纤维加筋膨胀土的三轴蠕变特性试验研究
南宁膨胀土直剪蠕变特性及长期强度试验研究
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第３ ６卷 ， １ 第 期
２ ０ １ 年 ２ 月 １
公 路 工 程
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南 宁 膨 胀 土 直 剪 蠕 变 特 性 及 长 期 强 度 试 验 研 究
纤维增强复合材料筋蠕变性能试验方法
附录A纤维增强复合材料筋蠕变性能试验方法A.1.1 1 范围本试验方法适用于测定结构用纤维增强复合材料筋的蠕变性能，包括应变-时间关系，荷载水平-蠕变断裂时间曲线和蠕变断裂应力。
A.1.2 2 仪器A.1.3 2.1 试验机蠕变试验机或试验装置，应满足以下要求：——试样的最大拉伸荷载应在试验机加载能力的15%-85%之间。
——试验机夹具之间的最小长度应符合试件的基本要求。
——能够提供稳定的恒定荷载。
A.1.4 2.2 应变测试装置用于测量筋材伸长的引伸计或应变片应该能够记录在计测范围内的所有变化。
A.1.5 2.3 数据采集系统系统应能以最小速率为每秒记录两次连续记录荷载、应变和位移。
荷载、应变和位移的分辨率分别应不大于100N、10×10-6和0.001mm。
A.1.6 3 试件制备A.1.7 3.1 试件选择蠕变试验每组3个试件，其他试件选择要求与拉伸试验一致。
A.1.8 3.2 原始标距的标记和测量引伸计或应变片应安装在试件的中部，距锚固端至少8倍试件计算直径。
A.1.9 4 试验条件试验条件与拉伸试验一致。
A.1.10 5 试验方法蠕变试验的开始时间以试验荷载达到既定蠕变试验恒定荷载的时刻计算。
蠕变试验荷载应取试件极限荷载的0.2到0.8倍，在荷载达到既定荷载前发生破坏的试件为无效时间，若连续3个试件出现该情况，则应考虑降低恒定荷载。
为了最终形成蠕变断裂应力预测曲线，蠕变断裂试验应至少包含3种不同的恒定荷载水平的试验组，蠕变断裂时间应分布在1～10小时，10～100小时和100～1000小时，且应包含至少1个在1000h内不发生破坏的试验组。
蠕变断裂时间为蠕变试验开始时间到试件破坏所经历的时间。
试验最终形成的荷载水平-蠕变断裂时间曲线的回归系数宜高于0.9。
试验过程中应至少在下列时间点测量应变：1、3、6、9、15、30、45分钟，和1、1.5、2、4、10、24、48、72、96、120小时，此后至少每120小时测量一次。
膨胀岩初步研究
第二节 膨胀岩物理力学特性
➢ 膨胀岩的物理特性
膨胀岩具有天然含水量高、密度小、孔隙比大的特 点。天然含水量10%～25%，孔隙比0.4%～0.7%；
崩解性：含有黏土矿物的膨胀岩浸水后发生解体现 象的特性；
裂隙性：指发育的结构面纵横交错的将岩体切割成 碎块状的特性。
式中： I1——岩石应力第一不变量 —I1—S 膨胀试验中岩石应力第一不变量。
第四节 膨胀岩地下工程中地应力计算
➢ 膨胀岩地应力计算理论
膨胀岩地应力计算理论基于膨胀岩的蠕变和膨胀理论。 （1）根据被室内试验，利用岩石蠕变机理确定力学参数； （2）求解支护前围岩弹性和弹塑性应力场； （3）依据稳定蠕变准则和稳定膨胀准则，求解最小支护力
第二节 膨胀岩物理力学特性
➢ 膨胀岩的流变性
流变性：岩石矿物组构随时间不断调整，导致其应力、应 变状态亦随时间而持续增长变化的性质。
流变性是膨胀岩重要的工程性质。
➢ 膨胀岩的易扰动性
易扰动性：由于膨胀岩软弱、裂隙发育、吸水膨胀等特性， 导致膨胀岩抗外界干扰能力极差，对卸荷松动、施工振动等 极为敏感，而且具有吸湿膨胀软化、暴露风化的特点。
弹性后效：岩石卸载后一段时间应变才减小到一定数值
第三节 膨胀岩流变及膨胀特性
➢ 膨胀岩的蠕变机理
岩石蠕变实质是岩石裂隙扩展与内部应力不断发展与调整 的过程。按照所加应力σ与长期强度 R之L 间的关系，将岩石 蠕变分为稳定蠕变和不稳定蠕变。
稳定蠕变 不稳定蠕变
RL RL
如右图，1为稳定蠕变，2、 3、4为不稳定蠕变。
第一节 膨胀岩的含义、研究背景及现状
