水黏土加筋增强的探讨

水黏土加筋增强的探讨

0纤维复合材料在水土工材料中的应用在对水的土壤中混合水泥的过程中，通过一系列物理反应形成一定的强度和耐候性固。因为土体经过水泥加固后,其物理力学性质能得到较好的改善,同时水泥土还具有经济适用、施工方便等优点,所以在地基加固、止水帷幕、边坡加固与稳定、深基坑支护等方面得到很广泛的应用。但水泥土从本质上来说,仍属于一种特殊的土体,其抗压强度远低于混凝土,且抗拉强度较低,在水泥土搅拌桩支护结构中存在着水平向承载能力较低,用于复合地基时仍存在变形较大等问题。为此,工程界的许多学者仍在探求改善水泥土力学性能的方法。国内外许多学者曾对纤维加筋土进行了较广泛的研究,其中对钢纤维加筋土和尼龙纤维加筋土的三轴试验结果表明:钢纤维加筋土能提高土体的峰值强度和剪损前的刚度;高围压下尼龙纤维能提高土体的峰值强度和破坏应变,但降低了土体在破坏前的刚度;对聚酯纤维增强粉煤灰-水泥土的无侧限抗压强度试验结果表明,聚酯纤维的掺入在提高粉煤灰-水泥土强度的同时,还使其应力应变关系由脆性转变为延性。因此,在改善水泥土力学性能的措施中,利用外掺纤维材料改善其力学性能也是一种值得研究的方法。相对于纤维土的研究,国内外对纤维水泥土的研究并不广泛。本文探讨了将玻璃纤维作为一种外加增强材料掺入到水泥土中,利用玻璃纤维较高的抗拉性能提高水泥土的强度,对其力学特性进行了试验研究。为了考察玻璃纤维对水泥土的增强效果,本文采用不同的玻璃纤维掺量,对水泥土进行了7d、30d、90d龄期的无侧限抗压强度试验、劈裂抗拉试验以及三轴压缩试验,并从玻璃纤维水泥土的强度、变形特性方面对试验结果进行了分析。1关于纤维水土壤测试1.1试验构件的性能土料:采用盐城地区软黏土,取自地表1m以下,土样为灰黑色细粒土,含有少量碎贝壳,其部分物理力学性能见表1。土样的部分物理力学指标水泥:采用海螺P.C32.5复合硅酸盐水泥,其立方体试件3d抗压强度为21.0MPa,28d抗压强度为42.7MPa。玻璃纤维:采用无碱短切原丝,为方便施工,本试验均采用短切1cm的长度,其主要物理性能见表2。玻璃纤维的主要物理力学性能1.2试件的制备和养护无侧限抗压试验和劈裂抗拉试验试件尺寸为7.07cm×7.07cm×7.07cm的立方体。先将土样烘干后在粉碎机上粉碎,过2mm筛,按表3的配比称好试验材料(水灰比0.5),并按一定顺序放入搅拌盆内,用搅拌铲人工拌和均匀,然后在尺寸为7.07cm×7.07cm×7.07cm的试模内壁均匀涂上一层机油,将拌和后的材料分层装入试模并振捣压实,最后刮平表面并盖上塑料布,试件成型24h后脱模编号并水下养护至预定龄期。试验材料配比三轴试验试件尺寸为直径3.91cm、高8cm的圆柱体。将材料按比例充分搅拌均匀后,按抗压和抗拉试验对应的干密度,采用三轴试验专用三瓣模和压实工具将混合料分层装入并压实,静置24h后脱模编号并水下养护,三轴试验每组配比制备两组平行试件。抗压强度试验和抗拉强度试验中压力试验机以8mm/min的速率连续均匀加载,直至试件破坏;分别在围压为100kPa、200kPa、300kPa下进行不固结不排水剪切三轴试验,试验中控制三轴仪轴向应变速率1%/min(0.8mm/min),试件轴向应变每隔0.2mm记录测力计读数一次,当测力计读数出现峰值时,继续进行3%~5%应变后停止试验。2试验结果的分析2.1通过抗压强度和强度增长情况分析由图1所示的试验结果可以看出,玻璃纤维的掺入对提高水泥土三个龄期的强度均有较好的作用,而且强度的提高幅度与玻璃纤维掺入量成正比。在7d、30d和90d龄期时,掺水泥12%、玻璃纤维2%的试件强度已超出单掺水泥15%的试件。在试件的破坏性状上,掺入玻璃纤维的水泥土试件在抗压破坏时出现的裂缝宽度和数量明显要小于未掺玻璃纤维试件,破坏时仅表面出现几条裂缝;而未掺入玻璃纤维的试件破坏时除了表面出现较多的裂缝外,还出现外表面剥落的现象。2.2运行效果分析由图2的试验结果可知,玻璃纤维的掺入对水泥土三个龄期的抗拉强度同样均有较好的提高作用,1%的玻璃纤维掺入量对水泥土抗拉性的提高明显优于增加3%水泥用量所达到的效果。