冻融循环作用下纤维黄土的力学性质试验研究

发布时间：2020-03-19 03:51

【摘要】：纤维加筋土是一种复合土,将纤维和土两者按照比例进行均匀混合,使其物理力学性质得到提升。我国西部处于季节性冻土地区,冻融循环作用对建筑物的稳定形成威胁,将影响工程的正常使用和安全运行。本文以西安黄土为研究对象,将聚丙烯纤维作为加筋材料对黄土进行改良,通过室内试验探究纤维掺入比、纤维长度、冻融循环次数等因素对纤维黄土强度及应力应变关系的影响,对西部季节性冻土地区实际工程建设具有一定理论指导意义。对不同纤维掺入比(0%、0.2%、0.4%、0.6%)、不同纤维长度(6mm、9mm、12mm)的纤维黄土在冻融循环0次、1次、3次、6次之后,进行常规三轴剪切、直接剪切和无侧限抗压强度等室内试验,研究不同因素下纤维黄土经历冻融循环作用之后的力学、强度特性以及变形规律。得到以下结论:(1)在固结排水三轴剪切试验中,在经历不同冻融循环次数之后,随着围压的增大广义剪应力也是增大的,应力应变曲线为硬化型;在纤维掺入比为0.6%、纤维长度为9mm时,加筋效果最优;经历冻融循环之后,纤维黄土的粘聚力出现下降,而内摩擦角呈增大趋势。在各因素下纤维黄土的加筋效果系数值都大于1,表明纤维使土体的强度得到提升并且约束了变形。(2)通过直接剪切试验,在经历不同的冻融循环次数之后,在纤维掺入比0.6%、纤维长度9mm时,抗剪强度、粘聚力最大,内摩擦角规律不明显。随着含水量(15%、18%、21%)的增加抗剪强度参数减小;随着冻融次数的增加粘聚力出现降低而内摩擦角出现小幅度增长,但是幅度较小。(3)结合无侧限抗压强度试验,通过素黄土和纤维黄土对比发现,在经历冻融循环作用之后,纤维黄土的强度和变形要优于素黄土,说明纤维可以抵御冻融循环作用和变形,其应力应变关系曲线呈现软化型,在纤维掺入比为0.4%、纤维长度为9mm时抗压强度值最大。(4)基于常规三轴剪切试验得到的结果,整理得到邓肯-张模型的具体参数,研究参数随着纤维掺入比和冻融循环次数的变化规律,结果表明K、n、G、F、Kb、m变化规律明显。建立冻融循环作用下邓肯-张模型参数的变形趋势模型,进一步证实纤维提升了黄土的强度和整体变形稳定性,得到拟合方程为数值模拟提供理论支持。
【图文】：

均匀分布,作用方式,纤维,土体

(a) 弯曲机理 (b) 交织机理图 1-1 纤维与土颗粒的作用方式Fig. 1-1 The Mode of action of the fibers and soil particles纤维对土体的补强受纤维和土颗粒之间的摩擦力和形成的纤维网络同时作用，摩擦粘聚力使得纤维在土体中均匀分布，之后形成有效的空间网络来约束土颗粒的变形移。纤维的弹性模量要大于土的弹性模量，就会使得纤维土在相同的变形条件下，抗度、抗压强度、抗液化能力得到提升。冻融循环研究现状冻融循环研究的重点在水分和盐分的迁移规律以及在土体的冻胀和盐胀的理论方面。试验仪器和研究的理论知识都相对完善和成熟，同时也取得了丰富的实践数据和理果，但是难以形成统一，究其原因是因为土质的差异和试验方法的不同，这是导致试果差异的主要因素。土体冻胀和融沉现象受温度的变化所致，这时土体的内部水分场、温度场、应力场发化，由于三场耦合将会相互产生影响，这样就会造成路基或地基产生破坏。[61]

纤维,样模,聚丙烯纤维

计算出每个三轴试样所需用土量，将所需用土量 5 等分后使用特制压样模具分 5 层进行压实，并在每层压实之后将土面刨毛，以便层与层之间接触更加密实，保证压出来的试样均匀、完整；在制作直剪试样时，将计算好的用土量一次性放入特制的压样模具中，使用千斤顶挤压一次成型。同时要确保试验的干密度误差在 0.02 g/cm3之内。本文中使用的纤维为聚丙烯，它是一种高分子化合物，是丙烯通过聚合物形成的，其质量在同类产品中是最轻的，而且这种纤维很常见，颜色呈雪白状且质地软滑，密度极轻，形状呈长条状。聚丙烯纤维具备很多优点：耐热性性能良好，，熔点可以达到 165℃，并且具有良好的绝缘性，属于非极性物质；同时吸水性小，属于无毒、无味的环保材料；并且价格低廉，抗拉强度极高，化学性质稳定，耐酸碱性和耐腐蚀性较强，不与其他化合物发生反应，可以很好的和其他外掺剂混合。其主要物理力学参数如下表 2-2 所示。表 2-2 聚丙烯纤维物理力学参数Table 2-2 Physical and mechanical parameters of polypropylene fibers类型密度/g/cm3直径/μm 熔点/℃ 弹性模量/MPa 抗拉强度/MPa 耐酸耐碱性分散性束状单丝 0.91 18~48 165 >480 >486 较高极好三种长度的纤维如下图所示：
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU444

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