聚丙烯纖維改良膨脹土抗剪強度試驗研究

張紫怡，黨芳，郝晨曦，任浩，黃晨，杜甜甜，郭鴻，3

（1.陜西理工大學土木工程與建筑學院，陜西 漢中 723000；2.陜西理工大學人居環境科研學社，陜西 漢中 723000；3.陜西理工大學秦巴山地巖土環境與災害防治研究中心，陜西 漢中 723000）

1 引言

膨脹土是一種富含蒙脫石、伊利石和高嶺石等親水性礦物的天然粘性土，具有明顯的濕脹干縮特性。我國是膨脹土分布較為廣泛的國家之一，在我國云南、貴州、四川、廣西、陜西、安徽等地，均有不同范圍的分布。膨脹土因其特殊的工程力學特性，常使地基出現不均勻沉降，繼而使建筑物發生傾斜，甚至發生坍塌，或在降雨-日照-降雨干濕循環作用下導致邊坡滑塌失穩。因此，為解決膨脹土帶來的工程災害，改良膨脹土引起了學者們的廣泛關注。

截至目前，國內不少學者從不同角度和方向來研究膨脹土的改良方法[1]。傅乃強等[2]通過堿激發劑的類型及摻量、纖維和粉煤灰摻量等開展無側限抗壓強度試驗來研究對改良膨脹土強度的影響；秦彩虹等[3]對摻入粉煤灰開展無側限抗壓強度試驗來改良膨脹土；郝建斌等[4]通過摻入粉煤灰和劍麻纖維復合改良膨脹土開展無側限抗壓強度試驗和干濕循環試驗研究改善膨脹土的機理；Ikeagwuani 等[5]通過室內模擬、數值模擬等模擬方法來研究椰殼灰(CSA )改性膨脹土邊坡的穩定性；李金蓉[6]采用木質素和玄武巖纖維對膨脹土進行改良試驗；莊心善等[7]開展了磷尾礦和玄武巖纖維復合加固膨脹土研究；Ouyang Qianwen 等[8]采取微生物誘導碳酸鈣（MICP）法來研究微生物含量對改良膨脹土工程性質的影響。這些膨脹土的改良方法對于后人的研究試驗提供了一定的理論基礎。

本文以漢中地區膨脹土為研究對象，著重研究干密度對膨脹土剪切強度的影響規律，間接反映不同摻量聚丙烯纖維改良膨脹土膨脹性的效果，最后用離散元數值模擬方法重點分析聚丙烯纖維改良膨脹土的細觀機理[9]。研究成果對膨脹土路堤和邊坡防護等工程的設計與施工具有借鑒意義。

2 試驗材料與試驗方案

2.1 試驗材料

本次試驗所用膨脹土取自陜西省漢中市城固縣柳林機場，其顏色呈黃褐色，質地偏硬。將取回的膨脹土置于通風處風干，風干之后再將其充分碾碎，然后用2mm 的圓孔篩進行篩選，并將篩選好的土樣進行密封保存。試驗時，將篩選好的土樣通過 0.075mm、0.25mm、0.5mm、1mm、2mm 的圓孔篩，其顆粒級配曲線見圖1，基本物理指標見表1。

圖1 膨脹土顆粒級配曲線圖

表1 膨脹土基本物理性質指標

試驗所用的聚丙烯纖維，呈白色絲狀，是用于增強土壤強度最普遍的復合材料。這種材料具有成本低、高韌性、低親水性、穩定性好等特點，其基本物理性能見表2。

表2 聚丙烯纖維基本物理性質指標

2.2 試驗方案

本次試驗擬在同一含水率的試樣中，通過在不同干密度試樣中添加不同量的聚丙烯纖維的方式研究抗剪程度指標的變化規律。試樣的底面積為30cm2、高2cm，并考慮不同干密度（1.65g/cm3和1.75g/cm3）、不同豎向壓力（100kPa、200kPa、300kPa）以及不同纖維質量含量（0%、0.04%、0.07%、0.11%）為變量進行試驗研究，共計24個試樣。

3 試驗結果與分析

3.1 相同法向壓力下不同纖維量的影響

本試驗通過對干密度為1.65g/cm3、1.75g/cm3的土樣分別施加100kPa、200kPa、300kPa 的法向壓力，探究相同法向壓力下不同纖維量對剪切力的影響規律。以干密度為1.75g/cm3、法向壓力300kPa 的情況為例，不同纖維含量下剪切位移和剪切力的關系如圖2所示。

圖2 不同纖維含量試樣剪切力-剪切位移關系曲線

從圖2 可知，在法向壓力下，纖維含量對剪切力具有非常顯著的影響，隨著纖維摻量的提高，剪切力先增大后減小，在纖維含量為0.07%時，土樣的剪切力達到峰值，而在纖維含量為0.11%時，土樣抗剪能力削弱。由此可知，聚丙烯纖維含量在一定范圍內能夠提高膨脹土的剪切力，且0.07%含量的聚丙烯纖維為最佳摻量。

