玄武岩纤维对非饱和粘性土变形及强度特性的影响

林凯灿

摘要：以不同玄武岩纤维掺量的非饱和粘性土为研究对象，进行不固结不排水（UU）三轴剪切试验，对玄武岩纤维对非饱和粘性土变形及强度特性的影响进行了探讨。本次试验采用的玄武岩纤维掺量分别为：0 %、0.10 %、0.20 %、0.30 %、0.40 %、0.50 %，围压分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa。试验结果显示，相同含水率条件下，随着纤维掺量的不断提高，试样的最大主应力差呈现先增长后降低的趋势;而且，随着纤维长度的增加，试样的最大主应力差也逐渐提高。因此试验结果表明，玄武岩纤维的掺入，对非饱和粘性土的强度及变形特性有比较明显的促进作用。

关键词：玄武岩纤维;粘性土;三轴试验;强度特性

1  引言

自20世紀30年代Casagrande发明三轴试验仪以来，三轴试验已经成为测定土体应力应变及强度特性的重要手段[1-2]，是作为计算边坡稳定性、地基承载力等的重要依据。随着工程材料的日益发展，研究人员尝试将不同的纤维材料掺入土体中，形成土工复合材料，对土体进行加固，改善土体的工程性质，也得到了相应的研究成果[3-6]。玄武岩纤维是近年来出现的一种新型无机矿物增强材料，它具有抗拉强度高、弹性模量高、耐高温和耐腐蚀性好等优点，而且相对于其他纤维，玄武岩纤维还具有价格低的优势。所以综合玄武岩纤维具有优良的力学性能、化学稳定性以及低廉的生产成本，玄武岩纤维已被广泛的应用于建筑、化工等领域[7-8]。徐洪钟等人也将玄武岩纤维作为加筋材料应用于膨胀土中，研究结果显示发现掺入玄武岩纤维增强材料，可以改善膨胀土的强度和韧性[9-11]。

本试验通过变化改变玄武岩纤维的掺量以及纤维长度来研究玄武岩纤维对非饱和粘性土变形及强度特性的影响，旨在寻求一种改善粘性土力学性能的新途径。

2  试验材料与试验方法

2.1  玄武岩纤维

玄武岩纤维主要的化学组分有二氧化硅、氧化铝、氧化钙以及氧化镁。其中，二氧化硅及氧化铝的网络结构使纤维具有较高的机械强度;而氧化钙有助于提高纤维的硬度以及耐水腐蚀性，间接提高纤维的机械强度;另外，少量的氧化镁对玄武岩纤维的耐久性也有促进作用。本次试验使用的玄武岩纤维购买自浙江金石玄武岩纤维有限公司，其化学组分及其含量见表1，性能指标见表2，外观形貌如图1所示。

2.2  粘性土

本试验使用的粘性土取自福建龙岩地区，其物理性质见表3。

2.3  试样的制备

依据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）[12]进行试样的制备。本次试验试样的直径均为Φ39.1mm，试样高度为100.0mm。现场切取4个原状土试样，一个进行天然含水率的测试，另外3个进行原状土三轴试验。

将长度为5mm、10mm和15mm的玄武岩纤维，首先按照土体烘干质量的0 %、0.10 %、0.20 %、0.30 %、0.40 %、0.50 %与粘性土进行混合干拌，搅拌至玄武岩纤维分散均匀然后加水搅拌，制成试样，具体参数如表4所示。每组试验制备3个试样。

2.4  试验步骤

本试验采用应变控制式静力三轴仪进行不固结不排水三轴压缩试验，围压分别为100kPa、200kPa和300kPa，剪切应变速率为0.5mm/min。针对试样不同破坏形式，取不同的破坏标准：当主应力差（σ1-σ3）存在峰值时（及试样为应变软化破坏），取峰值作为破坏点;当不存在峰值时，取轴向应变15%时的主应力差作为破坏点。

3  试验结果及分析

3.1  原状土与重塑土试验结果对比

不同围压下（100kPa、200kPa和300kPa），原状土与重塑土的应力-应变关系如图2所示，从图中可以看出，相同围压下，重塑土的主应力差（σ1-σ3）最大值均低于原状土，且重塑土的破坏形式均为应变软化，而原状土既有应变软化形式，也有应变硬化形式。

表5为原状土与重塑土试样的强度参数值，从表中可以看出原状土试样的黏聚力大于重塑土，这说明用三轴试验确定土体的强度具有一定的可靠性和安全性。

3.2  玄武岩纤维掺量及长度对试样变形及强度特性的影响

不同围压、不同纤维掺量（0.10 %、0.20 %、0.30 %、0.40 %、0.50 %）及不同纤维长度（5mm、10mm、15mm）条件下，试样的应力-应变关系如图3、图4所示。从图3、图4中均可以看出，由于玄武岩的掺入，试样的破坏类型均为应变硬化形式，从这里也可以发现，纤维能够使得土体在破坏过程中保持一定的持荷时间，具有一定的“韧性”。从图3（a）中可以看出，35.0%含水率条件下，随着纤维掺量的提高，主应力差均呈现出先增长后降低的趋势，且每一纤维长度均有一个最优纤维掺量，其分别为0.4 %（5 mm）、0.3 %（10 mm）及0.3 %（15 mm）。因此可以得到当纤维长度为5 mm～15 mm时，纤维的最佳掺量为0.3 %～0.4 %，使得土体强度达到最优。

图4为纤维长度为5 mm、10 mm及15 mm时，最佳掺量下的应力-应变关系曲线，从图中可以看出当纤维长度为10 mm，掺量为0.3 %时，主应力差值最大也表明当此条件下，对试样的强度影响最大。

通过计算得到不同试验组试样的黏聚力和内摩擦角，如表6所示。从表中可以看出随着纤维掺量的增加，试样的黏聚力呈现先增长后降低的趋势，而且当纤维长度为100 mm，掺量为0.3 %时，其黏聚力达到最大最大，为100.98 kPa。

分析纤维掺量及长度对试样变形及强度特性的影响主要有以下两个原因：一是，纤维的掺入能够对土体起到加筋的作用，在压缩剪切的过程中对土体施加了一定的束缚，因此提高了试样的强度，而且随着纤维掺量的提高，这种效果越显著，但是随着纤维掺量的继续增大，纤维的掺入也会间接成为试样的一种原始缺陷，所以继续增加纤维的掺量，会导致强度的降低;二是，随着纤维长度的增长，纤维的最优掺量逐渐减小，这是因为长纤维对试样的束缚效果更容易的体现，然而长度超过一定长度之后，在成型试样的过程中不能完全搅拌均匀，这也更容易造成纤维的结团，使得由纤维造成的试样原始缺陷更加明显。

3  结论

通过综上试验结果可以得到以下结论：

（1）不同围压下，原状土试样的最大主应力差均大于重塑土的最大主应力差，这说明用三轴试验确定土体的强度具有一定的可靠性和安全性。

（2）随着玄武岩纤维掺量的增加，试样的最大主应力差呈现先增长后降低的趋势，同时试样的黏聚力也呈现先增长后降低的趋势，这说明纤维掺量存在一個最优值。另外，不同纤维长度存在不一样的最佳掺量。本试验得到的最佳掺量为0.3 %～0.4 %。

参考文献：

[1] Bishop A WHenkel D F.The measurement of soil properties in the tri axial test[M]. London， Edward Amold Ltd， 1969.

[2] 朱思哲，刘虔，包承纲等.三轴试验原理与应用技术.北京，中国电力出版社，2003.

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[4] 张旭东， 战永亮， 张艳美. 纤维土强度特性的试验研究[ J] . 路基工程 ， 2001（ 1） ： 36-38.

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[9] 徐洪钟等. 玄武岩纤维加筋膨胀土三轴试验研究[J]. 防灾减灾工程学报， 2015， 35（4）： 503-507.

[10] 徐洪钟等. 玄武岩纤维土工格栅加筋膨胀土三轴试验[J]. 南京工业大学学报（自然科学版）， 2013， 35（5）： 105-109.

[11] 徐洪钟等. 短切玄武岩纤维加筋膨胀土的试验研究[J]. 建筑科学， 2012， 28（9）： 44-47.

[12] 中华人民共和国水利部. GB/T50123-1999 土工试验方法标准[S]. 北京： 中国计划出版社， 1999： 107-109.

（作者单位：厦门捷航工程检测技术有限公司）