干湿交替和冻融循环对纤维增强黄土的防侵蚀的能力

文摘

与普通土壤相比,聚丙烯(PP)纤维增强土壤力学性能有显著的提升,可用于边坡保护项目。探讨减少法律的PP纤维增强黄土进行干湿的防侵蚀能力参数(dw)周期和冻融循环(化学),我们从延安黄土了,中国,并与PP纤维混合,并剪切强度测试,蜕变测试,和渗透率测试在dw周期和相关化学周期。实验结果表明,dw周期或相关化学周期有更少的恶化影响凝聚力,衰变率和纤维增强的渗透系数比在平原黄土样品;然而,减少他们的内摩擦角是更加明显。在dw周期或相关化学周期,增强土壤的凝聚力和内摩擦角随着周期数的增加而减少,而蜕变速度和渗透系数增加周期增加的数量。之间的关系减少防侵蚀能力增强土壤参数和dw的循环次数或相关化学周期符合双曲线函数拟合的结果。最明显的减少影响dw周期对加筋土在蜕变速度,其次是凝聚力、内摩擦角和渗透系数。最明显的效应相关化学周期也在蜕变速度,其次是凝聚力、渗透系数、内摩擦角。与dw周期相比,化学周期有更强的凝聚力,减少影响衰变率和土壤渗透系数的钢筋,但减少摩擦角在dw大周期。

1。介绍

黄土是广泛分布在中国的中部和西部地区1,2]。近年来,越来越多的工程建设项目已经完成在黄土高原,道路建设和城市扩张等。这些项目不可避免地产生许多陡峭的黄土斜坡(3,4]。降雨侵蚀等外部因素的影响下,浅坡沟壑和剥落等问题是很常见的5- - - - - -7]。因此,对黄土斜坡的保护尤为重要。传统护坡方法如砂浆、石板,砂浆抹经常给可怜的边坡表面保护和可怜的生态特性。这是由于材料的老化,黄土的刚度的差异,集中降雨等气象条件。然而,一种综合坡protection-fiber钢筋的土壤已经逐渐引起了学者的注意8,9]。

纤维增强土壤本质上是一种强化了均匀分布的纤维。与土壤混合纤维改善的几个力学性能(10]。所使用的纤维可能是天然或合成(11- - - - - -15]。聚丙烯(PP)纤维是高度弹性,耐极端温度、酸和碱,吸收少量的水16),因此对PP纤维增强土壤的研究吸引了学者们的广泛关注和工程师。研究表明,降雨对边坡土壤溅蚀的影响与土壤抗剪强度密切相关(17),所以有必要研究增强土壤的抗剪强度。江et al。18)报道,PP纤维增强粘性土无侧限抗压强度和更大的凝聚力和内摩擦角比父母的土壤。他们还发现,最好的纤维含量为0.3 wt %的家长土壤和最好的纤维长度是15毫米。丽安et al。19)做了一系列的三轴压缩试验,发现添加纤维黄土显著改善破坏应力和黄土的抗剪强度与无筋黄土标本。汉et al。20.)发现,聚丙烯纤维能有效地提高粘土的抗剪强度,纤维含量为0.3 wt % 9毫米的纤维长度是polypropylene-reinforced粘土的最佳混合比系统。科斯塔斯et al。21]发现PP纤维增强土壤的抗剪强度增加的纤维的最佳剂量,除了它下降或保持不变,和土壤颗粒在纤维表面的压紧控制界面强度的主导因素。土壤通透性是一个属性描述液体的流动通过影响土壤侵蚀土壤和是一个重要的因素。Saghari et al。22)发现,最初增加纤维的长度和重量百分比增加了聚合物纤维增强土壤的渗透系数超过0.6%时,下降趋势的开始。赵et al。23)报道,提高纤维增强土壤的渗透性和纤维含量的增加。土壤的水稳定性特征表明,土壤可以抵抗土壤颗粒在水中的分散和保持稳定,这是土壤侵蚀的主要特征阻力和反映土壤降雨和径流分散的困难。王等人。24]字段和解体实验室检测,发现的主要因素影响黄土解体的样本的形状,大小和粘土矿物含量。Qi et al。25]做了一系列的测试棱镜的解体和圆筒卷和不同底边长(直径)和报道,样本的蜕变速度增加,比表面积的增加和水的深度。一个et al。26)发现,黄土的蜕变速度通过添加聚丙烯纤维可以有效减少。

两个典型的风化过程,干湿(dw)周期和冻融循环(化学)在中国是常见的黄土高原27,28),影响黄土的物理力学性质(29日- - - - - -31日),导致浅层黄土斜坡的疾病更加突出(32- - - - - -34]。因此,当PP纤维增强黄土是黄土地区的应用,有必要研究dw的影响周期和相关化学周期加筋黄土。Zaimoglu [35)做了一系列的测试来研究化学的影响周期的强度特性和耐久性PP纤维增强土壤细粒度。他们发现,纤维增强标本显示比无筋土塑性行为和纤维增强土壤的质量损失几乎比无筋土低50%。研究结果Ghazavi et al。36)表明,化学周期后,添加纤维增加土的无侧限抗压强度和减少其冻胀现象。基于三轴压缩试验和动三轴试验,Kravchenko et al。37,38)得出的结论是,抗剪强度、弹性模量、动态轴向压力、动态剪切模量和阻尼比的PP纤维增强土壤减少数量的增加相关化学周期。刘等人。39)发现,纤维增强土的无侧限抗压强度下降指数与化学的循环次数。Chaduvula et al。14)发现,纤维的加入显著抑制裂缝的形成粘性土干。

现有的研究侧重于观察和描述的加筋土的变形特性和强度特性持久dw周期和相关化学周期。然而,如果PP纤维增强黄土是适用于保护黄土斜坡,同样重要的是要研究加筋土的防侵蚀能力在这些条件。

本研究的目的是调查dw的影响周期和相关化学周期PP纤维增强黄土的防侵蚀的能力。我们做了一系列的实验包括直接剪切试验,衰变试验和渗透试验在PP纤维增强黄土dw周期或相关化学周期。测试结果的基础上,我们制定降低PP纤维增强黄土的防侵蚀能力参数法在这些条件。

2。材料和方法

2.1。材料和样品的准备

测试材料主要包括黄土和PP纤维。

黄土中使用的测试来自延安黄土斜坡,陕西省;黄土与小孔黄棕。岩土工程测试结果表明,基本物理力学指标是密度1.38克/厘米³含水量12%,最大干密度1.6克/厘米³,最佳含水量14%。土壤的粒度分布如图1。PP纤维的物理和力学性能如表所示1。

准备实验样本,我们添加了PP纤维15毫米长按重量含量为0.5%(干重的黄土)黄土(26]。我们也准备平原黄土样品控制。样品准备的压缩方法。控制样品的干密度1.6克/厘米³和含水率为14%(这是最大干密度和最优含水率从压实试验获得)。圆柱形样本Φ61.8毫米×20毫米是剪切强度测试,和圆柱形样本的Φ61.8毫米×40毫米是确定解体阻力和渗透系数的样本。准备样本密封塑料包装和放置在一个保湿,固化后48 h,他们取出dw周期或相关化学周期和决心的防侵蚀参数。

2.2。测试方法

2.2.1。干湿循环测试

在自然条件下,土壤表层的黄土斜坡湿和干燥周期之间交替由于降雨入渗和蒸发。根据我们现场调查在延安黄土路堑边坡表层土壤的水分含量在自然状态下基本在9%和22%之间。因此,为了更好地模拟实际环境条件在延安,我们控制了dw周期幅度为9%至22%。第一个样本的dw循环路径是14%到22%到9%到22%,和随后的dw循环路径是22%到9%到22%。我们调湿样品使用水膜传输方法(40)、除湿自然风干。加湿或除湿过程后,样品完成后,我们用保鲜膜密封样品并且将它们放在一个保湿箱24小时以确保样品的水分含量是均匀分布的。加湿和除湿过程中,样品的水分被重监测,和dw周期的数量被设置为0,2,4,6,8,10次。

2.2.2。冻融循环测试

根据延安地区的气象数据,近年来,在冬末春初,每日最低温度是−11°C,和每日最高温度是5°C。因此,我们组样品的冷冻温度−11°C和解冻温度5°C。在这个实验中,一个化学周期由冻结解冻12 h和12 h。样本冷冻DW-40低温试验箱,和样本解冻HN-25恒温干燥箱。化学循环的数量被设置为0,2,4,6,8,10次。

2.2.3。剪切强度测试

纤维增强土壤的抗剪强度参数是一个重要的指标来评价纤维对钢筋的影响。直接剪切试验进行强化和控制黄土样品后dw周期和相关化学周期。我们使用ZJ轴应变直剪仪做圆柱上的直接剪切试验样品。剪切速率为0.8毫米/分钟,和垂直负载50 kPa, 100 kPa, 150 kPa, 200 kPa。

2.2.4。蜕变测试

圆柱上的蜕变测试是做样品,完成了dw周期和相关化学循环使用粘土解体测试仪由李(41]。

2.2.5。渗透试验

土的渗透系数是一个重要指标的渗透率。完成了dw的圆柱形样本周期和相关化学周期被置于TST-55渗透测试人员,以及他们的变水头渗透系数测定。

2.3。评价指标

定量确定纤维增强的防侵蚀能力的降低法律下黄土dw周期和相关化学周期,我们定义以下评价指标。(1)衰变系数和平均衰变率: 在哪里B_我和V_Bi衰变系数和平均衰变率分别为样本,ΔV_我时解体卷样品达到稳定后解体我dw周期或相关化学周期,V样品的体积不解体测试,然后呢t_我一个示例所需的时间达到瓦解后稳定吗我dw周期或相关化学周期。(2)凝聚力降低: 在哪里c_我后一个样本的凝聚力我dw周期或相关化学周期c₀最初的凝聚力是一个样本在dw周期或相关化学周期。(3)内摩擦角降低: 在哪里φ_我后一个样本的内摩擦角吗我dw周期或相关化学周期φ₀是初始内摩擦角。(4)减少平均衰变率: 在哪里V_Bi后一个样本的平均蜕变速度我dw周期或相关化学周期V_B0是初始平均衰变率。(5)渗透系数降低: 在哪里k_我是一个示例的渗透系数我dw周期或相关化学周期k₀是初始渗透系数。

3所示。结果与讨论

3.1。防侵蚀的能力增强黄土样品

表2显示的防侵蚀能力参数控制和PP纤维增强黄土样品之前dw周期或相关化学周期。与控制样本相比,加固黄土的凝聚力增加了135.3%,内摩擦角增加了8.7%,衰变系数下降了42%,渗透系数增加了39.9%。我们相信,纤维导致黄土的凝聚力显著增加,但对其内摩擦角的影响不大。主要原因是纤维和土壤颗粒之间的空间抑制力通过交叉。土壤颗粒之间的联系有所改善,但纤维几乎没有影响粗糙度的土壤颗粒及其交错排列。土壤中的纤维相互交织形成三维网络结构,延迟解体和开裂的土壤水。同时,纤维创建许多土壤渗流通道,明显改善黄土渗透性。

3.2。加筋黄土的干湿循环特征

3.2.1之上。干湿交替对强度的影响

如图2dw周期后,抗剪强度参数c和φ纤维增强的控制黄土和黄土的减少。控制黄土样品的凝聚力下降周期期间第一个0到6和6到10周期期间保持稳定,而内摩擦角保持不变在周期0到2周期期间,逐步减少2到10。增强凝聚力和内摩擦角的样本显示,同样的趋势和周期的数量;这些参数迅速下降周期0到2,逐渐改变在2到4周期,在周期4 - 6再次下降,保持基本稳定在周期6到10。

经过10 dw周期,减少的数量凝聚力和内摩擦角控制样本的31.3%和7.2%,分别和钢筋的样本分别为17.3%和9.1%,分别。减少的凝聚力的增强黄土具有明显低于控制黄土,但减少的内摩擦角加固黄土高于控制黄土,表明加筋黄土的凝聚力的耐久性高于控制黄土,而内摩擦角的耐久性增强黄土比平原黄土。经过10 dw周期,增强凝聚力和内摩擦角的黄土是39.1 kPa和26°,分别与控制黄土没有dw周期,增强凝聚力的黄土还是提高到94.5%,而内摩擦角只减少了1.1%,表明纤维增强黄土的强度特性在dw周期仍比控制黄土。

3.2.2。干湿交替对分化的影响

dw周期后,控制黄土的衰变系数保持不变,样本完全解体,衰变系数总是达到100%。然而,dw的循环次数的增加,控制黄土的持续时间达到一个稳定的解体是不断缩短,和的衰变速率控制黄土逐渐增加(图3(一个))。的衰变速率控制黄土线性增加的数量在0到4周期循环,逐步减少在周期4 - 10所示。衰变系数的变化和加筋黄土的平均蜕变速度与dw周期(图的数量3 (b))。两个周期后,两率明显增加,而增长率有所下降在周期2到6。在6到10周期变化是渐进的。

10个周期后,控制黄土的平均衰变率从1.667厘米³2.222厘米/秒³/ s,增长率为33.3%。加筋黄土的衰变系数从58%上升到63.5%,平均蜕变速度增加到0.138厘米³0.175厘米/秒³/ s,分别增加9.5%和26.8%。与控制黄土相比,加固黄土的还原速度前的仅为80.5%,表明dw周期更加明显的影响减少的解体阻力控制黄土。10个周期后,衰变系数和钢筋黄土的平均蜕变速度远低于控制黄土没有dw的周期,表明纤维可以显著提高antidisintegration黄土的性质。

3.2.3。干湿交替对渗透率的影响

图4显示了dw周期的影响渗透系数的控制黄土和加固黄土。渗透系数的两种样品的数量呈逐渐增加趋势周期。8个周期后,样品的渗透率系数达到最大值并保持稳定周期8到10。10个周期后,控制黄土的渗透系数仍低于钢筋黄土没有dw周期。控制黄土的渗透系数从4.46×10⁻⁶5.44×10厘米/秒⁻⁶cm / s,加息22%,加筋黄土的渗透系数从6.24×10⁻⁶6.81×10厘米/秒⁻⁶cm / s,加息的仅为9.1%,表明dw周期影响更明显的渗透率控制黄土。这一现象发生,因为纤维有效地抑制土壤从开裂14,42,45),从而减少土壤中的渗流通道。

3.2.4。减少加固黄土的防侵蚀能力参数

纤维增强黄土凝聚力降低,内摩擦角,蜕变速度和渗透系数随dw周期(图的数量5)。可以看出,减少四防侵蚀能力参数增加,然后趋于稳定与dw的循环次数。为了更好地描述dw周期的影响在减少加固黄土的防侵蚀的能力,我们使用了双曲型方程(6)以适应每个防侵蚀能力参数的变化的周期。的R²的拟合曲线都大于0.95;具体的拟合结果如图5和表3。 在哪里D每个防侵蚀能力参数的降低程度,ndw的循环次数,A, B, C是拟合参数。

根据图5减少每个防侵蚀能力参数显示,dw的循环次数的变化趋势相同,第一个周期期间0增加到8和保持稳定周期8到10。在整个dw周期过程中,还原度显示D_Vb>D_c>D_φ> D_kdw周期,所以我们认为最影响antidisintegration钢筋黄土,紧随其后的是凝聚力、内摩擦角和渗透系数。另外,表4A和B显示拟合参数基本上是平等的,和图5最终表明,减少防侵蚀能力参数往往是稳定的周期数增加。表明加筋黄土的防侵蚀能力参数的最大数量的减少。结合(6),它可以认为这个拟合函数可以预测的最大减少加固黄土的防侵蚀能力参数;也就是说,最大的减少D=一个。然而,最大程度的减少的准确性预测的拟合函数需要验证通过更多的dw循环测试。

3.3。冻融循环的特点加强黄土样品

3.3.1。冻融循环对强度的影响

图6显示了控制黄土的抗剪强度的变化曲线和加固黄土与不同数量的化学循环。控制黄土和凝聚力的增强黄土一般减少化学周期数增加。控制黄土的凝聚力下降周期期间第一个0到8和周期8到10期间保持稳定。的凝聚力增强黄土在周期0到2略有下降,但下降明显在2到4周期,在周期4到8略有下降,周期8到10期间保持稳定。内摩擦角控制黄土显示“馆”的波动趋势与化学的循环次数,和偏差范围在0.4°。加筋黄土的内摩擦角降低第一周期期间0到8,并在周期8到10略有增加。

10个周期后,凝聚力降低控制黄土是21.4%,而强化了黄土的19.7%:略低于控制黄土,表明加筋黄土的凝聚力耐用性比的控制黄土。同时,增强凝聚力的黄土是38个kPa,仍高出89.1%的控制黄土,而化学周期。化学循环的作用下,内摩擦角的控制黄土没有显示显著下降的趋势,但表现出波动变化过程,和之后的10个周期的减少量只有0.4%,这表明化学的影响周期的内摩擦角控制黄土并不明显。虽然化学周期的影响下,最大数量的减少加固土的内摩擦角是4.2%,这显然是比控制黄土,表明加筋黄土的内摩擦角的耐久性不如无钢筋黄土。然而,在化学的影响周期,最低加固黄土的内摩擦角是27.4°,仍高出4.2%的控制黄土没有化学周期,这进一步表明,纤维可以明显改善黄土的抗剪强度。

3.3.2。冻融循环对分化的影响

如图7(一),类似于dw周期,控制黄土的衰变系数后化学周期总是1,但在化学衰变率增加而增加周期,第一个周期期间0增加到8和周期8到10期间保持稳定。相关化学周期的增加,钢筋的衰变系数和速率黄土呈逐渐增加的趋势;他们俩在周期0增加到6和6到10(图期间保持稳定的周期7 (b))。10个周期后,还原速度控制黄土的达到41.2%,和加筋黄土的还原速度为31.9%。加筋黄土的衰变系数从0.58增加到0.646,仍低35.4%比控制黄土。这表明纤维增强黄土下的耐久性相关化学周期比无筋的黄土。它还表明,纤维对黄土解体的抗性显著增强。

3.3.3。冻融循环对渗透率的影响

如图8,控制黄土和加筋黄土的渗透系数呈逐渐增加趋势与化学的循环次数。他们第一个周期期间0增加到6,逐步改变了在周期6到10。10化学周期后,减少的数量控制黄土的渗透系数为15.5%,和加固黄土是11.2%。然而,在化学周期,控制黄土的渗透系数是5.15×10⁻⁶cm / s,比这还低17.5%的钢筋黄土没有化学周期,这表明,化学的影响周期的渗透率控制黄土更明显,但加筋黄土的渗透系数总是高于控制黄土。

3.3.4。数量的减少防侵蚀的能力强化了黄土

图9显示了减少纤维增强黄土的防侵蚀能力和化学循环的数量。类似于防侵蚀能力参数的变化趋势在dw周期,减少四防侵蚀能力参数的数量呈现先增加,然后成为趋势稳定的化学循环的数量。我们使用方程(6)以适应之间的关系数量的减少和化学的循环次数。除了R²拟合曲线的内摩擦角,这是0.85,R²其他的防腐能力参数拟合曲线是大于0.95。具体的拟合结果如图9和表4。

如图9的防侵蚀的能力,减少钢筋黄土与化学的循环次数逐渐增加,增加的第一个周期期间0 8和保持稳定周期8到10。在化学周期,每个防侵蚀能力参数显示的数量在减少D_Vb>D_c>D_k>D_φ,这表明化学周期影响最明显的antidisintegration加固黄土,其次是凝聚力、渗透系数、内摩擦角。

3.4。度比较的属性和冻融加固黄土的性质

从上面的实验,我们发现dw周期的影响和相关化学周期加筋黄土的防侵蚀能力参数是不同的。为了更好地分析这种差异,我们绘制的数量减少每个加固黄土的防侵蚀能力参数,如图10。

如图10 ()化学循环的作用下,加筋黄土的凝聚力下降不明显两个周期后急剧上升后四个周期和周期的数量逐渐增加。dw周期的影响下,凝聚力降低钢筋土两个周期后显著增加,表明与周期的数量逐渐增加的趋势。然而,除了周期两个,凝聚力降低加固黄土在dw周期明显大于,在化学周期,但凝聚力降低化学周期大于,在dw周期的周期。周期后4、6、8和10,下加筋黄土的凝聚力降低化学周期分别为19.8%,7.1%,18%,和13.9%,分别高于dw周期,这表明,凝聚力降低化学周期下比dw的周期,但减少在dw周期更先进。

根据图10 (b)后,周期2,4,6,8,10,减少下的内摩擦角dw周期是8,3,2.4,2.1,和3.8倍的化学周期,这表明,减少在dw周期比化学的周期,减少更先进。

的衰变率和减少加固黄土的渗透系数呈逐渐增加趋势在dw周期与周期的数量或相关化学周期(图10 (c)和10 (d))。与dw周期效应相比,化学周期下的降解率增加了41.5%,37.4%,24.3%,19.5%,和19%,和减少渗透系数增加了64.7%,3.1%,23.8%,23.9%,和23.1%,这表明,化学的影响周期蜕变速度和加筋黄土的渗透系数比dw周期的影响。

如图11负载下,纤维和土壤颗粒产生不一致的变形和相对位移由于模上的差异,导致摩擦和联锁动作接触位置的土壤颗粒和纤维43]。同时,土壤颗粒和纤维的错位使得纤维拉伸,和土壤熊负载由纤维承担的一部分。提高土壤的抗剪强度,因为好的PP纤维的拉伸性能。PP纤维随机分布在土壤和纤维交织成一个三维网络结构的土壤,从而发挥“交错”作用[44]。当纤维受到拉伸力,其他纤维网络结构的同时强调,负载分布在一个更广泛的区域,和土壤力更均匀。另外,在某种程度上,聚丙烯纤维对土壤空间约束。dw周期或相关化学周期后,水的迁移和相变破坏土壤的结构,土壤中的裂缝规模逐渐增加,和土壤分为独立的块。因此,样品的抗剪强度降低,衰变速率和渗透系数增加。添加聚丙烯纤维进入土壤后,“交错”效应的PP纤维增强土壤颗粒之间的连接,抑制裂缝的产生土壤中(45,46),减少造成的结构性破坏dw或相关化学周期。因此,抗剪强度的降低,瓦解阻力,PP纤维增强黄土的渗透系数低。

4所示。结论

本研究调查了dw的影响周期和相关化学周期PP纤维增强黄土的防侵蚀的能力。等一系列实验的直接剪切试验,蜕变测试,PP纤维增强黄土的渗透测试样本dw周期和相关化学循环后完成。根据测试结果,我们得出了以下结论:(1)dw周期和相关化学周期明显退化的防侵蚀能力控制黄土和强化了黄土。dw周期或相关化学周期减少了退化的凝聚力,衰变速率,和加筋黄土的渗透系数比控制黄土,但降解的内摩擦角加固黄土更明显。(2)在dw周期,随着周期的数量的增加,增强凝聚力和内摩擦角的黄土首次下降,然后逐渐改变,然后下降到稳定。加固黄土,衰变系数、平均蜕变速度和渗透系数增加,然后与循环次数的增加稳定。(3)化学循环期间,随着周期的数量的增加,增强凝聚力的黄土第一略有下降,然后明显降低,最后趋于稳定。起初内摩擦角降低,然后略微增加。衰变系数、平均蜕变速度和渗透系数先增加,然后保持稳定与越来越多的周期。(4)在dw周期或相关化学周期,减少防侵蚀能力之间的关系和数量的周期符合双曲线函数拟合的结果。dw周期最明显的减少了加筋黄土的平均蜕变速度,其次是内聚力、内摩擦角,和渗透系数。相关化学周期平均衰变率下降幅度最大,其次是凝聚力、渗透系数、内摩擦角。(5)与dw周期相比,化学周期更严重的凝聚力下降,平均蜕变速度和加筋黄土的渗透系数,但内摩擦角的减少更明显在dw周期。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由美国国家科学基金会的中国,在格兰特号。42077265,41790443,41927806。

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