纖維含量及長(zhǎng)度對(duì)纖維加筋土強(qiáng)度的影響研究

胡小慶，洪 柳，徐光黎，楊 新，蔣國(guó)武

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.建研地基基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司天津?yàn)I海新區(qū)分公司，天津 300061；3.湖北華亞建設(shè)工程有限公司，湖北 武漢 430080）

隨著工程建設(shè)的發(fā)展，鐵路、公路路堤穩(wěn)定性越來(lái)越受到重視，工程實(shí)踐中人們開始注重對(duì)路堤土體承載力、抗剪強(qiáng)度和土壤滲透性等方面的改良。化學(xué)添加劑（如水泥或石灰）雖然能明顯提高土體的性能，但會(huì)使土壤具有高硬度和脆性。實(shí)踐證明，在土壤中添加纖維也是一種能改良土體性能的有效方法。如李云峰等［1］通過(guò)在水泥土中添加纖維來(lái)改善水泥土的抗拉性能；Temel等［2］研究表明纖維的加入能減少砂土的脆性，使殘余強(qiáng)度衰減較少。纖維加筋土路堤邊坡與傳統(tǒng)護(hù)坡相比，具有造價(jià)低廉、易于施工、對(duì)環(huán)境無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，加筋后的路堤邊坡可以適當(dāng)提高邊坡坡度，節(jié)約了用地，也不影響后期邊坡的綠化，是一項(xiàng)值得推廣的技術(shù)。此外，與傳統(tǒng)土工材料相比，聚丙烯纖維具有隨機(jī)分布的特點(diǎn)，纖維分布的隨機(jī)性限制了某些軟弱破壞面的發(fā)展，因此其在路堤土體加固工程中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。

關(guān)于纖維含量及長(zhǎng)度對(duì)纖維加筋土強(qiáng)度影響方面的試驗(yàn)，前人做了很多研究。如Tang等［3］對(duì)三種含量的聚丙烯短纖維對(duì)水泥土強(qiáng)度和力學(xué)作用機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明纖維能提供無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度；柴壽喜等［4］對(duì)稻草加筋鹽漬土抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了研究，并選擇適宜的加筋長(zhǎng)度和加筋率；聶影等［5］研究了不同根系拌合長(zhǎng)度和拌合量對(duì)根系復(fù)合土強(qiáng)度和變形的影響，結(jié)果都表明加筋含量和筋材長(zhǎng)度對(duì)土體的延展性有一定的促進(jìn)作用。但目前關(guān)于聚丙烯纖維加筋土的加筋設(shè)計(jì)方面的研究還較少見。鑒于此，本文選取纖維長(zhǎng)度和纖維含量?jī)蓚€(gè)參數(shù)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，以應(yīng)力應(yīng)變、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為考察指標(biāo)，對(duì)不同纖維含量和纖維長(zhǎng)度的土樣的加筋效果進(jìn)行了對(duì)比，試圖從中找出最優(yōu)纖維含量和加筋長(zhǎng)度，為類似纖維加筋路堤邊坡工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用原料土為粉質(zhì)黏土，黃褐色，硬塑狀態(tài)，最大干密度為1.51g／cm3，容重為18.1kN／m3，塑性指數(shù)為15，最優(yōu)含水量為19%。試驗(yàn)采用的聚丙烯纖維直徑為0.018～0.065 mm，密度為0.91 g／cm3，抗拉強(qiáng)度大于450 MPa，彈性模量大 于3.5×103MPa。

1.2 制樣條件和試驗(yàn)方法

1.2.1 試樣制備

根據(jù)李敏等［6］對(duì)稻草加筋土試驗(yàn)研究得出的適宜加筋長(zhǎng)度和纖維含量，選取纖維摻量a（也稱纖維含量）占風(fēng)干土重量（纖維長(zhǎng)度）分別為0.1%、0.2%、0.3%，加筋長(zhǎng)度（纖維長(zhǎng)度）分別為1.5cm、2cm、2.5cm，并制備不加筋原料土作為對(duì)照組。本試驗(yàn)制備兩種規(guī)格土樣：一種用于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，為高度8cm、直徑3.91cm 的土柱；另一種用于直剪試驗(yàn)，為高度2cm、直徑6.18cm 的土餅。

1.2.2 試驗(yàn)方法

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)軸向應(yīng)變速度控制為每分鐘應(yīng)變2%，每隔0.25%應(yīng)變讀數(shù)一次。直剪試驗(yàn)采用固結(jié)快剪法，分別在50kPa、100kPa、200kPa、300kPa 4種不同垂直應(yīng)力下進(jìn)行，并且以12r／min轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手輪。

