纖維加筋對(duì)土體力學(xué)特性的影響

吳會(huì)龍 潘玲玲 薛國(guó)強(qiáng) 顧歡達(dá) 朱寧 王飛 唐強(qiáng)

摘 要：纖維加筋技術(shù)用于提升土體的強(qiáng)度和抗變形特性。本文分別選取兩種不同纖維材料（工業(yè)聚丙烯纖維和天然麥秸稈），通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)研究纖維種類(lèi)、摻量及長(zhǎng)度對(duì)于土體強(qiáng)度和變形的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：相較于未加筋土，聚丙烯纖維加筋土的峰值強(qiáng)度得到較大程度的提升，長(zhǎng)度為12 mm、摻量為0.2%時(shí)加筋效果最好，強(qiáng)度可達(dá)到素土的2.2倍;麥秸稈纖維加筋后，盡管土體強(qiáng)度略低于未加筋土，但無(wú)論是摻加聚丙烯纖維還是麥秸稈纖維，纖維土的破壞應(yīng)變均大于素土，且在峰值強(qiáng)度過(guò)后纖維土均表現(xiàn)出較大的殘余強(qiáng)度，可見(jiàn)加入纖維可以明顯改善土體的抗變形性能。主要是因?yàn)槔w維與土顆粒之間的摩擦作用為土體提供了更大的摩擦力。

關(guān)鍵詞：纖維;加筋土;強(qiáng)度;變形

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8023（2018）06-0080-07

Effect of Fiber Reinforced Soil on Mechanical Properties

WU Huilong1， PAN Lingling2， XUE Guoqiang1， GU Huanda1*， ZHU Ning3， WANG Fei3， TANG Qiang2

（1. School of Civil Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215011; 2. School of Rail Transportation， Soochow University， Suzhou 215137; 3.Suzhou Rail Transit Group， Suzhou 215000）

Abstract： Fiber reinforced technology was applied to improve the strength and deformation resistance of soil. Two kinds of different fiber material （industrial polypropylene fiber and natural wheat straw） were selected， the effects of different fibers， content and length on soil strength and deformation were studied by unconfined compressive strength test.Experimental results show that compared with soil without fiber， polypropylene fiber reinforced soil have great improvement on the peak strength， the reinforcement effect with length of 12 mm and content of 0.2% is best and the peak strength can reach 2.2 times of soil without reinforcement. With wheat straw fiber reinforced， while the soil strength is slightly lower than soil without fiber， but whether it is mixed with polypropylene fiber or wheat straw fiber， the failure strain of fiber reinforced soil is greater than soil without any reinforced materials， and after peak intensity， the residual strength of fiber reinforced soil is higher.Therefore， we can draw a conclusion that fiber can improve the deformation resistance of soil obviously. The main reason is that the occlusion between fiber and soil particles provides soil with greater friction.

Keywords： Fiber; reinforced soil; strength; deformation

0 引言

20世紀(jì)80年代以來(lái)，纖維作為加筋材料逐漸引起了人們的重視[1]。常用于加筋的纖維主要分為人工合成纖維和天然纖維兩大類(lèi)。相較天然纖維而言，人工合成纖維的理化性質(zhì)更好，加入土中也更易于拌合，是已被證實(shí)的良好的加筋材料。關(guān)于利用天然纖維進(jìn)行加筋處理，已有諸多學(xué)者進(jìn)行了研究。璩繼立在粘土中加入棕櫚絲進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)[2]，發(fā)現(xiàn)棕櫚絲可以顯著提高土體的強(qiáng)度和抗變形能力;李貝貝也采用棕櫚絲作為加筋材料，得出了相似的結(jié)論[3];常志璐用椰絲加筋砂土[4]，結(jié)果表明椰絲纖維的長(zhǎng)度和含量都對(duì)土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有較大的影響;錢(qián)葉琳研究了黃麻纖維加筋膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度[5]，發(fā)現(xiàn)黃麻纖維的加入在提高土體的抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，減小了土體破壞時(shí)產(chǎn)生裂縫的長(zhǎng)度與寬度;張瑞敏對(duì)鹽漬土分別進(jìn)行了稻秸稈和麥秸桿的加筋研究[6]，結(jié)果表明在相同情況下，稻秸稈的加筋效果要優(yōu)于麥秸桿，且纖維加筋的峰值強(qiáng)度均要大于未加筋土。

