Прочностные характеристики базальтового волокна на сдвиг

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 15923 (2023) Цитировать эту статью

254 доступа

Подробности о метриках

Лёсс обладает характеристиками складчатости, дезинтеграции и растворимости, которые представляют собой проблему для инженерного строительства. Чтобы изучить прочность на сдвиг лёсса, армированного базальтовым волокном (BFR), были проведены объединенные недренированные (CU) трехосные испытания для изучения влияния содержания воды (w), длины волокна (FL), содержания волокна (FC) и давления в ячейках ( σ3) от прочности на сдвиг. По результатам была создана модель прочности на сдвиг с учетом влияния FL, FC и диаметра волокна (d). Результаты показали, что пиковая прочность грунтов BFR увеличивается с увеличением FL, FC и σ3, тогда как она снижается с увеличением w. По сравнению с неармированным грунтом пиковая прочность лёсса BFR улучшилась на 64,60% при FC 0,2% и FL 16 мм. Оптимальным условием армирования экспериментального лёсса было то, что FL составлял 16 мм, а FC составлял 0,8%. Механизм армирования волокон был разделен на единый растягивающий эффект и эффект пространственной сетки. Экспериментальные и расчетные результаты хорошо согласуются, что позволяет предположить, что модель подходит для прогнозирования прочности на сдвиг лёсса BFR. Результаты исследования могут служить руководством по применению лёсса BFR при строительстве земляного полотна и откосов.

Лёсс – это четвертичный осадок, широко распространенный на северо-западе Китая1. С развитием инициативы «Пояс и путь» в большом количестве построены современные транспортные объекты, представленные автомобильными и высокоскоростными железными дорогами2,3,4. Однако структурные особенности лёсса, такие как пористость, слабосцементированность и недостаточное уплотнение, приводят к сплющиваемости, дезинтеграции и растворимости, что представляет собой проблему для инженерного строительства5. Метод армирования волокнами (FR) предлагает идею для решения инженерных задач, а волокна ограничивают деформацию частиц почвы за счет силы растяжения и силы трения, что приводит к превосходным механическим свойствам армированного грунта6,7. Ибраим и др.8,9,10 пришли к выводу, что энергия уплотнения рыхлого песка, армированного волокнами, меньше, чем у более плотного неармированного песка, когда пиковая прочность остается постоянной. Метод армирования волокном может значительно снизить потенциал разжижения песка при нагрузках сжатия и растяжения. Был предложен и оценен новый метод отбора проб для армированного волокном песка, основанный на вибрации влажных смесей песка и волокна. Реза Табакуэй и др.11 заявили, что тип волокна, длина волокна и диаметр образца определяют прочность на неограниченное сжатие песчаного грунта, армированного волокнами. Шарма и Кумар12 сообщили, что относительная плотность существенно влияет на конечную несущую способность и осадку армированного волокном песка, а эффект улучшения достигал максимума, когда относительная плотность составляла 70%. Festugato и др.13 сообщили, что включение полипропиленового волокна сделало плотный песок более жестким, чем неармированный песок при циклической нагрузке. Чуббасти и др.14 пришли к выводу, что волокно из поливинилового спирта может улучшить прочность на сдвиг и осевую деформацию при разрушении песка Баболсар, в то же время уменьшая потерю прочности после пиковой прочности. Сориано и др.15 обнаружили, что пористость армированного волокном песка увеличивается в непосредственной близости от волокна, что подтверждает предположение об украденном коэффициенте пустотности. Мандолини и др.16 заявили, что прочность волокна определяется областью деформации при растяжении и распределением ориентации волокна.

