周文俊 王青志 *克王**锦

青海大学土木工程学院 青海省交通控股集团有限公司

摘 要： 为研究玄武岩石粉与玄武岩纤维对粉质黏土的影响，在控制最佳含水率等指标不变的情况下，分别将玄武岩石粉和纤维按照干土质量的0.2%、0.4%、0.6%配制了试样，并对其开展了UU试验，分析了两种材料的不同加筋机理以及力学特性。试验结果表明：两种材料在加入土体后，均能起到较好的加筋效果，加筋后的土体有了更加稳固的内部结构。掺量为0.4%的玄武岩石粉和纤维的加筋效果在所有工况下是最优的。在低围压下，掺入玄武岩石粉土体的应力应变曲线表现为弱应变软化型，在高围压下均表现为应变硬化型，而掺入玄武岩纤维的土体发生应变软化现象的条件是低围压和高掺量，最后提出了改性土应力～应变关系的数学模型。

关键词： 路基工程;加筋土;玄武岩石粉;玄武岩纤维;粉质黏土;力学性能;

基金： 国家自然科学基金项目，项目编号42161026;国家自然科学基金项目，项目编号41801046;青海省科技计划项目，项目编号2021-ZJ-716;青海省交通科技项目，项目编号2019-06;青海省交通科技项目，项目编号2018-02;

纤维加筋技术是将各种纤维随机加入土体中[1],通过一定方式的搅拌或者分散，使得纤维在土体中较为均匀地分布，形成空间锁链结构，使土体内部结构变得更加稳定，达到改变土体性质的目的，且通常为变优的趋势。

土体加筋的方式多种多样，加筋材料的选取也较为广泛。李广信等[2]将聚丙烯和聚酯纤维加入粉质黏土中，发现加筋后土体抗剪强度有明显提高。雷胜友等[3]将麻丝纤维加入到膨胀土中进行了固结试验，结果表明纤维的存在可以有效抑制试验土体的膨胀性，且存在最优掺量。唐朝生等[4]将软土用聚丙烯纤维加固，发现少量的纤维就能使石灰土和水泥土的抗拉强度得到提升。宋金岩等[5]将玻璃纤维加入砂土中进行了UU试验(快剪试验),得出土体抗剪强度与纤维长度近似呈线性关系，纤维的加入可以有效提升土体黏聚力。庄心善等[6]将玄武岩纤维加入粉煤灰改良膨胀土中，发现纤维掺量为0.3%时加筋效果最好。邓友生等[7]在膨胀土中加入聚丙烯纤维，探究其对土体强度的影响，试验结果表明土体在加筋后抗剪强度有所提高，且纤维长度的增加对强度有积极作用。Mahgoub等[8]将鸡羽纤维和甘蔗渣纤维加入土砖中，发现试验样品的抗压强度分别提高了98.8%和78.7%。吴会龙等[9]使用两种纤维加筋人工制备土进行无侧限抗压强度试验，指出两种纤维加筋后土体的破坏应变相较于素土均有提升。Nitin等[10]在膨胀土中加入了聚丙烯纤维和硅粉，并指出两者的混合作用使得膨胀土的无侧限抗压强度得到有效提升。Abdullah等[11]在考虑聚丙烯纤维长度、掺量和土体养护时间等因素下，进行了承载比、无侧限抗压强度试验和渗透试验，结果表明3种试验对应着不同的最佳长度、最佳掺量和最佳养护时间。Abdullah等[12]使用纤维丝和纤维条对膨胀土进行改良，研究发现纤维的加入对土体水力传导度有积极作用。吕涛等[13]在高液限土中加筋稻草纤维，发现土体的 CBR 强度明显提高。

现有加筋方法大多是将单种纤维加入土体探究其力学性能，较少考虑其他形态的物质与纤维形态对土体强度影响的对比分析。本文把玄武岩石粉和纤维加入土体中，探究两种不同形态的材料对土体进行改良的特点，以期为相关研究工作提供新的依据。

1 试验材料及方案

1.1试验土样

试验取土地点为扁门高速公路景阳岭路段。路线起于扁都口的青甘公路养护界附近，与甘肃省规划的张掖至扁都口高速公路相接。路线总体走向为西北至东南。取土桩号为K42+650,位于青海省海北藏族自治州境内。土样级配曲线见图1。经一系列物性试验，得到表1结果。参考《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020),判定其为粉质黏土。

