黄麻/PVA纤维水泥土力学及抗裂性能研究

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基坑工程中常采用水泥土深层搅拌桩挡土墙作为支护结构。水泥土深层搅拌桩由具有一定刚度的脆性材料所制备,其抗拉强度远小于抗压强度。当基坑周边建筑物密集,开挖空间受限且开挖深度增加时,其承受的水平向荷载增加,因此需大幅增加桩长和墙体宽度,从而使深层搅拌桩无法满足空间要求。因此,在水泥土搅拌桩中添加纤维可以在有限的墙体宽度条件下改善水泥土桩墙的弯曲性能和裂后性能,改善由桩墙裂缝导致的脆性破坏特征,在结构开裂的情况下仍能提供足够的残余抗弯强度,保证结构的整体稳定性。此外,水泥土桩墙硬化过程中可能会产生干燥收缩裂缝并引起墙体渗漏和塌陷,添加纤维可以限制水泥土桩墙塑性收缩裂缝的产生和扩展。本文将室内试验与理论分析相结合,系统地研究了黄麻纤维水泥土与聚乙烯醇(PVA)纤维水泥土的力学性能和抗干缩裂缝的能力,主要研究内容及取得的成果如下:(1)通过立方体和拉伸试验,对比研究了黄麻纤维和PVA纤维对水泥土的压缩和拉伸性能的影响。结果表明,两种纤维的加入略微提高了水泥土峰值抗压强度和峰值应变,但对比例极限抗压强度影响较小;其可以提高水泥土的抗拉强度,但龄期较长时,无法明显提高水泥土的抗拉强度。水泥土中添加黄麻纤维和PVA纤维可显著提高压缩和拉伸韧性,水泥土韧性的提高表示其在压缩或拉伸破坏过程中需要吸收的能量增加。(2)通过预切口梁三点弯曲试验对比研究了不同含量的黄麻纤维和PVA纤维对水泥土抗弯性能、裂后性能以及断裂韧度的影响。结果表明,添加纤维可以显著增强水泥土的峰值抗弯强度;纤维水泥土具有较高的裂后残余抗弯强度,纤维含量增加能明显提高水泥土的残余抗弯强度和断裂能;纤维的裂缝-桥接效应保证了即使添加少量纤维,也可以显著改善素水泥土脆性断裂破坏的特性;纤维的掺入大幅提高了水泥土梁的失稳断裂韧度,但是对起裂断裂韧度影响较小。(3)通过单纤维拉拔试验确定纤维与水泥土基质的界面参数,并将纤维长度,弹性模量以及基质的弹性模量等参数作为组成部分,结合可调整的纤维的分布方向概率密度函数可以得到拉伸作用下纤维水泥土的应力-裂缝宽度模型;通过对比单轴拉伸试验结果发现模型对PVA纤维试样的预测效果优于黄麻纤维试样。(4)采用数字图像相关(DIC)方法对试样表面应变场进行观察并且量化计算不同干燥时间的裂缝尺寸,研究两种纤维对水泥土的塑性收缩裂缝的影响。结果表明,水泥土中添加纤维可以明显降低水泥土干燥收缩裂缝的面积和长度,纤维的存在改变了裂缝的起裂位置和传播方向并且减轻了裂缝周边的应力集中现象。(5)在宏观力学试验基础上,借助X射线衍射(XRD),热重分析(TG),扫描电镜(SEM)等微观技术手段揭示纤维改善水泥土力学性能的机理以及纤维与基质的界面情况。证实纤维水泥土硬化过程中,纤维、水泥水化产物、土颗粒三相之间主要通过水泥水化产物粘结;提出纤维水泥土桥接网络模型,发现纤维桥接网络的节点强度和密度对纤维水泥土的改善效果起决定作用。
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