黃麻纖維加筋土的強(qiáng)度特性及增強(qiáng)機(jī)理研究

錢葉琳，王 潔，呂衛(wèi)柯，郭盼盼，單生彪，汪亦顯

(1.安徽路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 210029；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

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黃麻纖維加筋土的強(qiáng)度特性及增強(qiáng)機(jī)理研究

錢葉琳1, 2，王 潔1，呂衛(wèi)柯1，郭盼盼2，單生彪2，汪亦顯2

(1.安徽路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 210029；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

采用黃麻纖維對(duì)合肥地鐵工程沿線廣泛分布地典型弱潛勢(shì)膨脹土加筋改良處理，通過改變黃麻纖維摻量和長(zhǎng)度對(duì)包含素膨脹土和纖維加筋土的土樣進(jìn)行了一系列室內(nèi)直剪試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探討了纖維長(zhǎng)度和纖維含量對(duì)加筋土強(qiáng)度特性的影響，并簡(jiǎn)要分析了纖維增強(qiáng)機(jī)理。研究結(jié)果表明：黃麻纖維加筋可顯著提高土體抗剪強(qiáng)度和膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，改善了膨脹土的剪切破壞形式，減小了破壞時(shí)裂隙的寬度和長(zhǎng)度。

黃麻纖維；纖維加筋土；抗剪強(qiáng)度；增強(qiáng)機(jī)理；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

建造于軟弱土或膨脹土地基上的建筑物或構(gòu)筑物，常常因地基土體的弱抗剪強(qiáng)度和高壓縮性導(dǎo)致的不均勻沉降產(chǎn)生開裂、傾覆等工程問題，給生命、財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大威脅。為此，以改善不良土的抗剪強(qiáng)度、承載能力和滲透特性等工程性質(zhì)的土體改良或加固技術(shù)得到廣泛研究和發(fā)展[1-5]。采用石灰、水泥或CTMAB等作為土體改良劑的化學(xué)加固法被證明在提高不良土工程性質(zhì)方面效果顯著[6-7]。但這些化學(xué)添加物會(huì)導(dǎo)致土體脆性增強(qiáng)，變形能力減弱，同時(shí)也有可能污染地下水。研究表明，土體中纖維的較高抗拉強(qiáng)度和較好延展性可有效提高土體強(qiáng)度、降低土體壓縮性和脆性，且對(duì)環(huán)境無污染，和傳統(tǒng)采用石灰或水泥的土體改良法相比具有較大優(yōu)越性[8-10]。近年來，國(guó)內(nèi)外有關(guān)纖維加筋土的直剪、三軸、無側(cè)限抗壓和CBR等試驗(yàn)研究較多，取得了豐碩成果[11-13]。李廣信等指出纖維加筋能顯著提高黏性土的抗剪強(qiáng)度，增加塑性和韌性[15]。Mona Malekzadeh發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維可降低膨脹土的膨脹性，且在提高加筋土抗拉強(qiáng)度上比提高抗壓強(qiáng)度更有效[16]。纖維加筋土不僅具有較好的靜力特性，也具有可觀的抗震性能，適合作為土石壩裂縫敏感區(qū)的填料[17]。據(jù)研究，纖維加筋可顯著提高砂土的抗液化強(qiáng)度[18]，因此，在不排水條件下，使砂土液化所需的加載循環(huán)次數(shù)增多[19-20]。姚波等[21]提出加筋土中加入水泥可顯著提高其抗剪強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度指標(biāo)，并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Prabakar J等[22]經(jīng)試驗(yàn)證明劍麻是一種優(yōu)異的土體改良材料。本文基于直剪試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，探討了纖維長(zhǎng)度和纖維含量對(duì)黃麻纖維加筋土的強(qiáng)度特性的影響，并簡(jiǎn)要分析了纖維增強(qiáng)機(jī)理，研究結(jié)果可為理論研究與工程實(shí)踐打下基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣取自合肥市軌道交通1號(hào)線某換乘站基坑工程，取樣深度4～6 m。土樣取回后密封貯存，以備后續(xù)試驗(yàn)所用?；诿芏?、界限含水率和顆粒分析等一系列室內(nèi)基本土力學(xué)試驗(yàn)，得到膨脹土的基本物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。本研究所用加筋材料為黃麻纖維。黃麻纖維是經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、用途廣泛的天然纖維之一，大量種植于孟加拉國(guó)、中國(guó)、印度和泰國(guó)等地。黃麻纖維具有低斷裂伸長(zhǎng)率和較高抗拉強(qiáng)度，使得黃麻纖維加筋復(fù)合材料表現(xiàn)出較高韌性和較強(qiáng)抗剪強(qiáng)度。具有“黃金纖維”之稱的黃麻纖維將會(huì)在巖土工程土體改良領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。