➢ 膨胀岩研究现状
土工合成材料讲解
二、土工合成材料的种类、功能及特性
2.1 土工合成材料的聚合物（原材料）
名称
特性
聚乙烯（PE） 良好柔软性、延展性、透明性、耐寒性、加工性
聚丙烯（PP） 耐热性、化学稳定性、电绝缘性好，耐光性、韧性差
聚氯乙烯（PVC）较高强度，耐磨、阻燃，热稳定性差，易老化
聚酯（PET） 热塑性塑料中强韧性最好，透光率好，耐酸不耐碱，
土工合成材料在我国情况
应用始于20世纪60年代 土工织物从1976年用于护岸、防汛抢险及提防等 工程 1995年，“中国土工合成材料工程协会”成立 2002年，我国土工合成材料应用工作者获得国际 土工合成材料学会（IGS）颁发的专门奖项 1998年，我国暴发特大洪水，土工合成材料在抗 洪中起到很好作用。中央领导高度重视，这促进 了土工合成材料的正规化和普及化
保护层 （护面层和垫层）：保护土工膜不破坏，一般有
素土、砂砾石，预制或现浇混凝土板 ，干砌石等
支持层：使土工膜受力和变形均匀
复合土工膜
是一种以土工膜为主体，同时在其一侧或两侧粘有无纺织 物、有纺织物或加筋材料等土工材料等的复合土工材料。 其功能较多，发展潜力较大。 由于布加筋的作用，使复合膜既具有布的特点又具有膜的 特点，抗胀破、撕裂、刺破能力大大加强。 设计时优先考虑膜的变形率和布的强度。 复合膜生产宽度有限，大幅使用时，搭接缝的防渗与强度 特性不容忽视。
它排水性能良好、质量轻、施工方便、对土的扰动小、造 价低廉、工效高。 它一出现便迅速被推广使用，现我国排水带年用量达到近 亿延米（赵维炳，2006）。 应用：提高软地基的承载力与稳定性 减少建筑基础的沉降
⑴可测深的排水带：“数字式”、“铜丝式” ⑵整体式排水带。 ⑶排水加固工程的发展。
外加剂改良膨胀土试验研究
外加剂改良膨胀土试验研究贾延安 1张洋 1黄闪闪 1郝朝伟 2*1.安徽省公路桥梁工程有限公司 安徽合肥 230031；2.交通运输部公路科学研究院 北京 100088摘要： 以江淮地区弱膨胀土为研究对象，选取胀缩总率为评价指标，研究水泥、石灰、玄武岩纤维和固化剂4种改性材料对膨胀土改良效果的影响，并对水泥、石灰改良膨胀土的抗剪强度进行了研究。
试验结果表明：随着外加剂掺量提高，改良土的胀缩总率逐渐减小，且趋势减缓。
同等掺量下，石灰改性效果优于水泥，固化剂和玄武岩纤维改性效果不明显。
随着外加剂掺量增加，改良土的黏聚力和内摩擦角逐渐增大，趋势减缓；同等掺量下，石灰改性土的抗剪性能优于水泥改性土。
关键词： 膨胀土 外加剂 膨胀潜势 抗剪强度中图分类号： TU411文献标识码： A文章编号： 1672-3791(2024)04-0139-04Experimental Study on the Improvement of Expansive Soil withAdmixturesJIA Yan'an 1ZHANG Yang 1HUANG Shanshan 1HAO Chaowei2*1.Anhui Road and Bridge Engineering Co., Ltd., Hefei, Anhui Province, 230031 China;2.Research Institute ofHighway, Ministry of Transport, Beijing, 100088 ChinaAbstract: Taking weak expansive soil in the Jianghuai area as the research object and selecting the total swelling-shrinkage percentage as the evaluation index, this paper studies the impact of the improvement effect of the four modified materials of cement, lime, basalt fiber and curing agent on expansive soil, and also