不同摻量木質(zhì)纖維土的抗剪強(qiáng)度分析

左 威，朱宇翔

(江西公路開發(fā)總公司，江西南昌 330013)

纖維加筋技術(shù)是一種將各類纖維摻入土中以提高土體的物理力學(xué)性能的土體改良技術(shù)。它是由上個世紀(jì)80年代左右由國外引入，近30a來，我國的纖維土發(fā)展得十分迅速，變得更加精確化、系統(tǒng)化，纖維加筋土也廣泛應(yīng)用在道路工程邊坡防護(hù)等工程實踐中。

木質(zhì)纖維作為一種在自然界廣泛存在而且價格合理的優(yōu)質(zhì)纖維，是一種適用的纖維加筋材料。從我國現(xiàn)階段對于生態(tài)文明建設(shè)的大力推進(jìn)，木質(zhì)纖維在環(huán)保的角度具有較大的優(yōu)勢。而在纖維土的工程性能中，力學(xué)性能一直是作為工程實際應(yīng)用的關(guān)注重點，其中土的抗剪強(qiáng)度又是土體力學(xué)性能的首要考慮因素。本文以木質(zhì)纖維加筋砂土作為研究對象，通過三軸固結(jié)不排水實驗，探討了不同纖維摻量對于纖維土的應(yīng)力應(yīng)變曲線和抗剪強(qiáng)度的影響。

1 纖維土的補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理

纖維土的補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理是比較復(fù)雜的。其對土體的補(bǔ)強(qiáng)作用主要來源于纖維與土體之間的摩阻力或粘合力。其中補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理主要可概括為彎曲機(jī)理和交織機(jī)理。

1.1 彎曲機(jī)理［1］

彎曲機(jī)理是指纖維在土中的分布形態(tài)是由無數(shù)個彎曲轉(zhuǎn)折組成的，幾乎沒有直線段。當(dāng)土體承受外力而使纖維受拉時，在纖維彎曲的凹側(cè)就會產(chǎn)生纖維對土顆粒的壓力N和摩擦力f，從而提高土體的抗剪強(qiáng)度。

1.2 交織機(jī)理［1］

交織機(jī)理是指由于土中無序分布的纖維存在著無數(shù)的交織點，如果在纖維的交叉處受到力的作用，從而有位移的趨勢，就會遇到其它纖維阻止這種位移，即任何一段纖維的受力變形都會牽動與之交織的各個方向的纖維，從而形成空間的受力區(qū)，即土體受到整個纖維網(wǎng)絡(luò)的空間約束作用，這樣不僅提高了土的強(qiáng)度，而且減小了土體的側(cè)向變形和豎向變形。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

試驗所用的土樣經(jīng)過測定為細(xì)粒砂土，砂的細(xì)粒含量為12.4%，砂的比重為2.59。經(jīng)過室內(nèi)重型擊實試驗測得砂土的最大干密度為通1.75g/cm3，最佳含水率為14.3%。試驗時采用的壓實系數(shù)為0.95，試件含水量控制在15% ～16%左右。所采用的木質(zhì)纖維為灰白色纖維，纖維的平均長度為6mm左右，直徑為2mm左右。

2.2 試驗方法

試驗采用三軸不排水剪試驗(CU試驗)，分別用原砂土以及摻入木質(zhì)纖維為1‰、3‰、5‰的木質(zhì)纖維土制取試件進(jìn)行試驗。制取土樣試件尺寸為高110mm，直徑50mm。試驗采用的圍壓分別是σ3=50kPa、100kPa、200kPa。剪切應(yīng)變速率控制在0.4%/min，當(dāng)所有試樣均剪切破壞或是軸向應(yīng)變達(dá)到15%時停止。

3 試驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 纖維土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系

如圖1～圖3所示，其中圖1為在圍壓50kPa的木質(zhì)纖維土在不同纖維摻量的情況下和原砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖2為在圍壓100kPa的木質(zhì)纖維土在不同纖維摻量的情況下和原砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖3為在圍壓200kPa的木質(zhì)纖維土在不同纖維摻量的情況下和原砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線。反映了在相同圍壓下采用不同摻量的木質(zhì)纖維土和原土樣的應(yīng)力應(yīng)變特性。

圖1 木質(zhì)纖維土應(yīng)力—應(yīng)變曲線(σ3=50kPa)

圖2 木質(zhì)纖維土應(yīng)力—應(yīng)變曲線(σ3=100kPa)

圖3 木質(zhì)纖維土應(yīng)力—應(yīng)變曲線(σ3=200kPa)