表1 各組土樣的纖維長(zhǎng)度和纖維含量Table 1 Serial number and content of each soil sample

2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 纖維對(duì)土體抗變形能力的影響

纖維加筋土樣和未加筋土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。圖1（a）、（b）、（c）中選取纖維長(zhǎng)度L 分別為1.5cm、2.0cm、2.5cm，纖維含量a 分別為0%、0.1%、0.2%、0.3%，研究纖維含量對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響。由圖1（a）、（b）、（c）可見，與未加筋土樣（a=0%）相比，加筋后的土樣抗變形能力得到很大提高，加筋土與原料土應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈應(yīng)變軟化特征，但加筋后的土樣軟化特征得到明顯的改善，并且隨著纖維含量的增加，曲線的差別逐漸加大；當(dāng)纖維長(zhǎng)度L 為2.5cm時(shí)，基本已經(jīng)逐漸接近應(yīng)變硬化型［見圖1（c）］；當(dāng)纖維含量a為0.2%和0.3%時(shí)，軸向最大應(yīng)力相差不大。

圖1 纖維長(zhǎng)度和纖維含量對(duì)土樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響Fig.1 Impacts of fiber length and fiber content on the stress-strain curve of the soil samples

圖1（d）中選取纖維含量a 為0.2%，纖維長(zhǎng)度L 分別為1.5cm、2.0cm 和2.5cm，當(dāng)軸向應(yīng)變?yōu)?.5%時(shí)，未加筋土樣的曲線開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，而加筋土樣隨著軸向應(yīng)變?cè)龃?，軸向應(yīng)力繼續(xù)增長(zhǎng)，當(dāng)纖維加筋土樣達(dá)到峰值強(qiáng)度后，軸向應(yīng)變均為2%，隨著軸向應(yīng)變繼續(xù)增大，3個(gè)加筋土樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎保持平行。這說(shuō)明只有在軸向應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，纖維的加筋效果才得以發(fā)揮。隨著纖維長(zhǎng)度的增加，土樣的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度增大幅度相同，均能使土體保持較高的殘余強(qiáng)度。

該應(yīng)力-應(yīng)變曲線很好地驗(yàn)證了纖維對(duì)土體力學(xué)性能的改良效果。對(duì)于加筋土樣，其應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律均表現(xiàn)為當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到2%時(shí)曲線開始衰減，說(shuō)明纖維含量對(duì)加筋土樣承受最大軸向應(yīng)力時(shí)的軸向應(yīng)變沒有影響；隨著軸向應(yīng)變的增加，加筋土樣的軸向應(yīng)力出現(xiàn)小幅度衰減，而未加筋土樣軸向應(yīng)變達(dá)到1.5%時(shí)軸向應(yīng)力即開始衰減，曲線基本呈拋物線型。這是因?yàn)槔w維的加入延緩了裂縫的發(fā)展，限制了土體的變形，含量較高、長(zhǎng)度較長(zhǎng)的纖維起到了連接土體各個(gè)部分的作用，防止局部裂縫的發(fā)展，從而提高了土體強(qiáng)度。

2.2 纖維對(duì)土體抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 纖維含量對(duì)土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Impact of fiber content on of the unconfined compressive strength of soil samples

圖3 纖維長(zhǎng)度對(duì)土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Impact of fiber length on the unconfined compressive strength of soil samples

對(duì)于加筋土樣取軸向應(yīng)變2%所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力作為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，原料土取軸向應(yīng)變1.5%所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力作為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，纖維含量和纖維長(zhǎng)度對(duì)土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見圖2和圖3。由圖2可見，隨著纖維含量的增加，土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)幾乎呈拋物線，當(dāng)纖維含量為0.2%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，纖維含量超過(guò)0.2%后，曲線基本與坐標(biāo)軸平行，這說(shuō)明纖維含量在0.2%以內(nèi)加筋效果明顯。由圖3 可見，不加筋土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為190 kPa，隨著纖維長(zhǎng)度的增加，土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈線性增加，加纖維后的土樣抗壓強(qiáng)度得到明顯提高，并且隨著纖維長(zhǎng)度的增加，土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度還能進(jìn)一步提高。

3 直剪試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 纖維對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響

本試驗(yàn)選取剪應(yīng)力峰值作為抗剪強(qiáng)度，將抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系進(jìn)行擬合（見圖4），得到土樣的內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ，見圖5和圖6。

纖維長(zhǎng)度和纖維含量對(duì)提高纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度有重要作用［7］。由圖4可知，與未加筋土樣抗剪強(qiáng)度對(duì)比，加筋后土樣抗剪強(qiáng)度得到明顯提高。圖4（a）中，當(dāng)纖維長(zhǎng)度較短（L=1.5cm）時(shí)，同一垂直壓力下不同纖維含量的土樣抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)較小，擬合直線間差別較小；圖4（b）中，當(dāng)纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)（L 為2.5cm）時(shí)，加筋土樣與未加筋土樣抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)較明顯，同一垂直壓力下不同纖維含量的土樣抗剪強(qiáng)度差別較大，這說(shuō)明對(duì)提高土體抗剪強(qiáng)度而言，只有當(dāng)纖維長(zhǎng)度達(dá)到一定值時(shí)，纖維的加筋效果才明顯；圖4（c）為纖維含量a為0.1%時(shí)，不同纖維長(zhǎng)度加筋土樣與未加筋土樣垂直壓力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，可見纖維長(zhǎng)度L 為1.5cm 與L 為2.0cm 的差別不大，當(dāng)L 為2.5cm 時(shí)，土樣的抗剪強(qiáng)度大幅度增長(zhǎng)，加筋效果明顯，并且這種差別隨著纖維含量增加而逐漸增大［見圖4（d）］。

