水黏土加筋增強的探討

0纖維復合材料在水土工材料中的應用在對水的土壤中混合水泥的過程中，通過一系列物理反應形成一定的強度和耐候性固。因為土體經過水泥加固后,其物理力學性質能得到較好的改善,同時水泥土還具有經濟適用、施工方便等優點,所以在地基加固、止水帷幕、邊坡加固與穩定、深基坑支護等方面得到很廣泛的應用。但水泥土從本質上來說,仍屬于一種特殊的土體,其抗壓強度遠低于混凝土,且抗拉強度較低,在水泥土攪拌樁支護結構中存在著水平向承載能力較低,用于復合地基時仍存在變形較大等問題。為此,工程界的許多學者仍在探求改善水泥土力學性能的方法。國內外許多學者曾對纖維加筋土進行了較廣泛的研究,其中對鋼纖維加筋土和尼龍纖維加筋土的三軸試驗結果表明:鋼纖維加筋土能提高土體的峰值強度和剪損前的剛度;高圍壓下尼龍纖維能提高土體的峰值強度和破壞應變,但降低了土體在破壞前的剛度;對聚酯纖維增強粉煤灰-水泥土的無側限抗壓強度試驗結果表明,聚酯纖維的摻入在提高粉煤灰-水泥土強度的同時,還使其應力應變關系由脆性轉變為延性。因此,在改善水泥土力學性能的措施中,利用外摻纖維材料改善其力學性能也是一種值得研究的方法。相對于纖維土的研究,國內外對纖維水泥土的研究并不廣泛。本文探討了將玻璃纖維作為一種外加增強材料摻入到水泥土中,利用玻璃纖維較高的抗拉性能提高水泥土的強度,對其力學特性進行了試驗研究。為了考察玻璃纖維對水泥土的增強效果,本文采用不同的玻璃纖維摻量,對水泥土進行了7d、30d、90d齡期的無側限抗壓強度試驗、劈裂抗拉試驗以及三軸壓縮試驗,并從玻璃纖維水泥土的強度、變形特性方面對試驗結果進行了分析。1關于纖維水土壤測試1.1試驗構件的性能土料:采用鹽城地區軟黏土,取自地表1m以下,土樣為灰黑色細粒土,含有少量碎貝殼,其部分物理力學性能見表1。土樣的部分物理力學指標水泥:采用海螺P.C32.5復合硅酸鹽水泥,其立方體試件3d抗壓強度為21.0MPa,28d抗壓強度為42.7MPa。玻璃纖維:采用無堿短切原絲,為方便施工,本試驗均采用短切1cm的長度,其主要物理性能見表2。玻璃纖維的主要物理力學性能1.2試件的制備和養護無側限抗壓試驗和劈裂抗拉試驗試件尺寸為7.07cm×7.07cm×7.07cm的立方體。先將土樣烘干后在粉碎機上粉碎,過2mm篩,按表3的配比稱好試驗材料(水灰比0.5),并按一定順序放入攪拌盆內,用攪拌鏟人工拌和均勻,然后在尺寸為7.07cm×7.07cm×7.07cm的試模內壁均勻涂上一層機油,將拌和后的材料分層裝入試模并振搗壓實,最后刮平表面并蓋上塑料布,試件成型24h后脫模編號并水下養護至預定齡期。試驗材料配比三軸試驗試件尺寸為直徑3.91cm、高8cm的圓柱體。將材料按比例充分攪拌均勻后,按抗壓和抗拉試驗對應的干密度,采用三軸試驗專用三瓣模和壓實工具將混合料分層裝入并壓實,靜置24h后脫模編號并水下養護,三軸試驗每組配比制備兩組平行試件。抗壓強度試驗和抗拉強度試驗中壓力試驗機以8mm/min的速率連續均勻加載,直至試件破壞;分別在圍壓為100kPa、200kPa、300kPa下進行不固結不排水剪切三軸試驗,試驗中控制三軸儀軸向應變速率1%/min(0.8mm/min),試件軸向應變每隔0.2mm記錄測力計讀數一次,當測力計讀數出現峰值時,繼續進行3%~5%應變后停止試驗。2試驗結果的分析2.1通過抗壓強度和強度增長情況分析由圖1所示的試驗結果可以看出,玻璃纖維的摻入對提高水泥土三個齡期的強度均有較好的作用,而且強度的提高幅度與玻璃纖維摻入量成正比。在7d、30d和90d齡期時,摻水泥12%、玻璃纖維2%的試件強度已超出單摻水泥15%的試件。在試件的破壞性狀上,摻入玻璃纖維的水泥土試件在抗壓破壞時出現的裂縫寬度和數量明顯要小于未摻玻璃纖維試件,破壞時僅表面出現幾條裂縫;而未摻入玻璃纖維的試件破壞時除了表面出現較多的裂縫外,還出現外表面剝落的現象。2.2運行效果分析由圖2的試驗結果可知,玻璃纖維的摻入對水泥土三個齡期的抗拉強度同樣均有較好的提高作用,1%的玻璃纖維摻入量對水泥土抗拉性的提高明顯優于增加3%水泥用量所達到的效果。