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)顯示，三類木質(zhì)纖維土的應(yīng)力應(yīng)變曲線都在原砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線上方，當(dāng)軸向應(yīng)變不大時，不同摻量的木質(zhì)纖維土和原砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎是一致的，當(dāng)軸向應(yīng)變不斷變大，4條曲線才逐漸分離。這說明在只有較小的應(yīng)變的時候，木質(zhì)纖維土主要是靠土體自身的強(qiáng)度起作用。當(dāng)應(yīng)變逐漸變大的時候，木質(zhì)纖維土的纖維開始起作用。因為土體變形過小，所以傳遞到纖維的壓力較小，兩者之間摩擦力較小，隨著壓力增大，木質(zhì)纖維所起的作用體現(xiàn)出來，對于木質(zhì)纖維土來說粘聚力增大了。

從實驗結(jié)果可以看出，在相同的圍壓作用下，3種木質(zhì)纖維土的應(yīng)力應(yīng)變曲線隨著木質(zhì)纖維的摻入量的不同而變化，摻入量越高的纖維土的曲線在上方。這說明在同等圍壓的情況下，在一定的纖維摻入量的范圍內(nèi)，纖維土的強(qiáng)度確實隨著木質(zhì)纖維的摻入量增加而增加。但是同時我們可以看到，當(dāng)圍壓為50kPa時，摻量為3‰和摻量為5‰的木質(zhì)纖維土應(yīng)力應(yīng)變曲線相接近。而當(dāng)圍壓增大到200kPa時，其中木質(zhì)纖維摻量為1‰和摻量為3‰的應(yīng)力應(yīng)變曲線相接近，這說明，隨著圍壓的增大。纖維在土體里面所起的作用就越大，因此在實際工程實踐中，應(yīng)適量使用纖維摻量，并不是摻入量越多越好。

3.2 纖維土的抗剪強(qiáng)度分析

對試驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過粘性土的計算公式(如下)算得纖維土的內(nèi)摩擦角和粘聚力。

τ=c+σtanφ

式中:τ為土體抗剪強(qiáng)度，kPa;c為土體的粘聚力，kPa;σ為土體的主應(yīng)力，kPa;φ為砂土內(nèi)摩擦角，(°)。

將試驗數(shù)據(jù)處理并計算，得到原砂土以及木質(zhì)纖維土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)整理如表1所示。

表1 砂土以及不同纖維摻量木質(zhì)纖維土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)表

根據(jù)計算得到的原砂土以及木質(zhì)纖維土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，可以看到隨著木質(zhì)纖維摻入量的不斷增大，土體的粘聚力是不斷增大的。但是原砂土與摻入量為1‰時候的木質(zhì)纖維土的粘聚力增量不是太大;當(dāng)摻入量達(dá)到3‰時，木質(zhì)纖維在土中與土體的接觸非常緊密，咬合摩擦力有很大的提升，粘聚力增量發(fā)生突變。同時，木質(zhì)纖維土的內(nèi)摩擦角并不是隨著纖維摻入量的變大而一直變大，但是均大于原砂土的內(nèi)摩擦角。也就是說在砂土中摻入木質(zhì)纖維能很大地提高砂土的粘聚力，使其具有一種粘性土的性質(zhì)，且隨著摻入量的增大這種效果就越明顯。摻入纖維土中對內(nèi)摩擦力的改變不是太大，但是仍有微弱的提升。

4 結(jié)語

通過對不同摻量的木質(zhì)纖維土和原砂土的三軸CU試驗，探討了木質(zhì)纖維摻入量對于應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和剪切強(qiáng)度的影響。試驗結(jié)果表明，當(dāng)土中摻入一定量的木質(zhì)纖維以后，應(yīng)力應(yīng)變曲線會得到提升，只有應(yīng)變量達(dá)到一定數(shù)值以后，木質(zhì)纖維與土體接觸密切，咬合作用變大。增大摻入量會提高土體的抗剪強(qiáng)度。

但是事實上，纖維的摻入量并不是影響纖維土抗剪強(qiáng)度的唯一因素。還應(yīng)受纖維的細(xì)度，韌度和長度等參數(shù)的影響。在實際的工程實踐中，也不是摻入量越多越好，應(yīng)該進(jìn)行更多的實驗來提高木質(zhì)纖維土的應(yīng)用實踐性。

［1］朱詩鰲.土工合成材料的應(yīng)用［M］.北京:北京科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

［2］GB/T50123－1999，土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］劉紅軍，韓春鵬，等.土質(zhì)土力學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2012.

［4］沈圓順，劉玖壯，郭麗麗.纖維土作為路用材料的試驗研究［J］.建筑材料學(xué)報，2010(4).

［5］趙瑩瑩，趙燕茹，李 馳，等.纖維土的三軸試驗研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報，2009(1).