1.2 試樣制備

將取回的膨脹土風(fēng)干碾碎，過2 mm篩，并測(cè)得膨脹土的風(fēng)干含水率為4.1%。將過篩后的膨脹土顆?；旌暇鶆?，裝入塑料袋中密封保存。本研究選取的黃麻纖維摻量分別為干土質(zhì)量的0.05%、0.15%和0.25%，選取的黃麻纖維長(zhǎng)度為6、12和18 mm。試驗(yàn)過程中，首先用剪刀將黃麻纖維剪成6、12和18 mm三種長(zhǎng)度，然后稱取一定質(zhì)量預(yù)先準(zhǔn)備好的過篩后風(fēng)干膨脹土顆粒，根據(jù)其干土質(zhì)量和黃麻纖維摻加率計(jì)算出所需黃麻纖維的質(zhì)量，用精度為0.01 g的電子天平稱取所需質(zhì)量的黃麻纖維，接著，通過手工拌合，分多次、小增量地將黃麻纖維混入到風(fēng)干膨脹土顆粒中，最終使所有黃麻纖維都能有效地與膨脹土樣隨機(jī)均勻混合。

黃麻纖維與風(fēng)干膨脹土顆粒均勻混合后，根據(jù)膨脹土的風(fēng)干土質(zhì)量、風(fēng)干土含水率和最優(yōu)含水率計(jì)算出纖維土中所需加入的水量，將計(jì)算得到的制樣所需加水量通過噴霧器均勻?yàn)⑷肜w維土中，將配制好的土樣裝入塑料袋，封閉燜料24 h，以便水分在土體中充分?jǐn)U散，直至均勻。依據(jù)公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTG E40-2007)，按膨脹土的最優(yōu)含水率和最大干密度制作直剪試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓試驗(yàn)所用的黃麻纖維加筋土試樣，共開展10組試驗(yàn)。直剪試驗(yàn)采用的儀器為應(yīng)變控制式電動(dòng)直剪儀，每組土樣4個(gè)試樣，在4種不同垂直壓力下(100、200、300、400 kPa)進(jìn)行剪切試驗(yàn)，選擇的剪切速率為0.8 mm/min。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用的試驗(yàn)儀器為三軸壓縮儀。

2 直剪試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 直剪試驗(yàn)結(jié)果

10組試樣的直剪試驗(yàn)結(jié)束后，各組試樣在每級(jí)垂直壓應(yīng)力σ下的抗剪強(qiáng)度τ按以下標(biāo)準(zhǔn)從剪應(yīng)力-剪切變形曲線上獲?。寒?dāng)剪應(yīng)力-剪切變形曲線有峰值時(shí)，抗剪強(qiáng)度即為峰值剪應(yīng)力；當(dāng)剪應(yīng)力-剪切變形曲線無峰值時(shí)，取剪切位移為4 mm時(shí)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度。對(duì)每組試樣的抗剪強(qiáng)度τ與垂直壓應(yīng)力σ關(guān)系進(jìn)行線性擬合，獲取各組試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖4所示。

表1 膨脹土的基本物理力學(xué)性質(zhì)

2.2 直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1為垂直壓應(yīng)力為200 kPa時(shí)的土樣抗剪強(qiáng)度與纖維含量關(guān)系曲線，其它壓應(yīng)力下的曲線與此類似。結(jié)果表明，在每一級(jí)垂直壓應(yīng)力下，土樣的抗剪強(qiáng)度都隨黃麻纖維摻量的增加而不斷提高，當(dāng)黃麻纖維摻量從0增加到0.05%時(shí)，土樣的抗剪強(qiáng)度提高幅度較明顯，而當(dāng)黃麻纖維摻量進(jìn)一步增大時(shí)，土樣抗剪強(qiáng)度提高幅度逐漸降低。由圖2可見，黃麻纖維長(zhǎng)度對(duì)土樣抗剪強(qiáng)度有顯著影響，總體上，不同垂直壓應(yīng)力下的不同纖維摻量土樣的抗剪強(qiáng)度隨黃麻纖維長(zhǎng)度的增加先增大后減小，當(dāng)纖維長(zhǎng)度為12 mm時(shí)，土樣抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值。

土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)包括黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，是建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、基坑支護(hù)等工程建設(shè)的重要參數(shù)。土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨黃麻纖維摻量和長(zhǎng)度的變化情況如圖3和圖4所示。黃麻纖維摻量對(duì)土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響主要表現(xiàn)為：纖維加筋膨脹土的黏聚力隨黃麻纖維摻量的增加呈不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)的幅度隨纖維摻量的增加呈降低趨勢(shì)，理論上，土體中纖維摻量越多，剪切面上纖維密度越大，纖維對(duì)剪應(yīng)力的分擔(dān)能力就越高，但是纖維加筋對(duì)黏聚力的貢獻(xiàn)存在臨界摻量，超過臨界值后，纖維加筋土的黏聚力會(huì)隨纖維摻量的增加而降低；黃麻纖維摻量對(duì)纖維加筋膨脹土的內(nèi)摩擦角影響較小，且無明顯規(guī)律。黃麻纖維長(zhǎng)度對(duì)土樣黏聚力的影響與黃麻纖維長(zhǎng)度對(duì)土樣抗剪強(qiáng)度的影響類似，黃麻纖維加筋土中纖維摻量一定時(shí)，其黏聚力隨黃麻纖維長(zhǎng)度的增加先增大后減小，黃麻纖維長(zhǎng)度在纖維增強(qiáng)效果上存在最優(yōu)值。

3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)手輪轉(zhuǎn)數(shù)和百分表讀數(shù)等計(jì)算出土樣的軸向應(yīng)變和軸向應(yīng)力，然后，以軸向應(yīng)力σ為縱坐標(biāo)，以軸向應(yīng)變?chǔ)?為橫坐標(biāo)，繪制試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。以應(yīng)力-應(yīng)變曲線的最大軸向應(yīng)力作為土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，若最大軸向應(yīng)力不明顯，取軸向應(yīng)變15%處的應(yīng)力作為該試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu，10組土樣的軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線見圖5。

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6表明，對(duì)于不同黃麻纖維摻量的土樣，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度-纖維長(zhǎng)度曲線呈“拱形”，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值在纖維長(zhǎng)度為6 mm時(shí)達(dá)到峰值。之后，隨著黃麻纖維長(zhǎng)度的進(jìn)一步增大，土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值發(fā)生衰減，0.05%摻量的纖維土的衰減穩(wěn)定值甚至低于未加筋土。該現(xiàn)象表明，采用長(zhǎng)度為12 mm、摻量為0.05%的黃麻纖維與膨脹土混合，不但達(dá)不到提高其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的目的，反而抑制了土樣本身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的發(fā)揮，經(jīng)分析，這可能是由以下原因造成：黃麻纖維與土體拌合過程中，長(zhǎng)度大于6 mm的纖維間更容易發(fā)生相互扭曲、纏繞，凝結(jié)成團(tuán)，土體中均勻分散的纖維只是所摻加纖維中的很小一部分，大部分的纖維凝結(jié)成團(tuán)，且土體中“大塊”的凝結(jié)成團(tuán)纖維占有較大體積，使土顆粒間距增大，土顆粒間連接力減弱，土樣受荷變形過程中，凝結(jié)成團(tuán)纖維與土顆粒間的摩擦力小于土顆粒與土顆粒間的摩擦力和黏結(jié)力之和，導(dǎo)致土顆粒發(fā)生重排與移動(dòng)的阻力降低(阻力降低值用Fdec表示)，在黃麻纖維摻量較小時(shí)，土體中均勻離散分布的纖維對(duì)土體強(qiáng)度貢獻(xiàn)值Finc< Fdec，從而造成長(zhǎng)度為12 mm、摻量為0.05%的黃麻纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度低于未加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖7表明，總體上，黃麻纖維對(duì)膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值的貢獻(xiàn)與黃麻纖維摻量呈正相關(guān)關(guān)系，但18 mm纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值隨黃麻纖維摻量發(fā)生“波動(dòng)”，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度極大值發(fā)生在纖維摻量為0.15%處，該現(xiàn)象是由纖維長(zhǎng)度和纖維摻量的耦合作用造成的。因此，工程實(shí)踐中采用黃麻纖維對(duì)土體進(jìn)行改良時(shí)，應(yīng)合理搭配纖維長(zhǎng)度與纖維摻量，力求采用最優(yōu)“配合比”，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。初步研究發(fā)現(xiàn)，6 mm纖維長(zhǎng)度與0.25%纖維摻量對(duì)提高合肥膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值效果較佳。

