冻融作用下聚丙烯纤维土的抗剪强度增强特性

赵文美

(黑龙江省公路勘察设计院)



冻融作用下聚丙烯纤维土的抗剪强度增强特性

赵文美

(黑龙江省公路勘察设计院)

摘要：以粘性土为研究土体，在其中掺加聚丙烯纤维，设计不同冻融次数、不同纤维长度以及不同纤维掺量的正交试验方案，然后进行直接剪切试验，分析其黏聚力和内摩擦角的变化规律，研究聚丙烯纤维土在冻融循环作用下的抗剪强度增强特性。

关键词：聚丙烯纤维土；冻融循环；抗剪强度

1实验材料的物理力学指标

1.1　聚丙烯纤维的基本物理指标

本次试验所用的聚丙烯纤维为常用的路用聚丙烯纤维材料，颜色雪白，质地软滑，为长条形纤维。本次试验所采用的纤维分别长度为6mm、9mm、12mm三种，其基本的物理指标见表1。

表1　聚丙烯纤维主要技术参数

1.2　实验土的基本物理指标

表2　实验土的基本物理指标

2试验方法

采用直剪快剪试验对土样进行直剪，试件大小φ61.8×20mm，按最佳含水率拌合，96%的压实度静压。试验严格按照《公路土工试验规程》对土的直接剪切试验的规定进行。使用DWX低温试验冰柜进行冻融循环试验，考虑到土中结合水在低温环境下的运动情况，控制的冻融循环试验的冻结温度为-16 ℃，融化温度为室温，每一次冻融循环时间控制在24h，其中冻结时间为12h，融化时间为12h，整个冻融过程中让试件处于密封状态，使得试件土样的含水率保持不变。

试验利用三因素三水平的正交试验方案设计了L9(34)的正交试验方案表，主要考察的试验指标有土的内摩擦角φ以及粘聚力c。试验的控制因素主要有冻融循环次数、聚丙烯纤维长度、聚丙烯纤维掺量。同时设置素土在0、1、3、6次冻融循环作用下直接剪切试验组为对比组。

3实验结果处理

根据安排的方案进行直剪试验，将试验所得到的数据进行处理，对得到的剪应力和剪切应变关系进行分析，可以看出，在每一垂直压力作用下的剪应力-剪切变形几乎都呈现出双曲线的变化，相同的剪切变形时，所采用的垂直压力越大，其对应的剪应力也越大，而且剪应力增强的趋势逐渐减缓。同时剪应力随剪切位移增大不断变大，没有出现剪应力峰值的情况。

根据试验可以得到试验土样的抗剪强度公式，进而计算出试验土的抗剪强度指标；根据所得到对比组的抗剪强度和垂直压力关系以及试验素土的抗剪强度指标，可以得到对比组土样的线性公式，进而可以计算出试验用土的抗剪强度指标。

4试验结果分析

对于对比组的土样抗剪强度指标，其粘聚力以及内摩擦角随着冻融循环次数的变化趋势是随着冻融次数的增大，土体粘聚力逐渐降低，且在一次冻融时，粘聚力衰减最为显著；而土体内摩擦角随着冻融次数的增大逐渐变大，且在冻融1次到冻融3次之间增大最为显著。

对于冻融作用下的纤维土的抗剪强度指标(内摩擦角和粘聚力)进行正交结果分析，计算出三个因素各试验水平的均值Kj以及极差值(R=max(Kj)-min(Kj))。通过对极差分析的结果可看出，对于土体粘聚力，影响因素的主次顺序为A>C>B(13.064>7.959>3.437),说明冻融次数对于粘聚力指标的影响最为显著，其次是纤维掺量，纤维长度对于粘聚力指标的影响稍弱。对于土体的内摩擦角，影响因素的主次顺序与粘聚力一致，但是其极差值较粘聚力的极差值较小，说明掺入纤维和冻融循环作用对于内摩擦角的影响较粘聚力小。

粘聚力随着冻融次数的增加而减小，且下降趋势减缓，符合土体在冻融循环作用下的衰减规律；粘聚力随着纤维长度的变大呈现出先增大、后变小的趋势，其中9 mm长度的纤维效果最好，这是由于纤维在土中是一种各向同性的材料，纤维长度过短，对于弯曲机理和交织机理的效果减弱，纤维土的整体强度性能增强效果并不明显，根据破环后的试件，纤维长度太长，各纤维之间虽布成网状，但在土中成层分布，各向同性的效果也会减弱，增强效果类似于土工格栅，因此9 mm的纤维长度是最佳纤维长度；粘聚力随着纤维掺量的变大而增加，且上升趋势减缓，说明掺入纤维对土体的粘聚力的增强是十分显著的。

内摩擦角随着冻融次数的变大而减小，衰减了19.77%，且衰减趋势也是减缓的，这与素土在冻融作用下内摩擦角的变化规律完全不一致，原因可能是在掺入纤维以前，在冻融循环作用下细粒土会随着土中自由水的活动而填充入大的土颗粒的孔隙中，在掺入纤维以后会使得土体整体内摩擦角变小，并使得这种填充效果变弱；内摩擦角随着纤维的变长呈现出先增大、后减小的趋势，但是内摩擦角在不同的纤维长度的情况下的浮动幅度仅为1.080°，可以认定纤维长度对于内摩擦角的影响并不大；内摩擦角随着纤维掺量的增大出现了先下降后上升的现象，这是因为当纤维掺入土体中，使得土中的土粒与土粒之间的摩阻力有一部分弱化为纤维与纤维、纤维与土粒的摩阻力，而随着纤维掺量的不断增大，纤维所产生的弯曲机理和交织机理效果逐渐显著，反而对于纤维土整体的摩阻力有所增强。

5结论

(1)影响纤维土抗剪强度指标的因素的主次顺序为：冻融循环次数>纤维掺量>纤维长度。

(2)掺入纤维以后能很大地提升纤维土的土体粘聚力，并且随着冻融循环次数的增加，纤维土对于粘聚力的增强效果变大，且9 mm的纤维长度对于粘聚力的增强效果最好，随着纤维掺量的增加，粘聚力的增强效果也变强。

(3)在掺入纤维以后，在冻融1次的情况下，纤维土对于内摩擦角的增强效果是最强的，在冻融循环次数增大的情况下对于内摩擦角具有一定的衰退效应，9 mm长度的纤维对于内摩擦角的增强效果最佳。

参考文献：

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作者简介：赵文美(1964-) ，女，黑龙江绥棱人，高级工程师，研究方向：路线设计技术。

收稿日期：2015-03-15

中图分类号：U416.1

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2015)08-0065-01