地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (3): 421-427
引用本文
董吉, 陈筠, 邬忠虎, 杨恒, 陈泰徐. 木质素纤维红黏土强度及变形特性试验研究[J]. 地质力学学报, 2019, 25(3): 421-427.
DONG Ji, CHEN Jun, WU Zhonghu, YANG Heng, CHEN Taixu. EXPERIMENTAL STUDY ON THE SHEAR STRENGTH AND DEFORMATION CHARACTERISTICS OF LIGNIN-FIBER RED CLAY[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(3): 421-427.
木质素纤维红黏土强度及变形特性试验研究
董吉1 , 陈筠2 , 邬忠虎3 , 杨恒1 , 陈泰徐1     
1. 贵州大学资源与环境工程学院, 贵州 贵阳 550025;
2. 贵州理工学院交通工程学院, 贵州 贵阳 550003;
3. 贵州大学土木工程学院, 贵州 贵阳 550025
摘要:利用工业废料改良土体性能不仅具有实用价值而且能够保护环境。采用室内土工试验及SEM试验,针对木质素纤维加筋红黏土的效果,以及木质素纤维掺量对红黏土强度及变形特性的影响规律和作用机理进行研究。试验结果表明:木质素红粘土压缩模量随着纤维掺量的增加先增加后减小,2%纤维掺量时,模量最高;不同木质素掺量红粘土的内摩擦角基本保持不变;红黏土黏聚力随木质素掺量的增加先减小后增大再减小。2%是纤维最优掺量,土体黏聚力出现最大值;在三轴实验中,加筋红黏土试样均发生鼓胀变形,没有明显的破裂面,具有典型的应变硬化特征。研究结果表明木质素纤维能一定程度提高红粘土的强度,提升红粘土的工程应用价值。
关键词红黏土    木质素纤维    三轴试验    抗剪强度    纤维掺量    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.03.039     文章编号:1006-6616(2019)03-0421-07
EXPERIMENTAL STUDY ON THE SHEAR STRENGTH AND DEFORMATION CHARACTERISTICS OF LIGNIN-FIBER RED CLAY
DONG Ji1 , CHEN Jun2 , WU Zhonghu3 , YANG Heng1 , CHEN Taixu1     
1. Resources and Environmental Engineering College, Guizhou university, Guiyang 550025, Guizhou, China;
2. School of Traffic Engineering, Guizhou Institute of Technology, Guiyang 550003, Guizhou, China;
3. College of Civil Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, Guizhou, China
Abstract: The pollution of geomaterials is one of the key problems in construction. Considering proportion of lignin fibre, laboratory mechanics experiments and SEM tests were applied to natural red clay and lignin fibre-adding red clay. Variation laws of strength characteristics and effects were studied when added volumes were various. The results showed that:lignin fibre could enhance the compression modulus of red clay under different press levels and the results appeared regularly changing; cohesive strength of red clay increased first then decrease with the increase of lignin fibre. Interlock forces that formed between lignin fibre and soil particle were less than joint force existing in skeletal structure of natural red clay, which could not enhance the soil strength when mixing amount was under 1%. Cohesive strength showed maximum, but the internal friction angle remained stable when the mixing amount was 2%; stressed red clay containing lignin fibre showed bulging deformation without obvious fracture surface. Hence, tension failure and adhering failure didn't exist in red clay containing lignin fibre and presented typical properties of strain hardening; red clay containing lignin fibre could enhance the residual strength effectively.
Key words: red clay    lignin-fiber    triaxial compression test    shear strength    fiber content    
0 引言

红黏土系碳酸盐岩红土,广泛分布在中国云贵高原及其毗邻的广西中西部和湘西等地[1]。它是西南地区土料资源中最主要土类,常呈红棕色、黄褐色,将其就地取材运用到公路建设中,可以取得较高的经济效益,并节省人力、物力、财力,缩短工期。但其表现出的含水性高、液限高、塑性指数高、水稳定性与压实性较差、易收缩开裂等特点严重影响工程的稳定性[2]。因此,在工程建设中常采用弃土换填的方法,这样不仅造成资源的浪费与工程成本的增加,也对生态环境造成破坏[3]

为此国内外学者针对高液限红黏土的处理办法做了大量研究,主要分为物理改良与化学改良。物理改良材料主要为碎石、风化砂、粉煤灰、纤维和膨润土等;化学改良材料为“奥孚博”土壤固化剂、石灰、水泥、“康耐”稳定剂等[3]。这些改良方法都使高液限红黏土的物理力学性质得到有效的改善,但在一定程度上污染了环境。

木质素纤维作为造纸工业副产品之一,是一种即经济又环保,具有良好耐久性的天然材料,常作为沥青、混凝土的稳定剂[4],但它对于改良土体力学性质方面的研究与应用较少。随着国家的迅速发展,环境污染日益严重[5-7]。污染已成为阻碍国家发展重要因素之一,所以绿色、经济改良土的物理力学性质研究[8]将成为国内外环境岩土工程领域的一个崭新课题。为此,文章以贵阳红黏土为研究的对象,通过掺入不同量的木质素纤维,研究改良贵州红黏土的力学性质,探寻木质素纤维的最佳掺入量,使其成为一种经济、环保的改良材料。

1 试验材料及方法 1.1 材料选取

试验选用的红黏土取自贵州省贵阳市花溪区某互通公路开挖基坑,采样深度距地面2.5 m,土样呈黄褐色,土质均匀,结构密实,天然含水率高。依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)和《公路土工试验规程》(JTG E40-2007),测定试验土样的物理性质指标,如表 1所示。

表 1 红黏土的物理性质指标 Table 1 Physical properties of red clay

试验采用的木质素纤维(河北晴俊纤维素厂,FB-300型)如图 1所示,纤维呈絮状成品呈絮状,圆形截面,在水中分散性良好,其物理性质指标如表 2所列。

图 1 木质素纤维 Fig. 1 Lignin-fibers

表 2 木质素纤维物理性质参数 Table 2 Physical properties of lignin-fibers
1.2 试样制备

试样制备过程中,使纤维与红黏土充分均匀混合,确保制备的试样具有良好的一致性是进行三轴压缩试验的关键。经过反复摸索,发现常用掺料方式不能使纤维在土中均匀分布,因此试验的所有试样均采用将纤维加入适量的水中,再倒入风干后经碾散过筛(2 mm筛)的天然红黏土,人工充分搅拌15 min,装入塑料袋密封,贴上标签,闷料24 h后,再制取试验所需试样。

纤维含量按下式定义

$ \varepsilon_{f}=\frac{m_{f}}{m_{s}} $ (1)

式中,εf为纤维含量,%;mf为纤维质量,g[9]ms为干土质量,g。依据文献[10-13]以及反复实践探索,选择以下6种纤维含量,分别为0%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%。

根据原状土天然密度,称取相应质量纤维红黏土制样。按《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999),三轴压缩试验的土样采用分层锤击法,击样器内分5层击实制样,每层交界处刨毛后再加土料击实,土样为高80 mm、直径39.1 mm的圆柱体;每个掺量设置3个对比样。采用真空抽气法制备饱和试样;称量一定质量纤维红黏土,将其全部倒入装有环刀的击样器中,用静力压样,制备试样直径为61.8 mm、高为20 mm。每组试样制备4个,共24组。

1.3 试验仪器及方法

试验仪器采用单杠杆固结仪与TSZ-2型全自动三轴仪。标准固结试验设定加压等级为50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa;三轴压缩试验采用固结不排水试验(CU)[14],施加围压σ3分别为50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。控制加载速率为1 mm/min,以主应力差的峰值作为破坏点,无峰值时,以轴向应变15%时的主应力差值作为破坏点。

2 试验结果与分析 2.1 纤维掺量对比重影响

由于红黏土含有机质、铁质与可溶盐,因此比重试验选用比重瓶法,用中性液体(煤油)代替纯水,排气方式选用真空抽气法排气。对不同掺量下土样进行试验,其结果如图 2所示。

图 2 不同掺量下红黏土比重变化曲线 Fig. 2 Variation curve of red clay under different dosage

木质素纤维对红黏土比重影响明显,总体上比重随纤维掺量的增加而减小,最后趋于平缓。掺入木质素纤维中含有少量白灰,白灰充分填充在土体颗粒间,造成掺入低掺量纤维时,土体比重变化较大;但白灰对比重的填充是有限的,掺量增大对比重的影响逐渐减弱。

2.2 木质素纤维对压缩模量的影响

木质素纤维红黏土的压缩模量随着纤维掺量的增加呈先增加后减小趋势,在掺量为2%时达到最大值(图 3)。

图 3 不同掺量下红黏土压缩模量 Fig. 3 The compression modulus of red clay under different dosages

木质素纤维能提高土体抵抗变形的能力,减小土体的竖向形变,增强土体力学特性。但纤维对土体压缩性的影响与其他纤维对土体压缩模量的影响结果并不一致。在2%掺量之前,纤维在土体中起到“锚杆”作用,抵抗土体的变形。超过2%后,由于木质素纤维的特性,分布越多,纤维的抱团现象越显著,压缩模量反而降低。

2.3 应力与应变关系

不同纤维掺量红黏土轴向应力与应变关系曲线如图 4所示(由于篇幅问题,围压300 kPa的结果略),由图 4可知:

图 4 不同围压下应力-应变关系曲线 Fig. 4 Stress-strain relation curves under different confining pressures

(1) 相同围压下当轴向应变较小时,各掺量下的红黏土的应力与应变曲线基本重合,各试样初期变化趋势近似相同,木质素纤维加筋效果不显著。随着轴向应变增大,主应力差迅速增加,轴向应变达到10%后,其增长幅度逐渐变小,最后基本趋于稳定。

(2) 由表 3可知,纤维掺量为2%时,主应力差的峰值均最大,相较天然重塑红黏土(0%)应力差值提升8%~19%。在相同应力差值条件下,纤维加筋土的应变明显小于天然红黏土的应变,纤维红黏土的强度和抵抗变形的能力有所增加,纤维加筋效果明显。

表 3 三轴压缩试验强度指标 Table 3 Triaxial compression test strength index

(3) 各掺量下,主应力差达到峰值强度后,仍保持着较高的残余强度,随掺量增加的损失量较小。各掺量下应力-应变曲线总体表现为弱硬化型[15],土体强度随着轴向应变的增大而提高,但掺量为1%时的最大主应力差小于天然红黏土(表 3),且应力-应变曲线后期有弱软化的趋势。

以上现象说明,在外荷载作用下,木质素纤维随掺量的增加,能有效的改变红黏土的受力状态,提高材料的抗剪性能。

2.4 纤维掺量对强度指标的影响

根据试验的结果及莫尔-库伦强度理论,绘制在应力状态下的莫尔圆,拟合的包络线用公式τ=σtanφ+c表示,计算各掺量下试样的应力强度指标(黏聚力c和内摩擦角φ),如图 5图 6所示。

图 5 纤维掺量对内摩擦角的影响 Fig. 5 Influence of fiber content on internal friction angle

图 6 纤维掺量对黏聚力的影响 Fig. 6 Influence of fiber content on cohesion

可以发现,纤维对土体黏聚力的影响较大,与天然红黏土相比,在不同的区间内,纤维掺量对黏聚力c值的贡献存在着明显的差异,呈先减小后增大再减小的趋势。添加少量的纤维时,土体黏聚力降低,当纤维掺量超过1%后,木质素纤维红黏土的黏聚力增大;当掺量为2%时,黏聚力出现最大值;超过2%后,黏聚力开始逐渐变小。相比较不同掺量下的木质素纤维对红黏土的内摩擦角影响不大,围绕天然红黏土上下波动。由此可知,木质素纤维对红黏土强度的影响与木质素纤维的特性和对土体增强机理有关[16]

木质素纤维由于单根纤维较细、长度短、抗拉强度较低。掺量小(< 1%)时,纤维均匀分散在土中,土体颗粒与纤维的接触面积小,在受力的情况下,纤维与土颗粒间的咬合力较小,小于天然红黏土颗粒间特有的骨架结构的联结力;同时受力时,木质素纤维与红黏土变形的不一致,引起二者间出现的相互错动,使纤维发生断裂或弯曲,造成了纤维掺量为1%的粘聚力小于掺量为0%粘聚力,所以掺量小时,木质素纤维加筋效果不明显。掺量逐渐增大,木质素纤维的聚集,使单根纤维捆绑在一起,纤维表面被大量的土颗粒包裹,纤维与红黏土颗粒之间的界面作用力对纤维的相对滑动起摩擦作用,纤维和土体共同分担应力作用,从而分担外部荷载[16]。纤维掺量超过2%后,纤维的吸水特性,使纤维聚集成团,无法均匀分散到土体中,在局部形成软弱点使cφ降低。

2.5 微观机理分析

通过扫描电镜试验分析,可以看出单根纤维与纤维聚集体在土体中的状态,随机分布的木质素纤维在土体中相互交错成网或成团(图 7)。大量土体颗粒包裹纤维,当纤维与土体间发生错动时,单根纤维受拉,会牵动相邻纤维共同受力,形成三维立体的受力结构,使荷载均匀分散到其他区域,产生的界面力主要是纤维与土体间的摩擦力和联结力,此外,纤维能有效限制土体的滑动,这种限制作用在纤维成交错分布的网状结构时,效果更加显著,进一步加强木质素纤维改良红黏土的强度。

图 7 纤维表面扫描电镜照片(放大1200倍) Fig. 7 Scanning electron microscope images of fiber surface (magnified 1200 times)

纤维加筋对c值或其他指标的影响是有限的,超过影响范围后,强度指标可能降低。不同纤维对土体强度增强效果有差异的,它与纤维抗拉强度、弹性模量有关,还受纤维的直径、长度、分散性、接触面积等因素的影响。如高磊等[18]在研究中发现,当玄武岩纤维掺量超过0.3%时,土体有效黏聚力开始衰减;胡达等[19]研究纤维素纤维加筋土的力学特性,发现纤维掺量高于0.6%时,抗剪强度随纤维素含量增加而减小。

2.6 试样的破坏特征

试样从左到右掺量依次是0%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%,如图 8所示。在不同围压下木质素纤维红黏土的破坏形态,从试验的试样变形的情况可以看出,同一围压下破坏整体表现为压胀破坏型,试样破坏时没有明显的破裂面,发生侧向鼓胀,属于均匀性变形,是明显的塑形破坏。掺量为1%时,试样鼓胀变形相对较小,当掺量增加到2%时,试样的鼓胀现象明显,随着纤维掺量增加,纤维的团聚体在土样中明显增多,纤维土中的薄弱面增加,此时纤维具有各向异性的特点。

图 8 各围压下木质素纤维红黏土试验破损形态 Fig. 8 Test failure patterns of lignin-fibrous red clay under different confining pressures

掺量变大后,承受外力情况下,表现出的整体性变差,但受力的均匀的状态没有改变,不会出现拉力破坏或黏着破坏。不同围压下,试样变形破坏特征没有明显的变化。

3 结论

针对木质素纤维贵阳红黏土室内试验研究,对不同掺量条件下的应力-应变关系、强度指标以及试样的破坏形态进行分析,研究木质素纤维对土体力学性质的影响,得出以下结论:

(1) 木质素纤维在不同的加压等级下能有效的提高土体的压缩模量,并呈规律性变化,但随着掺量与加压等级的变化,纤维的影响幅度逐渐减弱。

(2) 木质素纤维红黏土应力-应变关系曲线属于典型的应变硬化型,残余强度较高。在相同的应力差条件下,纤维加筋土的应变明显小于天然红黏土,纤维加筋效果明显。

(3) 试验表明,纤维掺量对红黏土的黏聚力影响较大,其内摩擦角基本保持不变,掺量为2%时,黏聚力达到最大值;掺量小于1%时,纤维与土颗粒间形成的咬合力,小于天然红黏土特有的骨架结构产生的联结力,不能提高土体强度。

(4) 木质素纤维红黏土剪切后均未出现明显的贯穿破裂面,属压胀破坏型,为明显的塑形破坏。

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