3.3 纖維增強(qiáng)土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度機(jī)理

纖維加筋土在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，只在軸向施加荷載，側(cè)向無荷載，土樣在軸向荷載作用下發(fā)生軸向和側(cè)向變形，土樣的變形使得纖維與土體接觸面相互作用，纖維體中產(chǎn)生拉應(yīng)力，纖維對(duì)土顆粒的反作用力與土體變形或土顆粒移動(dòng)方向相反，從而可抑制土顆粒的移動(dòng)和土體變形。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，纖維對(duì)土顆粒的等效附加應(yīng)力(反作用力)可視為圍壓作用于土樣周圍，據(jù)此，土樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中的“無側(cè)限”變?yōu)椤坝袀?cè)限”，即相當(dāng)于三軸壓縮試驗(yàn)。在“有側(cè)限”情況下，土樣的受荷變形受到限制，抗壓強(qiáng)度的得到提高。

4 結(jié)論

1)黃麻纖維長(zhǎng)度對(duì)纖維加筋土抗剪強(qiáng)度有一定影響，表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度隨黃麻纖維長(zhǎng)度的增加先增大后減小，較長(zhǎng)纖維間的相互纏繞、凝結(jié)降低了纖維增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度效果。黃麻纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較素土提高明顯，黃麻纖維加筋、纖維長(zhǎng)度和纖維摻量對(duì)膨脹土受壓過程中的初始剛度無明顯影響。

2)纖維加筋土直剪試樣中的纖維按照其是否對(duì)抗剪強(qiáng)度有所貢獻(xiàn)分為“有效纖維”和“無效纖維”，“有效纖維”加筋改良膨脹土效果受筋/土界面摩擦力和黏聚力控制。

3)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，纖維對(duì)土顆粒的等效附加應(yīng)力可視為圍壓作用于土樣周圍，據(jù)此，土樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中的“無側(cè)限”變?yōu)椤坝袀?cè)限”，在“有側(cè)限”情況下，土樣的受荷變形受到限制，抗壓強(qiáng)度得到提高。

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(責(zé)任編輯李軍)

Research on strength characteristics and improving mechanism of Jute fiber-reinforced soil

QIAN Yelin1,2， Wang Jie1，Lv Weike1，GUO Panpan2，SHAN Shengbiao2，WANG Yixian2

(1. Anhui Road & Bridge Group Co., Ltd，Anhui Hefei 210029, China；2.School of Civil and Hydraulic Engineering,Hefei University of Technology, Anhui Hefei 230009, China.)

The classical weak expansive soil existed widely in Hefei was treated by mixing with randomly and uniformly distributed jute fiber. And a series of direct shear and unconfined compression tests were conducted on soil samples of ten groups including expansive soil and reinforced soil with jute fiber of varying fiber content and fiber length. Besides, the improving mechanism of fiber reinforcement and the effects of fiber length and fiber content on the strength characteristics of jute fiber-reinforced soil were analyzed briefly. Results of this investigation show that: Incorporating randomly distributed jute fiber into expansive soil could enhance observably the shear strength of soil, Jute fiber reinforcement improved the shear failure mode of expansive soil, at the same time, the length and the width of the fractures on the surface of soil specimens after failure reduced largely.

Jute fiber; fiber-reinforced soil; shear strength; improving mechanism; unconfined compression test

2016-02-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51304057)；深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金項(xiàng)目資助(SKLGDUEK1406)；合肥市重點(diǎn)工程建設(shè)局科技支撐項(xiàng)目(2013CGAZ0771)；安徽省住房城鄉(xiāng)建設(shè)廳科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2013YF-27)。

錢葉琳(1980-)，男，安徽青陽(yáng)人，碩士，高級(jí)工程師，從事巖土及路基工程方面的研究。

1673-9469(2016)02-0019-06

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.02.005

TU94+1

A