分析認為產生這種現象的原因主要是膨脹土受到外力作用后，隨機分布的聚丙烯纖維能有效地減小裂縫尖端的應力集中，并能抑制裂縫的進一步擴大。同時，在土壤中隨意分散的單根聚丙烯纖維能夠有效地抑制土壤顆粒之間的滑動，并阻止其發生咬合破壞，而相鄰纖維能防止其它纖維發生位移變化。但隨著纖維含量的增大，纖維聚集在土壤中分散不開，這讓纖維間的黏結面積減少，從而使土壤中的薄弱點增多。表明纖維含量與剪切力并非呈線性關系，較高的纖維含量反而對膨脹土的抗剪特性有抑制作用[4]。

3.2 不同干密度下最佳纖維摻量的影響

在上述試驗中，同一含水率下，不同干密度、不同纖維含量的土樣中，聚丙烯含量為0.07%時，改良膨脹土的效果較佳。因此，以0.07%纖維含量為基礎，進一步研究干密度對剪切力的影響，如圖3所示。

圖3 不同干密度下最佳纖維摻量對比圖

由圖可知，在干密度為1.65g/cm3時，摻量為0.07%的聚丙烯纖維隨著法向壓力的增加，剪切力也隨之增大，且其剪切峰值穩定在39kPa 上下波動；在干密度為1.75g/cm3時，摻量為0.07%的聚丙烯纖維隨著法向壓力的增加，剪切力也隨之增大，且其剪切峰值在47kPa 上下進波動。說明在相同含水率情況下，較大干密度（1.75g/cm3）土樣的聚丙烯纖維的改良效果更好。在實際工程應用中要嚴格控制土體的密實度，最大程度地發揮聚丙烯纖維的改良作用。

4 離散元數值模擬

為了以微觀角度觀察聚丙烯纖維改良膨脹土的變化，進一步用Cundall 在1979 年提出的離散元方法進行分析[10]。本文所使用的離散元模擬軟件為PFC，該軟件具有不受限于材料變形的特點，能夠較好地模擬介質的非連續力學行為，真實地反映介質的力學機制、細觀變化、變形結果等，因此應用廣泛[11]。

4.1 PFC 模型細觀參數的確定

由于本文所建立的離散元數值模型為二維，為了和實際試驗中的三維相對應，需要對孔隙率參數進行轉化[12]，其余細觀參數的標定方法參考文獻[12]。本文PFC模型細觀參數如表3所示。

表3 離散元模擬參數一覽表

4.2 直接剪切試驗的數值模擬

針對干密度分別為1.65g/cm3和1.75g/cm3的試樣進行離散元直接剪切數值模擬，如圖4、圖5所示。

圖4 膨脹土的離散元數值模擬（干密度為1.65g/cm3）

圖5 膨脹土的離散元數值模擬（干密度為1.75g/cm3）

由圖可知，膨脹土在發生剪切時，顆粒與顆粒之間發生相對錯動，位移變化較大的顆粒集中在上剪切盒靠近墻壁一側，且位移最大的顆粒位于發生剪切的上剪切盒右方靠近墻壁的一側；力鏈強度較大的集中在上剪切盒左方靠墻壁一側、上剪切盒中部以及下剪切盒中部。

由離散元模擬試驗可知，在土樣剪切變形過程中，在剪切力作用下，剪力盒左上區域的膨脹土首先被壓縮，從而使力鏈的整體向左上部集中，力鏈走向也由法向為主向剪切方向傳遞。隨著剪切力的增加，顆粒與顆粒之間的擠壓變形逐漸增強，新的力鏈受剪切力和法向荷載的共同作用，由合力方向向力鏈的右下方進行傳遞，因此在力鏈的傳遞過程中，力鏈會傾向于在對角線方向聚集[11]。

綜上所述，在同一含水率、纖維含量、豎向壓力下，干密度為1.75g/cm3的膨脹土球體位移較干密度為1.65g/cm3距離變化更大，同時力鏈也相較范圍更廣、強度更大。因此，離散元數值模擬也可證實在相同含水率、纖維含量、不同干密度情況下，干密度為1.75g/cm3的土樣的抗剪程度較為理想。

5 結論

在同一含水率下，膨脹土抗剪強度隨聚丙烯纖維含量的變化呈上升再緩慢下降的趨勢，說明聚丙烯纖維改良膨脹土并不是纖維含量越多越好。而在本試驗中，纖維含量為0.07%時，膨脹土抗剪強度的改良效果最優。

在同一含水率和聚丙烯纖維含量下，膨脹土樣的干密度對于膨脹土的改良也有一定影響。在本試驗中，通過室內試驗與離散元模擬試驗，得出土樣顆粒在對角線方向受剪較強，且在干密度為1.75g/cm3時，膨脹土的抗剪特性最優。

本文主要研究了聚丙烯纖維對膨脹土抗剪強度的改良效果，對聚丙烯纖維改良膨脹土的膨脹性問題，將在下一步的研究中進行。