而且摻入玻璃纖維后,水泥土試件在短齡期內的抗拉強度提高幅度比長齡期時的提高幅度大,所以玻璃纖維的摻入短期內就能大幅度提高水泥土的抗拉性能。在破壞形態上,劈裂抗拉試驗中未摻玻璃纖維的90d齡期水泥土試件呈現明顯脆性破壞的特點,劈裂面橫貫整個試件,而摻入玻璃纖維的試件則因為纖維發揮了其抗拉作用,破壞時表現為裂而不斷,裂縫寬度和深度都小于單摻水泥的水泥土試件。因此,玻璃纖維的摻入對提高水泥土的抗裂性起到了較好的效果。2.3圍壓對應力應變關系的影響7d齡期不同配比的水泥土試件在不同圍壓下的應力~應變關系如圖3、圖4、圖5所示。單摻水泥的水泥土試件在初始階段的線性變形相對于摻入玻璃纖維的水泥土試件略短,較早進入了屈服階段。隨著圍壓的提高,不同配比水泥土試件的破壞應力和破壞應變均逐漸增加,玻璃纖維水泥土試件在不同圍壓下的破壞應力均高于同條件下單摻水泥的試件,而且由于纖維的抗拉作用,摻入玻璃纖維的水泥土試件破壞應變也大于同條件未摻玻璃纖維試件。在某一級圍壓下,單摻水泥12%和15%的水泥土試件其破壞應力和應變在短齡期內相差不大,而摻入玻璃纖維的水泥土試件破壞應力、破壞應變的大小均與纖維的摻量成正比關系,在短齡期內就能反映出玻璃纖維對水泥土強度的提高作用。30d齡期不同配比的水泥土試件在各種圍壓下的應力~應變關系如圖6、圖7、圖8所示。總體上,應力~應變曲線在上升階段初期呈現出更多的線性關系,然后進入屈服上升階段,但玻璃纖維水泥土的屈服應力仍大于單摻水泥的試件。不同配比試件的破壞應力點比7d齡期的同條件試件明顯,而且應力~應變曲線的下降段相對比較陡峭,試件破壞應變在2%~5%左右,小于同條件下7d齡期的水泥土試件。在某一級圍壓下,30d齡期不同玻璃纖維摻入比的水泥土試件破壞應力均高于同條件下未摻玻璃纖維試件,而且摻入玻璃纖維的水泥土試件破壞應力也基本與玻璃纖維摻入比成正比;在破壞應變上,摻入玻璃纖維的水泥土試件破壞應變為4%~5%,比同條件未摻玻璃纖維試件高1%~2%左右,隨著圍壓的提高,破壞應變的差距逐漸縮小。90d齡期不同配比的水泥土試件在各種圍壓下的應力~應變關系如圖9、圖10、圖11所示。總體上,90d齡期同條件試件的屈服應力大于7d和30d齡期試件,塑性變形階段相對略短,曲線的上升段和下降段的斜率均比7d和30d齡期有較大的增加,破壞應力點也更明顯,達到破壞應力后,在應變增加不是很大的情況下,應力迅速減小,材料逐漸趨向脆性。90d齡期水泥土試件破壞應力高于7d和30d齡期的同條件水泥土試件,但其破壞應變進一步減小。90d齡期摻入玻璃纖維的水泥土試件在不同圍壓下破壞應力和破壞應變仍高于同條件的未摻玻璃纖維試件,其破壞應變比未摻玻璃纖維試件要高0.5%~1.5%左右。因此,玻璃纖維對90d齡期的水泥土仍有較好的增強作用,增強效果同樣受纖維摻入量的影響。在試件的破壞性狀上,7d和30d齡期試件在不同圍壓下破壞時主要表現為塑性剪切破壞,破壞時有比較明顯的斜裂縫,且貫穿整個試件,破壞面與大主應力面夾角在60°左右。隨著齡期的增長,90d齡期的玻璃纖維水泥土試件在圍壓較高時仍具有較明顯的破壞斜裂縫,剪破角在60°左右,但在低圍壓時則出現端部被壓裂的情形,破壞形態接近脆性剪切破壞;而90d齡期單摻水泥的水泥土部分試件破壞時出現橫貫上下端面的豎向裂縫,在低圍壓時比較明顯,表現出脆性張裂破壞的特點。因此,在不同圍壓和齡期下玻璃纖維水泥土與單摻水泥的水泥土試件主要呈現出非線性變形的特點,但玻璃纖維水泥土的屈服應力、破壞應力與破壞應變高于同條件下單摻水泥的水泥土試件,特別是齡期較長時比較明顯。3相結合處理對水土工材料影響的機理本文根據玻璃纖維水泥土的一些常規室內試驗結果,對玻璃纖維摻入到水泥土中后水泥土的力學性質進行了研究,結論如下:(1)摻入玻璃纖維后水泥土的無側限抗壓強度和抗拉強度均有較大的提高,水泥土強度隨玻璃纖維摻入比和齡期的增加而增大,并且玻璃纖維對提高水泥土的抗裂性也起到了較好的作用。(2)不同圍壓下的應力~應變關系反映了玻璃纖維的摻入提高了三個齡期水泥土的峰值應力與破壞應變,同時玻璃纖維對水泥土的增強效果與摻入量成正相關關系。(3)材料配比相同,齡期相同的玻璃纖維-水泥土試件其破壞應力隨圍壓的提高而增加: