聚丙烯纤维增强流态固化土的力学性能研究.pdf

聚丙烯纤维增强流态固化土的力学性能研究孙桂玉胡任宇田 野林昭阳(中建二局第三建筑工程有限公司北京)收稿日期:作者简介:孙桂玉()女山东威海人本科高级工程师主要研究方向:工程施工技术摘 要:流态固化土通常会导致基坑发生破坏 选择合适的结构材料是基坑加固流态固化土过程中的一个关键环节首先结合无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度对聚丙烯纤维增强流态固结土的纤维长度和含量进行优化 然后利用扫描电子显微镜讨论和分析聚丙烯纤维对土壤的增强机制以及纤维参数对纤维增强土壤的影响机制 最后铺设全尺寸试验段对其进行静态和动态加载试验验证全尺寸试验段的承载能力和变形特性 结果表明长度为、纤维含量为.的聚丙烯纤维具有最佳的性能和经济成本 经过 次动载循环各基坑结构段底部应力变化较小分级塑性变形稳定纤维增强流态固化土基的累计塑性变形为.关键词:聚丙烯纤维流态固化土力学性能中图分类号:文献标志码:文章编号:():/引 言随着我国基础建设的速度不断加快 建筑工程中的基坑及地基数量也在不断增加但随着我国减碳排放的理念不断深入常规的水泥无法大面积应用在基坑及地基加固中因此迫切需要一种环境友好型建筑材料 预拌流态固化土是一种新型建筑材料将肥槽、基坑开挖后或者废弃的地基土充分利用起来再掺入一定比例的固化剂、水之后利用独创工艺和特殊机械进行充分拌合均匀形成具有可泵送的、流动性的加固材料可被用于各类肥槽、基坑、矿坑的回填浇筑还可被广泛应用于道路路基、建筑物地基等加固处理领域 搅拌均匀后流态化固化土的塌陷度在 经过预混的流态化黏土其硬化后的强度在.目前研究主要集中在纤维增强稳定土上 目前大多数关于纤维增强土的研究主要集中在室内小试件上这与纤维增强土的实际用途不同 因此有必要进行全尺寸试验来进一步研究 室内全尺寸试验可以在很大程度上模拟真实情况有效验证室内小试件的结果而且验证的难度相对较低 因此本文首先在室内小试件上进行试验研究聚丙烯纤维增强固结土的 和 全面确定最佳纤维规格和用量 然后利用扫描电子显微镜()讨论和分析了纤维增强土的增强机制以及纤维参数对纤维增强土的影响机制最后铺设了全尺寸试验段对其进行了静态和动态加载试验验证了全尺寸试验段的承载力和变形特性 材料和方法.材 料试验用土是取自中国南方某城市基坑的流态固化土(由碴土、水泥固化剂和水组成)其级配曲线见图 进行液塑极限组合试验测得的液限、塑限和塑性指数分别为.、.和.环保型固化剂是一种离子型环保型土壤固化剂含量为.试验中使用的聚丙烯纤维有 种尺寸包括、纤维含量(按干土质量百分比计算)为.、.、.、.、.和.图 流态固化土级配曲线.无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度测试无侧限抗压强度()测试是根据规范指定的仪器进行的 每 个试样收集 次应力 应变数据 试样为圆柱形尺寸为 每组有 个试样 试样在制备后固化了 在前 试样被放置在固化箱中进行标准固化(温度为 相对湿度超过)在第 天试样被拿出来在水中恒温()下固化 根据规范进行劈裂抗拉强度()测试 其样品制备方法和测试仪器与 测试相同 试样侧面放置在 个板条之间 个板条严格对齐 应力 应变数据采集方法与 试验相同.扫描电镜测试 测试按照 台式扫描电子显微镜指南进行采用高、低分辨率相结合的方式观察试样 目前人工智能已被广泛应用于各种性能和机理的分析并取得了良好的效果 结合实际情况本文利用 软件对流态固化土的空隙进行了定量分析有利于进一步分析纤维增强流态固化土的加固机理 结果分析.和 的测试结果及分析根据上文所述的试验方法研究了不同纤维长度和纤维含量的纤维增强流态固化土的 和 测试结果如图 所示()()图 和 的测试结果无侧限抗压强度结果表明与对照流态固化土相比聚丙烯纤维增强土的无侧限抗压强度显著增加见图()流态固化土的无侧限抗压强度为.