studies the shearing strength of cement and lime improving expansive soil. The test results show that with the increase of admixture con⁃tent, the total expansion and contraction rate of improved soil decreases gradually with a slowing trend, that under the same dosage, the modification effect of lime is better than that of cement, and the modification effect of curing agent and basalt fiber is not obvious, that with the increase of admixture content, the cohesion and internal friction angle of improved soil gradually increase with a slowing trend, and that under the same dosage, the shearing perfor⁃mance of lime-modified soil is better than that of cement-modified soil.Key Words: Expansive soil; Admixture; Expansion potential; Shearing strength1 背景介绍膨胀土是一种遇水膨胀、失水收缩，并能反复胀缩变形的特殊黏性土，其主要由强亲水性黏土矿物成分如蒙脱石和伊利石等组成，具有较强的胀缩特性和裂隙性。
非饱和膨胀土参数分析
非饱和膨胀土参数分析摘要:本文对非饱和膨胀土进行了一系列的剪切蠕变试验研究，基于试验结果对膨胀土的各个参数进行了分析。
结果表明：剪切模量随剪切水平的增加而减小；随含水量的增加也逐渐减小。
相同剪切水平下，粘滞系数随竖向应力的增加而增加；相同竖向力下，粘滞系数随剪切水平的提高而减小。
关键词:剪切蠕变非饱和膨胀土粘滞系数土的蠕变是指在恒定荷载作用下，土体的变形随时间而变化的现象。
工程实践表明，任何土体都具有蠕变特性。
膨胀土的变形可分为弹性变形、塑性变形、粘性变形三部分，其中粘性变形表现为蠕变性状。
因此膨胀土的变形不但与应力有关，而且与时间有关。
随着时间的推移，处于膨胀土地区工程设施均受到不同程度的破坏，这些与时间有关的破坏都是由于膨胀土的蠕变而引起的。
因此本课题小组对膨胀土流变特性进行了一系列的研究，并取得很多重要成果。
但针对膨胀土的各个参数进行分析的文献至今还不多见。
本文基于剪切蠕变试验数据，对膨胀土的参数进行了探讨，得出了一系列具有指导实践意义的结论。
1 剪切模量土的剪切模量是评价土体性能的指标之一，它描述了土骨架在剪切应力作用下，土体的粘滞性随时间的变化规律。
剪切模量是在剪应力-剪应变等时曲线基础上，按照绘制而成的。
膨胀土剪切模量-时间关系曲线见图1和图2。
由图1、图2知，相同竖向力作用下，剪切模量随时间增加而减小，随剪切水平的增加也减小，且其瞬时剪切模量和七天后的剪切模量都减小;相同竖向力作用下，剪切模量随含水量的增加而减小，受含水量影响较大。
2 粘滞系数粘滞系数是描述土的蠕变特性的另一个重要指标，粘滞系数，则粘滞系数可以根据图3关系曲线得到，即曲线的斜率。
发现粘滞系数随竖向应力、剪切应力水平和时间的变化而变化。
从图3可得在同一剪切水平作用下粘滞系数随竖向压力增加而增加，从图4可得在同一竖向应力作用下粘滞系数随剪切水平的提高而减小，从图3、图4可得粘滞系数随时间增加而增加，而且增加得相当大。
粘滞系数变化较大的原因是因为土具有粘滞性，但并不是只有粘滞性，还存在抵抗外荷载变形的弹性和塑性，是三者共同作用的结果。
膨胀土的工程特性胀缩性超固结裂隙.