1.2材料特性

本试验选取长度为9 mm的玄武岩纤维与玄武岩石粉，其物化参数见表2和表3。

两种加筋材料形态如图2所示。

1.3土样制备

本次试验所采取的试验土样为高80 mm、直径39.1 mm的圆柱体，所用制样工具为三瓣膜型。制样前先将筛完的较干燥土体(过2 mm筛)放置于烘箱烘干，取出后待冷却至室温；取一定质量所需的干土，分别加入人工分散过后的玄武岩纤维和玄武岩石粉充分搅拌均匀后，喷洒蒸馏水，并于密闭环境中保存24 h; 最后采用分层制样法分5层进行制样。

图1 试验用土的颗粒级配曲线 *载下**原图

表1 土样物理性质 导出到EXCEL

表2 玄武岩纤维丝的物化参数 导出到EXCEL

表3 玄武岩石粉成分 导出到EXCEL

图2 加筋材料 *载下**原图

1.4试验方案

本文采用不固结不排水常规三轴试验方法，由伺服电机控制的动三轴测试系统DYNTTS完成，剪切速率选取为0.8 mm/min, 当轴向应变达到20%时停止试验。为研究不同加筋材料及含量对试验土体的影响，将石粉和纤维以干土质量的0.2%、0.4%、0.6%掺量加入土体中。每种掺量分别制备9个试样，在100 kPa、200 kPa、300 kPa的围压下进行试验，具体试验方案如表4所示。

表4 试验方案 导出到EXCEL

2 试验结果与分析

2.1应力～应变曲线

2.1.1玄丝土应力～应变曲线

由图3可知，在100 kPa围压下，掺玄武岩纤维丝的土体(以下简称玄丝土)试样应力应变表现为应变软化现象，且存在明显的峰值强度。素土(未掺入加筋材料的土体)的峰值强度出现在应变为7.5%附近，而玄丝土的峰值强度则出现在3%附近。出现这种现象的原因是由于纤维丝的加入有效提升了土体的强度，特别是在低应变情况下尤为明显。纤维丝可以有效约束土体发生较大变形，随着应变的增加，虽然玄丝土也出现了应变软化现象，但强度仍普遍高于素土强度。在200 kPa、300 kPa围压条件下，试验土样主要表现为应变硬化型。纵观3种围压状态下的应力～应变曲线，可以发现掺量为0.4%的玄丝土的强度表现较为良好。虽然在300 kPa 围压下，掺量为0.2%的玄丝土在前期强度优于掺量为0.4%的玄丝土，但可以看到随着应变的增大，0.4%的玄丝土强度有超过掺量0.2%的趋势，故可以判定掺量0.4%的玄丝土工况在本研究中是最优的。

2.1.2玄粉土应力～应变曲线

图4为掺入玄武岩石粉的土体(以下简称玄粉土)应力～应变曲线，从图中可以看到玄粉土的应力～应变特点基本为应变硬化型，围压越高则表现越为明显。本文此次试验石粉掺量选取为0.2%、0.4%、0.6%,可以很明显地发现在所有工况下，0.4%的玄粉土强度是最高的；且随着围压的增高，3种掺量的玄粉土强度差距在逐渐减小，这是由于土体在高围压下的密实度高于低围压下的密实度。在低围压下，石粉颗粒填补了土体的孔隙结构，使得试验土体变得更为密实，但当围压增大后，土体因为围压的存在所造成的密实度增加削弱了由于石粉的存在造成的密实度增加，故3种掺量的土体强度差距逐渐被拉小。同样的，由图4可以看到掺量为0.2%和0.6%的玄粉土的强度差别不明显，但均弱于掺量为0.4%的玄粉土而优于素土。

2.1.3纤维丝与石粉加筋效果对比

由上述分析可知，掺量为0.4%的材料改性粉质黏土的效果在其各自对照组中是较好的，故本节将玄丝土和玄粉土按效果最好的工况进行单独对比，如图5所示。其中P代表玄粉土，F代表玄丝土。在100 kPa围压下，两种土样的应力～应变特点均表现为弱应变软化型，玄粉土的强度优于玄丝土；在200 kPa围压下，玄粉土表现为应变硬化型，玄丝土表现为弱应变软化型，玄丝土强度优于玄粉土；在300 kPa围压下，两者均表现为应变硬化型，且强度相差不大，但玄丝土破坏强度仍略高于玄粉土。可知在3种围压情况下，低围压下(100 kPa)纤维丝的作用没有得到充分发挥；在高围压下(200 kPa、300 kPa),由于外部荷载使试验土样得到一定程度挤压，纤维丝与土体之间的相互作用得到放大，进而使强度得到提升。玄粉土在低围压下的破坏强度稍高于玄丝土，此时石粉的填充孔隙作用大于纤维丝的空间锁链作用。但随着围压的增高，这种优势逐渐减小。

