高時(shí),土壤中的纖維很容易粘附在模具表面,因?yàn)槔w維的表面更粗糙。在土壤收縮過(guò)程中,纖維的粘附在霉菌和土壤之間產(chǎn)生張力,并在土壤邊緣產(chǎn)生張力間隙。

(a)平均裂縫長(zhǎng)度

3.4 纖維路基土破壞角

圖6為不同纖維含量下的路基土破壞角變化柱狀圖。由圖6可知,在相同的圍壓下,隨著纖維含量的增加,纖維路基土試樣的破壞角先減少后增加。當(dāng)纖維含量為0.6%時(shí),破壞角達(dá)到最小值,表明纖維的加入可以在一定程度上改善試樣的脆性斷裂模式。當(dāng)纖維含量進(jìn)一步增加到0.8%時(shí),破壞角仍然小于0摻量試樣的破壞角,而且隨著纖維含量的增加,改善效果明顯。主要原因是,當(dāng)纖維含量過(guò)大時(shí),纖維很可能在土壤中相互重疊,進(jìn)而導(dǎo)致路基土壤不能被很好地壓實(shí),因此改性效果是有限的。此外,當(dāng)纖維含量在一定范圍內(nèi)時(shí),纖維可以更好地填充路基土試樣內(nèi)部的空隙,纖維和土壤顆粒之間可以形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),從而改善試樣的破壞形式。相反,當(dāng)纖維含量過(guò)高時(shí),纖維很容易在土壤中相互重疊,土壤既不能被很好地壓實(shí),纖維也不能很好地連接。因此,試樣的破壞角會(huì)得到改善,改性效果會(huì)下降。

圖6 纖維路基土破壞角隨纖維含量的變化柱狀圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)GF和PF與膨脹土隨機(jī)混合后,纖維與土顆粒之間的摩擦力或咬合力對(duì)加筋膨脹土的抗剪強(qiáng)度起著一定的增強(qiáng)作用,PF的增強(qiáng)效果優(yōu)于GF。兩種纖維加筋膨脹土峰值抗剪強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的纖維含量不同:當(dāng)GF和PF含量分別為0.3%和0.5%時(shí),纖維加筋膨脹土的抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值,而兩種纖維類型膨脹土的粘聚力均在纖維含量為0.3%時(shí)達(dá)到峰值。

(2)在干濕循環(huán)中,纖維可以抑制主裂紋的出現(xiàn),而一旦主裂紋出現(xiàn),纖維的改善作用將不再明顯。結(jié)果表明,摻加纖維可以抑制主裂紋出現(xiàn),對(duì)于防止膨脹土路基開(kāi)裂有一定的效果。

(3)在微觀水平上,纖維對(duì)膨脹土抗剪切和抗裂性能的改善是由于粘附效應(yīng)。