1、膨胀土的定义膨胀土是在自然地质过程中形成的一种具有多裂隙和显著胀缩特性的特殊性粘土。
膨胀土是一种对于环境变化，特别是对于湿热变化非常敏感的土，其反映是发生膨胀和收缩，产生膨胀压力。
2、膨胀土的主要物理力学特征⑴粒度组成中，通常黏粒（d＜2μm ）含量不大于30%.⑵粘土矿物成分中，伊利石和蒙脱石等亲水性矿物占主导地位。
⑶土体湿度增高时，体积膨胀并形成膨胀压力；土体干燥失水时，体积收缩并形成收缩裂缝，反复的干缩湿胀，使土中的裂隙发育，不仅破坏土体的连续性和完整性，而且也形成了地表水浸入的通道，同时水的浸入又加速了土体的软化及裂隙生成。
（裂隙性）⑷膨胀、收缩变形可随环境变化往复发生，导致土的强度衰减。
（强度衰减性）⑸多数属于液限大于50%的高液限土。
⑹超固结性：膨胀土在沉积过程中，在重力作用下逐渐堆积，土体将随着堆积物的加厚而产生固结压密。
由于自然环境的变化和地质作用的复杂性，土在自然界的沉积作用并不一定都处于持续的堆积加载过程，而是常常因地质作用而发生卸载作用。
膨胀土在反复胀缩变形过程中，由于上部荷载（土层自重）和侧向约束作用，土体在膨胀压力作用下反复压密，土体表现出较强的超固结特性。
这种超固结与通常的剥蚀作用产生的超固结机理完全不同，是膨胀土由于含水率变化引起的膨胀压力变化产生的，是膨胀土特有的性质。
3、工程建设中的膨胀土问题⑴在天然状态下，膨胀土通常强度高，压缩性低，在地面以下一定深度取样时难以发现宏观裂纹。
但一旦在大气中暴露，含水率发生变化时，很快出现大大小小的裂纹，土体结构迅速崩解，透水性不断增加，强度迅速减小直至为零。
膨胀土边坡在极缓的情况下发生滑动。
“逢堑必滑，无堤不塌”。
“晴天一把刀，雨天一团糟”、“天晴张大嘴，雨后吐黄水”是膨胀土强度特性和胀缩性规律的高度写照。
⑵膨胀土素土作为堤坝回填土时，因其干密度与含水率关系非常密切，很难压实，压实质量难以控制。
若碾压质量不好，在运行过程中，填土含水率增加时土体极易产生膨胀变形，含水率降低也会在土体中产生干缩裂隙，使土体渗透性变化，外界水分极易进入。
南宁膨胀土剪切蠕变特性及流变模型研究
成 。提 出 了膨 胀 土 剪 切 蠕 变 的九 元 件 模 型 ， 通 过 拟 合 确 定 了 相 应 的剪 切 蠕 变 方 程 和 流 变 参 数 ． 究 结 果 为 膨 胀 并 研 土 流变 问题 的进 一 步研 究 提 供 可 靠 理 论 依 据 。
ｔ ｅ ｄ ｆｒ ｔ ｎ ｏ ｏ ｌｗａ ｏ ｎ ｒ ｏ ｏ ｅ ｆ ｉ ｓａ ｔｎ ｏ ｓ ｅａ ｔｃ ｄ ｆ ｒ ａｉｎ， ｐ ａ ｔｃ ｄ ｆ ｒ ａ ｈ ｅ ｏ ｍａｉ ｆｓ ｉ ｏ ｓ ｆｕ ｄ ｗｅ ｅ ｃ ｍｐ ｓ ｄ ｏ ｎ ｔ ｎ ａ ｅ ｕ ｌｓｉ ｅｏ ｍ ｔｏ ｌ ｓｉ ｅｏ ｍ － ｔｏ ｉｎ，ｅａ ｔｃ ｈ ｓｅ ｅ ｉ ｆｒ ａｉｎ ａ ｉｃ ｐ ａ ｔ ｅ ｏ ｍａｉｎ ａ Ｏ ｏ ． Ａ ｗ ｈ ｏｏ ｉ ａ ｏ ｏ ｌｓｉ ｙ ｔ ｒ ｓｓ ｄｅｏ ｍ ｔｏ ｎｄ ｖｓ ｏ ｌ ｓｉ ｄ ｆｒ ｔｏ ｎｄ Ｓ ｎ ｃ ｎｅ ｒ ｅ ｌ ｇｃ ｌｃ ｍｐ —
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Journal of Engineering Geology工程地质学报1004-9665/2017/25 ( 1)-0080-08DOI： 10.13544/ki.jeg.2017.01.011纤维加筋膨胀土的三轴蠕变特性试验研究陈晓雪®独莎莎张丹®李博®季婷媛®(①南京大学地球科学与工程学院南京210023)(②交通运输部公路科学研究所北京100088)摘要为了初步探究纤维加筋膨胀土的蠕变特性，采用室内非饱和三轴蠕变试验，分析了初始含水率和纤维掺量两个因素 对玄武岩纤维加筋膨胀土蠕变特性的影响,通过等时应力-应变曲线得出加筋土的长期强度，并尝试建立了纤维加筋膨胀土的 蠕变模型，得到的结论主要有以下几点:通过对比分级加载条件下的应变-时间曲线，发现纤维加筋对于减小膨胀土的蠕变变 形有显著的作用,并存在最优纤维掺量，当纤维掺量超过最优纤维掺量，蠕变效应无显著改善；纤维加筋膨胀土的蠕变变形随 着含水率的减小而减小，并存在最优含水率，当小于最优含水率时蠕变效应无明显改善；纤维加筋可以显著提高膨胀土的长 期强度，纤维掺量分别为0.4%和0. 6%的加筋土长期强度比相同条件下的素土分别提高了 26. 7%和23. 3%;通过拟合，得到 了 M e s n蠕变模型参数，认为该模型从总体上可以反映纤维加筋膨胀土的三轴蠕变特性。
