2018聚丙烯纤维改良粉煤灰土的动力特性试验研究

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　　1 引言
　　粉煤灰是燃煤电厂产生的一种废碴，具有比重小、强度高、级配均匀、多孔松散、渗透性及水稳性好等良好的工程特性，可用作路堤填料[1]。但是它同时也具有抗管涌能力差，饱和状态下受振动荷载作用易液化的缺点。在道路工程中，有时不能满足工程实际要求，需要采取进一步的改良措施。
　　从国内外研究现状来看，迄今为止，纤维作为一种改性材料主要被应用在改良水泥和混凝土中， 并已经取得了一些研究成果。如：Puertas[2]测试了纤维的加量对水泥的抗弯和抗压等力学参数的影响;Xu[3]通过研究发现不同纤维与水泥制品的耐久性存在一定关系。此外，清华大学的李广信等、介新玉[4,5]在粘性土中加入聚丙烯纤维，通过试验，指出聚丙烯纤维不仅能够提高土体的抗拉强度，而且还能增强土体的临界断裂韧度。这些研究多限于静力特性，对于动力特性，还很少有人做过研究。
　　本文针对粉煤灰在动荷载作用下易液化的特点，在粉煤灰土中掺入适量的聚丙烯纤维，配制了大量试样，通过室内动三轴试验，分析了聚丙烯纤维改良粉煤灰土的动力特性。以期为这种改良材料的合理使用及工程设计提供理论依据。
　　2 试验设备及试件制备
　　2.1 试验设备
　　本次试验使用的仪器为日本DTC-306 型多功能电液伺服动态三轴仪(如图1 所示)，是比较理想的土力学测试设备。本次试验采用应力控制式循环加载，最大幅值为500KG，以振动频率? =1Hz，正弦波为加载形式，围压分别为100KPa、200KPa、300KPa,试验数据由与动三轴仪匹配的自动数据采集系统完成，数据包括荷载循环次数、最大动应力、围压、应力-应变滞回圈[6]。破坏标准按规范[7]要求，将破坏应变定为弹性应变与塑性应变之和d  = 5 %为破坏标准。
　　2.2 试件制备
　　本次试验所采用的土样是常见的路基用土，采用的粉煤灰基本上为硅铝型粉煤灰，具有火山灰性质，干燥时呈细粉状，光滑而松软，类似于水泥粉尘，SiO2+Al2O3+Fe2O3 的质量分数为78.13%?88.64%，CaO 的质量分数为4.12%?7.02%，烧失量为1.0%?5.26%，粉煤灰和土样按干质量1：2 混合。粉煤灰土的主要物理特性见表1，试验中采用的聚丙烯纤维丝，其物理力学参数见表2。
　　将聚丙烯纤维按不同掺量掺入粉煤灰土中，对所制备的6 组，每组4 个试样进行了无侧限抗压强度试验，在7 天龄期下试样的无侧限抗压强度见表3。
　　聚丙烯纤维的加入能够极大的提高粉煤灰土的无侧限抗压强度[8]，当纤维掺量为1%时，强度值提高74%，改良效果最好，是最佳配比。
　　试件的制备过程如下：将粉煤灰和经过烘干、碾碎、过筛的土样按干质量1：2 混合，随机掺入按质量百分比为1%的聚丙烯纤维，将纤维与粉煤灰土搅拌均匀，按最佳含水率，最大干密度，采用标准击实方法，制成一批试样(如图2 所示)其规格为高140mm,直径为70mm。
　　3 试验结果与分析
　　3.1 聚丙烯纤维改良粉煤灰土的动强度特性
　　由动三轴试验直接得出轴向动应力与破坏周数的关系曲线。根据土力学常用剪切强度，三轴试件在45面上的动剪切应力d  /2 为动强度[9]。图3 为粉煤灰土的动剪切应力d  /2与破坏周数的关系曲线。图4 为聚丙烯纤维改良粉煤灰土(以下简称改良土)的动剪切应力d  /2 与破坏周数的关系曲线。由图3、图4 可以看出，改良土的动强度明显高于粉煤灰土的动强度，且两者的动强度都随着荷载循环次数的增加而下降，随着围压的增加而变大。图5 为破坏10 周的动强度与围压的关系曲线。由图5 可知，在10 周破坏时，随着围压的增大改良土的动强度提高幅度要大于粉煤灰土。这是由于聚丙烯纤维很细，弹性模量高，比表面积大，分布在粉煤灰土中，可以使其内部形成一种均匀的网状支撑体系，试样在轴向动应力的作用下，聚丙烯纤维承担了试样发生剪切变形的部分应力。当围压分别为100KPa，200KPa，300KPa 时，改良土的动强度比粉煤灰土分别高26.02%，27.98%和31.13%。这表明在高围压下，纤维对试件的动强度影响较大。
　　3.2 聚丙烯纤维改良粉煤灰土的动模量与阻尼比
　　试验量测下，改良土的动应力应变关系具有明显的非线形特征。由土动力学定义可知，椭圆形滞回圈顶点连线的斜率为平均动弹性模量d E 。
　　可以看出动模量d E 随动应变d  增大而递减，粉煤灰土在d  =0.0005 时，E =49.28;当d  =0.001 时， d E =24.46，减小了50.37%; d  =0.002 时， d E =13.34，比d  =0.0005 时，减小了80.23%。而改良土在d  =0.0005 时， d E =58.68;当d  =0.001 时，d E =30.14，减小了48.7%; d  =0.002 时， d E =17.98，比d  =0.0005 时，减小了69.36%。
　　由此可以看出，改良土受动应变的影响比粉煤灰土小，较为稳定。在相同的动应变水平下，改良土的动模量要大于粉煤灰土20%左右，改良土的阻尼比略大于粉煤灰土。
　　4 结论
　　本文在大量动三轴试验基础上，分析了荷载循环次数、围压、动应变水平对动强度、动模量以及阻尼比的影响，得出了以下结论：
　　(1)利用聚丙烯纤维改良后的粉煤灰土，其动强度要明显大于粉煤灰土的动强度，且两者的动强度都随着荷载循环次数的增加而下降，随着围压的增加而变大。
　　(2)随着围压的增大改良土的动强度提高幅度要大于粉煤灰土。当围压分别为100KPa，200KPa，300KPa 时，改良土的动强度比粉煤灰土分别高26.02%，27.98%和31.13%。这说明在高围压下，纤维对试件的动强度影响较大。
　　(3)改良土受动应变的影响比粉煤灰土小，动模量d E 随动应变d  增大而递减。动应变相同时，改良土的动模量要大于粉煤灰土20%左右，改良土的阻尼比略大于粉煤灰土。