当加入聚丙烯纤维时无侧限抗压强度达到.抗压强度的增加与纤维长度和纤维含量有直接关系 随着纤维含量的增加聚丙烯纤维增强流态固化土的 呈先增大后减小的趋势 聚丙烯纤维增强流态固化土的最佳含量在.聚丙烯纤维的最佳含量为.和 聚丙烯纤维的最优含量均为.聚丙烯纤维最佳含量为.这些含量与王天等人的研究结果一致 聚丙烯纤维增强流态固化土的无侧限抗压强度随纤维长度的变化而变化 总体而言聚丙烯纤维的加固效果顺序为 且在所有组合中掺量为.的 聚丙烯纤维的加筋流态固化土和掺量为.的 聚丙烯纤维加筋流态固化土壤的无侧限抗压强度达到最高分别为.和.与对照流态固化土相比掺量为.的 聚丙烯纤维纤维增强土和含有.的 聚丙烯纤维的固化土的无侧限抗压强度分别提高了.和.从经济角度来看工程实践中建议使用.的 聚丙烯纤维 它的无侧限抗压强度相对较高(.增加了.)可以有效降低施工造价成本与固结土相比聚丙烯纤维增强土的 明显变化更大 固化土的 为.在加入聚丙烯纤维后达到.且可以观察到流态固化土的加固效果与纤维长度和纤维含量有关见图()随着纤维含量的增加 先增加后减少 聚丙烯纤维的最佳含量为.而、的聚丙烯纤维的最佳含量均为.对于不同的纤维长度聚丙烯纤维加固流态固化土的 是不同的聚丙烯纤维加固效果的顺序是 这与 试验结果给出的规律略有不同 含有.的 的聚丙烯纤维的加固流态固化土具有最高的(.)其增加幅度为.与聚丙烯纤维加固土的 相比聚丙烯纤维对流态固化土抗拉强度的加固作用远远高于对其抗压强度的加固作用因为土是弹性材料其抗压强度相对较高抗拉强度相对较低.应力应变和压缩失效特性分析流态固化土试样的强度在达到峰值后迅速下降呈现出脆性破坏的特征(见图)当纤维含量较低时(.)试样失效时的应变较小因此纤维增强作用不能有效体现聚丙烯纤维增强的流态固化土仍具有明显的脆性破坏特征随着纤维含量的增加(.)峰值强度持续增加峰后强度损失减少说明流态固化土的脆性破坏被有效削弱.纤维的聚丙烯纤维加固流态固化土的峰值强度大于.的纤维这与 试验结果一致 当纤维掺量为.长度为 时应力达到.同时研究发现当纤维较少时试样中的裂缝窄而长连接着上下两部分试样的上下两部分保持着相对完整的圆柱体 随着纤维含量的增加裂纹的数量逐渐增加裂纹变得更宽 试样的形状变得不规则呈现出上宽下窄的圆台状或者中间部分膨胀(隆起性破坏)这是因为在纤维含量高的试样中纤维可以限制土壤颗粒增加土壤块的整体稳定性 因此纤维可以影响流态固化土颗粒在轴向载荷下突然位移行为的可能性图 应力应变曲线.扫描电镜下纤维加固土壤机理分析流态固化土(见图)主要由分散的颗粒组成其主要通过堆积和闭塞的方式相互作用 主要的颗粒接触模式包括边缘 边缘和边缘表面方式 与聚丙烯纤维加固的流态固化土相比普通土壤具有更高的孔隙率 在加入聚丙烯纤维后(见图)大量分散的颗粒进一步消失形成凝固的胶结物 其纤维主要通过堆积、闭塞和内聚表面接触起着主导作用可以使土壤孔隙率明显降低 通过对 图像进行二值化然后使用 中的网格处理工具计算像素数可以定量分析普通土壤和凝固土壤的颗粒间距 当图像被放大 倍时使用 的阈值可以更可靠地确定孔隙度 在对放大 倍、阈值为 的 图像进行分析后确定素土、纤维土和 的纤维.纤维的流态固化土的孔隙率值分别为.、.和.从微观角度进一步证明了纤维对流态固化土强度的强化作用图 图像纤维对流态固化土的加固作用主要体现在两个方面:一维加固效应如图()所示以及三维加固的作用如图()所示 对一维加固效应的简单描述为:一根纤维或同一方向的多根簇状纤维被深埋在土壤中并被土壤颗粒覆盖当土体承受荷载时由于纤维和土体之间的弹性模量不同纤维和土体之间会发生变形和相对滑动 在纤维 土壤界面的作用下纤维的滑动受到限制因此它承担了拉伸力从而分担了外力 关于三维加固效果的理论的简单描述为:大量的纤维随机分散形成网络结构 当一些纤维受到张力作用时稳定的流态固化土结构被打乱需要更多的纤维来分散外力()一维加固效果()三维加固效应图 加固机理.