关键词纤维加筋膨胀土三轴蠕变试验M eSn蠕变模型玄武岩纤维中图分类号:P642.3文献标识码：ATRIAXIAL CREEP PROPERTIES OF FIBER REINFORCED EXPANSIVE SOILCHEN Xiaoxue® DU Shasha①②ZHANG Dan①LI Bo①JI Tingyuan①l ①School of Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing210023)(②Research Institute of Highway Ministry of Transport，Beijing100088)Abstract Studies on the properties and improvements of expansive soil have drawn more and more attentions because of many engineering accidents caused by deformation of expansive soil.In order to investigate the creep characteristics of fiber reinforced expansive soil,unsaturated triaxial creep tests are carried out with the consideration of the influence of water content and reinforcement ratio of basalt fiber mixed into the expansive soil. Long-term strength of the fiber reinforced expensive soil is analyzed through isochronous stress-strain curves. Meanwhile,Mesri creep model is established and verified.The main conclusions are as follows：By comparing strain-time curve,it finds that the fiber reinforced expansive soil has an obvious role on reducing creep deformation. However,there exists an optimal reinforcement rate.If fiber content surpasses the optimal reinforcement rate,the creep effect cannot be significantly decreased.The creep properties of the fiber reinforced expansive soil increase as the moisture content decreases.They have the optimum moisture content.If less than the optimum moisture content,*收稿日期：2016-01-21;收到修改稿日期：2016-10-25.基金项目：国家自然科学基金项目（41272315,40702045)资助.第一作者简介：陈晓雪（1991-)，女，硕士生，主要从事土石混合体方面的研究• Emai l:1437505986@ q 通讯作者简介：张丹（1976-)，男，博士，副教授，从事工程地质、地质灾害监测与预警方面的研究• Email: zhangdan@the creep effect cannot be significantly increased. Isochronous stress-strain curves can be obtained from the straintime curve at different load levels. The long-term strength of the samples can be figured out according to the inflexion point of isochronous stress-strain curves. Long-term strength of expansive soil can be significantly improved by fiber reinforcement. In the test, the long-term strength of 0. 