而且掺入玻璃纤维后,水泥土试件在短龄期内的抗拉强度提高幅度比长龄期时的提高幅度大,所以玻璃纤维的掺入短期内就能大幅度提高水泥土的抗拉性能。在破坏形态上,劈裂抗拉试验中未掺玻璃纤维的90d龄期水泥土试件呈现明显脆性破坏的特点,劈裂面横贯整个试件,而掺入玻璃纤维的试件则因为纤维发挥了其抗拉作用,破坏时表现为裂而不断,裂缝宽度和深度都小于单掺水泥的水泥土试件。因此,玻璃纤维的掺入对提高水泥土的抗裂性起到了较好的效果。2.3围压对应力应变关系的影响7d龄期不同配比的水泥土试件在不同围压下的应力~应变关系如图3、图4、图5所示。单掺水泥的水泥土试件在初始阶段的线性变形相对于掺入玻璃纤维的水泥土试件略短,较早进入了屈服阶段。随着围压的提高,不同配比水泥土试件的破坏应力和破坏应变均逐渐增加,玻璃纤维水泥土试件在不同围压下的破坏应力均高于同条件下单掺水泥的试件,而且由于纤维的抗拉作用,掺入玻璃纤维的水泥土试件破坏应变也大于同条件未掺玻璃纤维试件。在某一级围压下,单掺水泥12%和15%的水泥土试件其破坏应力和应变在短龄期内相差不大,而掺入玻璃纤维的水泥土试件破坏应力、破坏应变的大小均与纤维的掺量成正比关系,在短龄期内就能反映出玻璃纤维对水泥土强度的提高作用。30d龄期不同配比的水泥土试件在各种围压下的应力~应变关系如图6、图7、图8所示。总体上,应力~应变曲线在上升阶段初期呈现出更多的线性关系,然后进入屈服上升阶段,但玻璃纤维水泥土的屈服应力仍大于单掺水泥的试件。不同配比试件的破坏应力点比7d龄期的同条件试件明显,而且应力~应变曲线的下降段相对比较陡峭,试件破坏应变在2%~5%左右,小于同条件下7d龄期的水泥土试件。在某一级围压下,30d龄期不同玻璃纤维掺入比的水泥土试件破坏应力均高于同条件下未掺玻璃纤维试件,而且掺入玻璃纤维的水泥土试件破坏应力也基本与玻璃纤维掺入比成正比;在破坏应变上,掺入玻璃纤维的水泥土试件破坏应变为4%~5%,比同条件未掺玻璃纤维试件高1%~2%左右,随着围压的提高,破坏应变的差距逐渐缩小。90d龄期不同配比的水泥土试件在各种围压下的应力~应变关系如图9、图10、图11所示。总体上,90d龄期同条件试件的屈服应力大于7d和30d龄期试件,塑性变形阶段相对略短,曲线的上升段和下降段的斜率均比7d和30d龄期有较大的增加,破坏应力点也更明显,达到破坏应力后,在应变增加不是很大的情况下,应力迅速减小,材料逐渐趋向脆性。90d龄期水泥土试件破坏应力高于7d和30d龄期的同条件水泥土试件,但其破坏应变进一步减小。90d龄期掺入玻璃纤维的水泥土试件在不同围压下破坏应力和破坏应变仍高于同条件的未掺玻璃纤维试件,其破坏应变比未掺玻璃纤维试件要高0.5%~1.5%左右。因此,玻璃纤维对90d龄期的水泥土仍有较好的增强作用,增强效果同样受纤维掺入量的影响。在试件的破坏性状上,7d和30d龄期试件在不同围压下破坏时主要表现为塑性剪切破坏,破坏时有比较明显的斜裂缝,且贯穿整个试件,破坏面与大主应力面夹角在60°左右。随着龄期的增长,90d龄期的玻璃纤维水泥土试件在围压较高时仍具有较明显的破坏斜裂缝,剪破角在60°左右,但在低围压时则出现端部被压裂的情形,破坏形态接近脆性剪切破坏;而90d龄期单掺水泥的水泥土部分试件破坏时出现横贯上下端面的竖向裂缝,在低围压时比较明显,表现出脆性张裂破坏的特点。因此,在不同围压和龄期下玻璃纤维水泥土与单掺水泥的水泥土试件主要呈现出非线性变形的特点,但玻璃纤维水泥土的屈服应力、破坏应力与破坏应变高于同条件下单掺水泥的水泥土试件,特别是龄期较长时比较明显。3相结合处理对水土工材料影响的机理本文根据玻璃纤维水泥土的一些常规室内试验结果,对玻璃纤维掺入到水泥土中后水泥土的力学性质进行了研究,结论如下:(1)掺入玻璃纤维后水泥土的无侧限抗压强度和抗拉强度均有较大的提高,水泥土强度随玻璃纤维掺入比和龄期的增加而增大,并且玻璃纤维对提高水泥土的抗裂性也起到了较好的作用。(2)不同围压下的应力~应变关系反映了玻璃纤维的掺入提高了三个龄期水泥土的峰值应力与破坏应变,同时玻璃纤维对水泥土的增强效果与掺入量成正相关关系。(3)材料配比相同,龄期相同的玻璃纤维-水泥土试件其破坏应力随围压的提高而增加: