施利国，张孟喜，曹 鹏

（上海大学 土木工程系，上海 200072）

1 引 言

石灰应用广泛，灰土路基垫层、灰土地基的出现为石灰的运用提供了更大的使用空间，但对于灰土的理论研究较少，灰土的工程运用也是基于一般的工程经验，一定程度上说，灰土的理论研究的滞后制约了灰土工程应用与发展。

灰土的室内试验研究方法主要有击实试验、直剪试验、无侧限抗压强度试验、动、静三轴试验。董玉文等[1]通过室内试验，分析了不同含灰量时灰土的击实性和击实灰土的抗剪性能，结果表明，含灰量对灰土的击实性和抗剪性有明显的影响。龄期对灰土强度的影响也是一个很重要的因素，董玉文和张伯平[2]通过三轴剪切试验研究不同灰土比、不同龄期的灰土试样强度，试验结果表明，灰土的工程性能随龄期的增长而改善,尤其在30 d内改善较为显著。韩晓雷等[3]对灰土试样进行了无侧限抗压强度试验，研究了灰土强度影响因素，结果发现，灰土的干密度对其强度有很大影响，灰土比为2：8，更接近于最佳灰土比。

聚丙烯纤维作为加筋材料在加筋领域应用相当广泛，国内外学者应用聚丙烯纤维作为加筋材料研究得比较深入。Temel和Omer[4]研究了离散纤维加筋砂土的剪切强度性质；Rose等[5]，Park和Tan[6]分别将纤维应用于路基填料和挡土墙工程中，并对其工程性质作了系统研究。国内学者在纤维作为加筋材料研究也是成果累累，李广信等[7]对纤维加筋黏性土进行了一系列的室内试验，证明了纤维加筋黏性土具有良好的抗剪强度、抗拉强度、极限拉应变、断裂韧度等力学性能。张小江等[8]研究用聚丙烯纤维加筋黏性土抵抗静、动荷载作用下土体发生张拉裂缝的功能，结果表明，纤维加筋黏性土是一种比较理想的土坝防渗抗震填料。介玉新和李广信[9]深入探讨了纤维加筋土的计算方法，提出了等效附加应力法，唐朝生[10]等通过拉拔试验，分析了单根纤维与土接触面之间的剪切强度和残余剪切强度。蔡奕等[11]研究了团聚体大小对填筑土强度的影响，在受压破坏时，素土表现为应变软化的塑性破坏，纤维土表现为应变硬化的塑性破坏，石灰土则表现为完全的脆性破坏；素土、纤维土和石灰土的无侧限抗压强度随团聚体粒径的增大而降低。

在新型土工加筋技术研究的基础上，作者提出了聚丙烯纤维加筋灰土这一概念。本文选取聚丙烯纤维作为加筋材料，通过三轴试验研究了不同灰土比、不同纤维含量、不同龄期、不同围压下的纤维灰土的强度，系统地研究了灰土比、纤维含量、龄期、围压对纤维灰土的影响，对纤维灰土的工程应用具有较大的参考价值。

2 试验方案

2.1 试验材料

试验土样取自上海浦东某大厦施工工地，按《公路土工试验规程》(JTJ051－1993)在工程现场采集土样，测定其物理性质指标见表1。

表1 黏性土的物理性质指标Table 1 Physical indices of cohesive soil

石灰采用全胜建筑材料有限公司生产的石灰粉，石灰粉颗粒均匀，手感细腻，见表2。

表2 石灰的物理性质指标Table 2 Physical indices of lime

聚丙烯纤维采用上海博宁工程纤维材料有限公司生产的产品，如图1所示，聚丙烯纤维力学性能见表3。

图1 聚丙烯纤维Fig.1 Polypropylene fiber

表3 聚丙烯纤维的物理力学参数Table 3 Physico-mechanical parameters of polypropylene fiber

2.2 试件制备

试验前烘干土样，按灰土体积比 1：9、2：8和3：7配置灰土样，分别测定其最优含水率和最大干密度。测得最优含水率、最大干密度分别为21.1%、1.96 g/cm3，21.9%、1.95 g/cm3，22.8%、1.92 g/cm3，如图2所示。

为了保持试验含水率均匀稳定，配制的灰土样调配至最优含水率后用保鲜膜封闭放入养护缸中，养护24 h进行试验。试样制作前加入聚丙烯纤维，纤维含量分别是灰土重的0.05%、0.15%、0.25%，充分拌合均匀。

三轴试样直径为61.8 mm，高为125 mm。试样制备采用统一的锤击数和击实功能控制土样的密实度，在最优含水率的条件下分 3层击实，上下层适当刮毛，以增大上下层之间的摩擦咬合作用。试样制备完以后用保险膜包裹，不同灰土比、不同纤维加筋率及不同制作时间的试样分别贴上标签。制备好的试样根据不同龄期的需要进行养护如图3所示。

图2 灰土的击实试验曲线Fig.2 The compaction curves

图3 试样养护Fig.3 Conservation of specimens

2.3 试件工况

试验采用南京电力自动化总厂生产的SJ-1A型应变控制式三轴仪，选用Φ61.8 mm的压力室，试验数据采用配套的TSW-3数据采集系统。试验中σ3取 100、200、300和 400 kPa 4种围压。试验以(σ1-σ3)的峰值点为破坏点，无峰点时，取15 %轴向应变时的主应力差确定破坏点。

根据不同纤维加筋率、不同灰土比、不同龄期，一共设计了48种试验工况，具体工况见表2，每种工况分别试验在围压100、200、300和400 kPa下的应力-应变曲线，为了降低试验结果的离散性，对于相同围压同一种试样做3组平行试验，最后汇总整理共取有效数据192组，试验工况见表4。

表4 试验工况Table 4 Experimental cases

3 试验成果及分析

3.1 应力-应变曲线

由于纤维加筋灰土的应力-应变曲线具有很多共性，本文选取部分典型性的曲线分析，如图4(a)～(d)曲线为灰土比2：8，龄期为14 d的应力-应变曲线，图 4(e)～(g)曲线为不同灰土比的的应力-应变曲线（纤维含量0.15%，龄期为14 d）。

由应力-应变曲线可知：

①聚丙烯纤维加筋灰土的应力-应变曲线形状变化趋势与纯灰土相似，基本呈双曲线。

②聚丙烯纤维加筋灰土随着轴向应变的增大，强度逐渐增大，绝大部分没有明显的峰值，应力-应变特性表现为应变硬化型，极个别试样有明显的峰值，出现应变软化，与试样发生倾斜有关。

③加入聚丙烯纤维后，在同一围压下，随着纤维含量的增加，其主应力差增大。

④分析应力-应变曲线，其轴向应变在6%～8%之间，应力就已接近极限值，而后应力-应变曲线处于水平状态，应变增加，应力不增加，具有明显的屈服阶段。

⑤由不同围压下的应力-应变曲线比较可知，试样的强度随着围压的增大而增加，当轴向应变较小时，围压对强度的影响很小。这说明，在发生较小轴向应变下，围压的影响尚未发挥，也就是说，在较小轴向应变下，试样中聚丙烯纤维还没有伸展到它固结前的状态，所以聚丙烯纤维还没有发挥作用；随着轴向应变的增大，纤维进一步伸展直至超过其初始状态，从而发挥灰土与聚丙烯纤维间的摩擦作用，轴向变形越大，围压对其偏应力的影响越大。

3.2 极限偏应力

试样的极限偏应力与试样的灰土比、纤维掺量、龄期以及围压有关，图5为不同试验条件下试样的极限偏应力。

由图5可看出：

①龄期对试样强度的影响很大，同一聚丙烯纤维含量，对比1、7 d试样强度可知，两者强度相差无几，龄期7 d的试样其强度稍有提高，但其提高幅度不大，龄期为14、28 d的试样，其强度大幅度提高，尤其是龄期为28 d试样，其强度差不多是龄期1 d的试样强度的2倍，甚至更多。

②龄期1、7 d试样，其极限偏应力值受围压影响较小，而龄期14、28 d试样受围压影响较大。

③整个趋势上讲，不同龄期其试样强度随着聚丙烯纤维的含量呈增长态势，稍有个别例外。

图4 不同工况的应力-应变曲线Fig.4 Deviator stress-axial strain curves in different experimental cases

图5 不同围压下试样破坏时的主应力差Fig.5 Deviator stresses at failure in different confining pressures

3.3 强度指标

土的强度参数的计算方法有两种，一种是取不同围压下摩尔圆的公切线，即强度包络线来计算土的强度参数。另外就是用土的p-q图来计算土的强度参数。本文通过绘制图p-q（其中来确定聚丙烯纤维灰土的c,ϕ值，比绘制强度包络线方便、准确。将不同周围压力下各极限应力圆顶点的连线称为Kf线。Kf线的倾角αf和截距a间的关系与图6中强度包络线的倾角ϕ和截距c有关。

图6 αf, a和ϕ , c的关系Fig.6 The relationship between αf, a and ϕ , c

由图6可知,

式中：系数Kf代表破坏时的主应力比：

典型纤维灰土（灰土比2：8）的p-q图，如图7所示，通过计算得到纤维灰土的c,ϕ值，见表5，由此整理的典型抗剪强度线如图8所示。

由表5、图8可知：

①龄期1、7 d试样，ϕ值随着聚丙烯纤维含量的增加而稍有增大，但其值不稳定，与土颗粒和石灰还未相互充分作用有关，龄期14、28 d试样，ϕ值约是龄期1、7 d试样ϕ值的2倍，随着聚丙烯纤维的增加其值略有增长，比较稳定。

②由表5、图8可知，龄期直接影响着试样的c值，龄期14、28 d试样的c值较龄期1、7 d的增长幅度较大，其主要原因是石灰中的活性成分（CaO，MgO，Ca(OH)2）与水和土中的碳酸盐发生胶凝反应，并产生碳酸化作用使土的强度提高。

图7 p-q图Fig.7 p-q diagrams

表5 纤维灰土的c, ϕ 值Table 5 Strength parameters of specimens

图8 不同龄期的抗剪强度线（2：8）Fig.8 Shear strengths in different curing ages

3.4 试样的主要破坏型式

由于试样灰土比的不同、纤维掺量不同、试样的龄期不同，试样的破坏主要表现为鼓状（图9(a)）以及有明显破裂面的脆性破坏（图9(b)）两种形式。

图9 试样破坏形式Fig.9 Failure situations of specimens

试验结果表明：

（1）龄期对试样破坏型式影响较大，龄期较短时主要发生鼓状形式破坏，没有形成比较明显的破裂面，试样的薄弱处出现微裂纹，如图 9(a)所示；龄期14、28 d的出现有明显破裂面的脆性破坏，如图9(b)所示，灰土比越大、无纤维或纤维掺量较小时出现脆性破坏的概率较大。

（2）聚丙烯纤维含量对破坏面的形状影响较大，以龄期 28 d试样为例，纤维含量较低时，为0.05%，出现的破坏面形状如图9(c)所示，破坏面比较光滑，纤维含量为 0.25%时，破坏面粗糙，如图图9(d)所示，出现此种情况主要与纤维含量有关，纤维含量越高，土颗粒间的摩擦力越大，限制了破坏面的生成，从而导致破坏面粗糙。

4 结 论

（1）试样的最大干密度随着石灰含量的增加而减小，灰土比为1：9的试样其最大干密度最大，为1.96 g/cm3，灰土比2：8的次之，3：7的最小。

（2）聚丙烯纤维加筋灰土随着轴向应变的增大，强度逐渐增大，绝大部分没有明显的峰值，应力-应变特性表现为应变硬化型，极个别试样有明显的峰值，出现应变软化现象，此时试样发生倾斜。

（3）加入聚丙烯纤维后，在同一围压下，随着纤维含量的增加，其主应力差增大，绝大部分试样轴向应变在6%～8%之间，其应力就已接近极限值，而后应力-应变曲线处于水平状态，应变增加，应力不增加，有其明显的屈服阶段。

（4）不同灰土比的试样强度，在其他条件相同的情况下灰土比为2：8的试样强度最大，在工程使用方面可以考虑少用石灰，节约成本。

（5）龄期1、7 d试样，ϕ值随着聚丙烯纤维含量的增加而稍有增大，但其值不稳定，与土颗粒和石灰还未相互充分作用有关，龄期14、28 d试样，ϕ值约是龄期1、7 d试样ϕ值的2倍，随着聚丙烯纤维的增加其值略有增长，比较稳定。

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