图3 玄丝土应力～应变曲线 *载下**原图

图4 玄粉土应力～应变曲线 *载下**原图

2.2破坏强度

图6为破坏强度示意图。参考《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020),对于应变硬化型，取15%轴向应变对应的偏应力作为其破坏强度；对于应变软化型，取其峰值应力作为破坏强度。图6中，每簇柱状图最左侧为素土破坏强度，向右依次为玄丝土和玄粉土的破坏强度。可以看到，所有工况下的土体破坏强度均高于素土的破坏强度，其中0.4%的纤维材料掺量基本为最佳情况。在所有工况下，玄丝土的破坏强度普遍高于玄粉土，例如在纤维材料掺量为0.2%时，随着围压逐级增大，玄丝土的破坏强度分别比玄粉土高6.09%、4.05%、8.03%;在围压为200 kPa时，不同掺量的玄丝土的破坏强度分别比玄粉土高4.05%、1.51%、0.59%。把玄丝土的3种围压下破坏强度进行对比，可得到后一级比前一级分别高78.14%、42.36%。强度百分比差距随着围压的增高降低，是由于围压的存在会削弱外加材料物理改性土体的性能，即围压越高，土体破坏强度越依赖于其本身土体颗粒排列等自身原因，外界的影响(在这里指加入的纤维材料)会因为围压的增高而减弱。

图5 应力～应变对比 *载下**原图

图6 破坏强度 *载下**原图

2.3试样破坏特征

玄丝土和玄粉土在加载后试样状态主要表现为腰鼓状(图7),即：愈靠近土体试样两端，径向应变愈小；愈靠近土样中部，径向应变愈大。同时，还有一小部分试验土体表现为剪切状，即沿土体大概45°剪切面发生了破坏。在玄丝土中，断口明显可见断裂的纤维丝；在玄粉土试样中，断口呈莲花状或波浪状。

图7 加载后试样 *载下**原图

2.4抗剪强度指标

从图8可以看出，两种不同的加筋材料均可以提高土体的黏聚力，并且在掺量为0.4%时达到最大，其中石粉提高土体黏聚力的数值总体上要稍高于纤维丝。在内摩擦角方面，两种土体变化均不太明显，但总体还是偏向于减少趋势，而纤维丝的减弱效果又弱于石粉。

3 应力～应变曲线的数学模型

根据上述应力应变关系曲线特点，采用双曲线模型进行拟合[14],即：

σ1−σ3=ε1a+bε1         (1)σ1-σ3=ε1a+bε1         (1)

式中： σ 1为第一主应力； σ 3为第三主应力； ε 1为应变； a 、 b 为拟合参数。

经数学变换，上式也可写成：

ε1σ1−σ3=a+bε1         (2)ε1σ1-σ3=a+bε1         (2)

以 ε 1为横坐标，ε1σ1−σ3ε1σ1-σ3为纵坐标，得到图9。

从图9可以看到，玄丝土和玄粉土的应力～应变关系均可用双曲线模型来进行拟合，且拟合效果较好。在同围压同掺量的条件下，玄丝土拟合所得直线的斜率基本均大于玄粉土，而玄粉土应力～应变曲线拟合直线的截距均大于玄丝土。

4 结语

根据本文试验所得结果，可以得出以下结论。

(1)纤维丝和石粉的掺入均能提高原生土体的力学强度。

(2)玄丝土和玄粉土在各自的工况下，均有最优掺量0.4%。在此种掺量下，土体的力学性能有了明显的提升。

图8 黏聚力与内摩擦角 *载下**原图

(3)不同加筋材料对土体的黏聚力均有显著影响。在本文的试验条件下，纤维丝和石粉均提升了粉质黏土的黏聚力，且石粉提升的幅值总体上大于纤维丝。而在内摩擦角方面，两种材料对土体的影响并不显著，但均有略微减小。这其中石粉降低的内摩擦角的幅值又大于纤维丝。

(4)玄粉土和玄丝土的力学模型都可以用双曲线模型来进行表示，所得结果的直线斜率和截距有着统一的规律，即围压越高则斜率越小、截距越大。同围压、同掺量时，玄丝土模型的直线斜率基本均大于玄粉土，截距均小于玄粉土。

参考文献

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[14] 刘祖典．黄土力学与工程[M]．西安：陕西科学技术出版社，1997.

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