3.2 纖維對(duì)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

本文對(duì)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ）隨纖維含量的變化規(guī)律采用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，其擬合結(jié)果見圖5和圖6。

由圖5可見，纖維含量對(duì)加筋土樣的內(nèi)聚力影響較大，隨著纖維含量的增加，土樣內(nèi)聚力c值逐漸增加。當(dāng)纖維長(zhǎng)度L 為1.5cm、纖維含量a 為0.1%時(shí)，比未加筋土樣內(nèi)聚力c值增加了30%，而當(dāng)纖維含量從0.1%增加到0.2%時(shí)，c 值增加了14.6kPa，纖維含量從0.2%增加到0.3%時(shí)，c值增加了6.4kPa，可見纖維含量為0.2%時(shí)加筋土樣內(nèi)聚力c值增加最明顯。纖維長(zhǎng)度對(duì)加筋土樣的內(nèi)聚力也產(chǎn)生很大影響，當(dāng)纖維含量為0.2%，纖維長(zhǎng)度從1.5cm 增加到2cm 時(shí)，內(nèi)聚力c 值增加了6 kPa，纖維長(zhǎng)度從2cm 增加到2.5cm 時(shí)，內(nèi)聚力c值增加了15.6kPa，顯然纖維長(zhǎng)度為2.5cm 時(shí)加筋土樣內(nèi)聚力c值增加最明顯。

圖4 土樣抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between the shear strength of soil samples and vertical pressure

由圖6可見，纖維含量和纖維長(zhǎng)度對(duì)加筋土樣內(nèi)摩擦角的影響較小。當(dāng)纖維長(zhǎng)度L 為1.5cm、纖維含量a為0.1%時(shí)，加筋土樣與未加筋土樣相比，僅使其內(nèi)摩擦角增加了1.6°，隨著纖維含量的增加，加筋土樣的內(nèi)摩擦角變化幅度為4%～5%。

圖5 土樣內(nèi)聚力c隨纖維含量a 的變化曲線Fig.5 Variation curves of cohesion with fiber contents

圖6 土樣內(nèi)摩擦角φ隨纖維含量a 的變化曲線Fig.6 Variation curves of internal friction angle with fiber contents

綜上可見，纖維含量對(duì)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力影響較大，而對(duì)內(nèi)摩擦角影響不大，基本符合準(zhǔn)內(nèi)聚力原理［8］。隨著纖維含量的增加，土體內(nèi)聚力會(huì)逐漸增加，當(dāng)纖維含量為0.2%時(shí)，土體內(nèi)聚力的增長(zhǎng)幅度最大，此時(shí)的加筋效果最好，因此0.2%為纖維的最優(yōu)含量?？梢?，對(duì)土體抗剪強(qiáng)度而言，纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，纖維含量的影響也越明顯。由圖5可知，纖維長(zhǎng)度為2.5cm 時(shí)，對(duì)土體內(nèi)聚力的增長(zhǎng)效果最明顯，因此纖維最優(yōu)長(zhǎng)度為2.5cm。

4 結(jié)論

纖維含量和纖維長(zhǎng)度對(duì)土體抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變和抗剪強(qiáng)度均有影響。本文通過(guò)開展纖維加筋土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

（1）纖維對(duì)限制土體側(cè)向變形有抑制作用，土體加筋后峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均有提高。纖維含量越高，土體殘余強(qiáng)度衰減越小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線越趨于應(yīng)變硬化型；而纖維長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本形狀沒有影響。

（2）纖維含量為0.2%時(shí)，土體抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大；纖維含量超過(guò)0.2%時(shí)，土體抗壓強(qiáng)度隨纖維含量增加不發(fā)生變化。纖維長(zhǎng)度為2.5cm 的加筋土的抗壓強(qiáng)度最大，隨著纖維長(zhǎng)度的增加土體抗壓強(qiáng)度還能進(jìn)一步增長(zhǎng)。

（3）纖維的加入對(duì)土體內(nèi)聚力的影響較大，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小，符合準(zhǔn)內(nèi)聚力原理。纖維含量為0.2%、纖維長(zhǎng)度為2.5cm 時(shí)，土體內(nèi)聚力的增長(zhǎng)效果最顯著。

（4）纖維長(zhǎng)度和纖維含量對(duì)土體抗剪強(qiáng)度均有影響，纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，纖維含量對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響越明顯，兩者對(duì)土體抗剪強(qiáng)度共同發(fā)揮加筋作用。纖維長(zhǎng)度對(duì)纖維加筋土的加筋效果將在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)行研究。

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