4%reinforced expansive soil is improved by 26. 7% compared with pure soil under the same condition. The long-term strength of 0. 6% reinforced expansive soil is improved by 23. 3%. Mesri creep model can generally reflect the triaxial creep characteristics of fiber reinforced expansive soil.Key words Fiber-reinforcement, Expansive soil, Triaxial creep test, Mesri creep model, Basalt fiber25(1) 陈晓雪等：纤维加筋膨胀土的三轴蠕变特性试验研究 81〇引言膨胀土是一种具有显著的吸水膨胀且失水收缩 性质的特殊黏性土，土中黏粒主要由亲水性矿物组 成，其自由膨胀率大于或等于40%(卢廷浩，2005)。
在工程界，膨胀土常被成为灾害性土，所在地区的工 程建设饱受其害。
随着膨胀土工程问题的增多，对 膨胀土的研究一直是我国，甚至世界范围内岩土工 程领域的重要课题。
其中，探寻改良膨胀土性能的 方法，如纤维加筋，又是其中重要的研究方向。
蠕变 是指在恒定应力下变形随时间发展的现象，许多工 程因为4需变而破坏失事。
已有一些学者对膨胀土和纤维加筋改良膨胀土 的性能进行了研究。
李广信等（1995)通过开展三 轴压缩试验，发现连续纤维加筋可显著提高土体的 剪切强度，尤其是土体的黏聚力；张丹等（2012)通 过在膨胀土里掺入玄武岩纤维对膨胀土进行改良，进行大量快剪试验、收缩试验，得到了加筋膨胀土的 直剪强度参数和收缩变形特征；雷胜友等(2005)指 出通过在膨胀土里掺入适量的纤维，膨胀土的膨胀 性可以得到有效抑制，并存在一个最优加筋量; Mohamed(2013 )发现，土体的抗剪强度随纤维掺量 的增加而增大，但当纤维掺量达到1%时，抗剪强度 开始下降。
Welker et al.(2005)试验发现，随着纤维 掺量的增多，强度并不是一直增大的，确定了最佳纤 维掺量为〇.2%;Akbulut et al.(2007 )通过无侧限抗 压强度试验，结果表明，纤维的最佳掺量也在〇.2%附近；众多研究表明，纤维加筋对c值或其他强度 指标的贡献存在临界掺量，超过临界值后，强度指标 随纤维掺量的增幅可能减小，并有可能下降。
王德 银等(2013)通过一系列控制含水率的直剪试验，得 出纤维加筋非饱和黏性土的剪切强度随含水率的增 加而减小。
在膨胀土蠕变特性方面，蒋晓庆等(2010)通过对合肥地区典型非饱和膨胀土试样进行的单轴抗压强度试验及单轴压缩蠕变试验，基于 数值模拟方法提出了在l〇〇kPa、2〇OkPa应力水平作 用下典型非饱和膨胀土的黏弹性参数，并由此确定 了Burgers模型能准确描述膨胀土的蠕变特性；肖宏斌等(2009)通过对南宁膨胀土进行大量室内压 缩蠕变试验，采用K-H体模型和B u体模型进行对 比研究，确定了正常应力条件下非饱和南宁膨胀土 的黏弹性模型和各流变常数，并且提出了本构方程 及蠕变方程（范志强等，2011)。
上述研究表明，纤维加筋是一种较好的膨胀土 改良技术。
本文以玄武岩纤维为加筋材料，通过控 制含水率和纤维掺量，对纤维加筋非饱和膨胀土进 行了三轴蠕变试验，重点分析了含水率、纤维掺量对 膨胀土蠕变变形和长期强度的影响，从而为膨胀土 地区的工程设计和土质改良提供参考。
1试验材料和方法1. 1试验材料与设备玄武岩纤维是以纯天然玄武岩矿石为原料，将其 破碎后加入熔窑中，在1450〜1500°C的温度下熔融 后，经成型工艺和退解工艺后制成的一种无机纤维。
本次研究采用的是由多股平行的玄武岩原丝拼合而 成的短切无捻粗纱，呈薄片状，长6mm(图1)。
玄武 岩纤维的密度为2.6〜2.8g*cnT3,与土体密度接近。
与其他有机纤维，如聚丙烯纤维相比，玄武岩纤维在图1玄武岩纤维Fig. 1Basaltfiber82JowmaZ工程地质学报2017土中的分散性更好。