现场试验结果分析弹性模量是反映地基承载能力的一个重要指标 整体弹性模量是用承重板方法测量的结果见图 结果表明随着养护龄期的不断增加整体回弹模量逐渐增加早期(龄期)增加较快后期增加较慢这与建筑地基的强度要求一致 当龄期为 时采用水泥土基、流态固结土基和纤维增强土基的路面结构的整体回弹模量分别为.、.、.在第 天时承载力达到了一个明显的高水平 对于每一种养护剂纤维增强流态固化土基层路面结构的弹性模量总是高于水泥土和固结土的弹性模量比水泥土高 图 弹性模量 结 论)纤维的加入可以有效地提高固结土的 和 其提高与纤维长度和纤维含量有关 综合考虑性能改善和经济成本推荐使用长度为 、含量为.的聚丙烯纤维 )根据 分析结果纤维加固土的加固机理可以归纳为一维加固的作用和三维网络结构的作用 纤维 土的界面作用包括加固物 土界面的粘结力、纤维与胶凝材料的摩擦力、纤维表面和土内晶体的锚固作用 纤维显示出两种失效模式即拉断和拉伸失效:参 考 文 献:李建东张延杰王旭等.新型固化剂加固膨胀土研究现状及展望.材料导报():.魏丽柴寿喜张琳等.冻融作用下三类纤维加筋固化土的抗压抗拉性能.岩土力学():.柴寿喜张琳魏丽等.冻融作用下纤维加筋固化盐渍土的抗压性能与微观结构.水文地质工程地质():.吴燕青崔钰婕余永强等.纤维材料对流动化处理土力学特性影响的试验研究.河南理工大学学报(自然科学版)():.王天翁兴中张俊等.干湿循环条件下复合固化砂土抗压强度试验研究.铁道科学与工程学报():.曾坤翔江丽君张晓超等.秸秆纤维加筋加固土抗降雨冲刷试验研究.地质灾害与环境保护():.祝艳波李红飞巨之通等.黄土抗剪强度与耐崩解性能综合改良试验研究.煤田地质与勘探():.(上接第 页)表 应用结果分析应用指标传统监测方法 结合无人机三维信息采集监测效率/(人天).数据准确性/可视化展示 图纸 模型和全景图监测范围局部全局异常识别和报警人工判断自动化 通过数据分析可以看出 结合无人机三维信息采集方法相比传统监测方法具有更高的监测效率 使用传统监测方法需要.人/天完成监测任务而使用 结合无人机三维信息采集方法仅需.人/天大幅提高了监测效率传统监测方法的数据准确性约为 而 结合无人机三维信息采集方法的数据准确性可达到 通过高分辨率图像和点云数据的采集和处理提高了数据的准确性 结合无人机三维信息采集方法可以生成精确的 模型和全景图比传统方法更直观地展示基坑的几何形状、变形情况和异常信息 传统监测方法往往只能局限于局部区域的监测而 结合无人机三维信息采集方法可以实现全局范围的监测 无人机可以对整个基坑场地进行空中拍摄和激光扫描获取全局的数据提供全面的监测结果 结合无人机三维信息采集方法可以通过设置阈值或规则来自动识别基坑的异常情况并触发报警提高了监测的实时性和准确性 结束语本研究通过将 技术与无人机三维信息采集相结合提出了一种创新的基坑监测方法 该方法通过无人机的空中拍摄和激光扫描技术获取基坑场地的现实世界数据并利用 技术创建三维模型实现了基坑的数字化表示和全面监测 这些优势使得 结合无人机三维信息采集的基坑监测方法成为一种高效、精确和可靠的监测手段:参 考 文 献:刘欢杨柳孙金华等.基于无人机多光谱影像的森林蓄积量估算研究.河南科学():.刘建秀苏文哲苏治东.基于轮廓关键点形状上下文描述的 模型版本对比方法.图学学报():.孙梦遥胡冰冰陈华等.基于无人机遥感的小麦无人驾驶系统作业质量评估.中国农机化学报():.孙娜.建筑工程资料管理与 技术融合应用.大众标准化():.孟永东袁昌纬田斌等.滑坡表面位移的无人机航测点云比对监测方法.测绘通报():.