Что касается глинистых почв, Абди и др.17 пришли к выводу, что полипропиленовое волокно может повысить сжатие, прочность и пластичность глинисто-известковых композитов. Хиджази и др.18 сообщили, что содержание волокон, диаметр волокон и соотношение сторон волокон влияют на прочность на сдвиг грунта, армированного волокнами. Аббаспур и др.19 показали, что текстильные волокна из отходов шин могут улучшить механические свойства обширной почвы, а деформация набухания снижается на 44%. Консоли и др.20,21 сообщили, что соотношение пористости и цемента играет решающую роль в оценке прочности на неограниченное сжатие армированных волокном композитов грунта и извести. Кроме того, добавление стекловолокна оказалось неэффективным для определения объемной деформации армированной волокнами дисперсной почвы, богатой сульфатами. Тамассоки и др.22 заявили, что 3%-ное содержание активированного угля и кокосового волокна может значительно улучшить прочность на сжатие, тогда как 2%-ное содержание может значительно повысить прочность на сдвиг латеритной почвы. Сулеймани-Фард и др.23 обнаружили, что дискретно распределенные волокна могут значительно улучшить прочность на сдвиг, сжатие и гидравлическую проводимость армированного волокнами мелкозернистого грунта. Малекзаде и Билсел24 сообщили, что добавление полипропиленового волокна может значительно уменьшить набухание-усадку обширной почвы, а предел усадки увеличился более чем на 50%. Фаникумар и Сингла25 заявили, что потенциал набухания и давление набухания экспансивного грунта, армированного нейлоновым волокном, уменьшаются с увеличением длины волокна, а свойства вторичной консолидации значительно улучшаются для грунта, армированного волокнами. Ван и др.26 пришли к выводу, что прочность на сжатие и растяжение складчатого лёсса сначала увеличивается, а затем снижается по мере увеличения содержания стекловолокна (FC). Хуанг и др.27 обнаружили, что FR может значительно повысить прочность реконструированного лёсса. При этом модуль сжатия с увеличением FC сначала увеличивался, а затем уменьшался, и оптимальный FC составил 0,6%. Сюй и др.28 заявили, что напряжение девиатора повреждения базальтового FR (BFR) лёсса сначала увеличивается, а затем снижается по мере увеличения FC, а оптимальное значение FC составляет 0,6%. Чжу и др.29 обнаружили, что оптимальное условие для неограниченной прочности на сжатие (UCS) полипропиленового FR-лёсса с длиной волокна (FL) и FC составляет 12 мм и 0,5% соответственно. При этом оптимальное условие по модулю деформации составляло 12 мм FL и 0,3% FC. Цзо и др.30 применили композитный метод для модификации почвы и пришли к выводу, что прочность на сжатие и гибкость лёсса эффективно улучшаются, а оптимальными условиями являются 1,5% ксантановой камеди и 0,6% базальтового волокна. Лу и др.31 заявили, что показатели прочности на сдвиг полипропиленового огнестойкого лёсса увеличились на 113,8% и 23,3% соответственно, тогда как скорость распада снизилась почти на 87,5%. и др.32 наблюдали, что проницаемая способность полипропиленовой FR-почвы значительно увеличилась, а защитный эффект лессового склона был очевиден. Донг и др.33 обнаружили, что прочность почвы из лигнина FR увеличивается по мере увеличения клеточного давления (σ3), а кривая напряжение-деформация переходит от затвердевания к размягчению с увеличением FC. Чу и др.34 получили, что прочность FR-почвы сначала возрастает, затем снижается по мере увеличения FC, а сцепление значительно увеличивается. Сюн и др.35 заметили, что кривые лёсса BFR изменились от размягчения к затвердеванию, а показатели прочности на сдвиг улучшились на 52,03% и 24,30% соответственно. Ван и др.36 пришли к выводу, что базальтовые волокна могут значительно улучшить ползучесть лёсса, а деформация ползучести почв BFR уменьшается с увеличением σ3. Ху и др.37 отметили, что сцепление FR-лёсса сначала увеличивается, а затем снижается с увеличением FC, а оптимальный FC должен составлять не менее 0,2% в практической инженерии. Гао и др.38 обнаружили, что UCS образцов, приготовленных методом разбавленного смешивания, был более подходящим, чем метод прямого смешивания, и влияние FC лигнина на UCS было более очевидным. Су и Лей39 отметили, что пальмовое волокно может значительно улучшить UCS лёсса, а влияние сухой плотности на прочность является значительным, в то время как влияние FL незначительно. Чен и др.40 заявили, что динамический модуль сдвига лёсса значительно увеличивается с увеличением содержания летучей золы и давления в ячейках, тогда как коэффициент демпфирования снижается с увеличением содержания летучей золы и σ3. Ян и др.41 обнаружили, что полипропиленовые волокна могут изменить лёсс, модифицированный цементом, от хрупкого до пластического повреждения, и волокна играют связующую роль. Оптимальные условия армирования составили 0,30–0,45 % FC и 12 мм FL.