相較于天然纖維，也有諸多學(xué)者對(duì)人工合成纖維進(jìn)行了研究。鄧友生、吳鵬等研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維可以明顯地提高膨脹土的抗壓強(qiáng)度[7]，但加入的纖維并不是越多越好;張小平、吳繼玲對(duì)膨脹土進(jìn)行聚丙烯纖維加筋，也得出類(lèi)似的結(jié)論[8-10];Kumar等對(duì)聚酯纖維加筋軟粘土進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)[11-12]，并計(jì)算了土體抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值，發(fā)現(xiàn)隨著纖維摻量的增加，土體抗拉強(qiáng)度的提升幅度要高于抗壓強(qiáng)度;璩繼立、江海洋等對(duì)聚乙烯醇纖維加筋黏土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的研究[13]，得出最優(yōu)加筋率為0.8%，相較素土而言，加筋土的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力都得到了較大程度的提高;郭瑞研究了聚乙烯醇纖維對(duì)于石灰土抗壓強(qiáng)度的影響[14]，結(jié)果表明聚乙烯醇纖維可以有效提高土體的抗壓強(qiáng)度，改善土體的韌性。

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年因種植所產(chǎn)生的秸稈量巨大，雖然針對(duì)稻秸稈和麥秸桿已有諸多處理方法[15]，包括粉碎還田及生物發(fā)電等，但其比例僅占不到30%，大量的秸稈只能通過(guò)焚燒進(jìn)行處理。而秸稈中含有大量的植物纖維，因此可以考慮利用秸稈作加筋材料來(lái)改善土體的強(qiáng)度和抗變形特性。綜上所述，本文選取天然麥秸稈作為研究對(duì)象，對(duì)松散土體進(jìn)行加筋處理，進(jìn)行室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，進(jìn)而研究纖維種類(lèi)、長(zhǎng)度和摻量對(duì)于土體力學(xué)特性的影響，并結(jié)合體視鏡及掃描電子顯微鏡（SEM）照片對(duì)加筋機(jī)理進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用原料土是由商品高嶺土和黃砂混合而成的人工制備土：其中高嶺土為蘇州市滸墅關(guān)產(chǎn)的陽(yáng)山牌商品高嶺土，黃砂為粒徑小于1 mm的商品黃砂。表1及圖1為高嶺土和黃砂的主要物化特性和照片，從級(jí)配不難看出，兩種材料屬于不同粒徑組，混合摻配用以模擬真實(shí)環(huán)境中的土體材料，從而使研究結(jié)論具有更為普遍的代表性。對(duì)混合土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)（JTG E40-2007），得到試驗(yàn)所用混合土的最優(yōu)含水率為12%，最大干密度為1.98 g/cm3，本試驗(yàn)取實(shí)際含水率為12%，以最大干密度來(lái)控制試驗(yàn)所制土樣的質(zhì)量。

試驗(yàn)用纖維分別為市場(chǎng)上銷(xiāo)售的聚丙烯以及天然纖維麥秸稈，麥秸稈取自江蘇省宿遷市，為當(dāng)季收割后密封置于陰涼處儲(chǔ)藏備用。其中聚丙烯纖維選用3個(gè)長(zhǎng)度值，分別為6 、12 、19 mm，麥秸稈則選用兩個(gè)長(zhǎng)度范圍，分別為5～10 mm和10 ～ 20 mm，纖維摻量分別取0.05%、0.1%、0.2%、0.4%。以6 mm、0.2%摻量聚丙烯為例，記為6 mm，0.2%聚。聚丙烯和麥秸桿的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，圖2、圖3分別為試驗(yàn)用聚丙烯與麥秸桿的宏觀及微觀照片（掃描電鏡500倍）。麥秸桿在使用前，先去除麥秸桿表層干枯的表皮層，剪成所取長(zhǎng)度范圍后用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，取上層長(zhǎng)度符合設(shè)定的部分用于試驗(yàn)。

1.2 試樣制備與試驗(yàn)方法

試樣制備前，先將試驗(yàn)所用黃砂與高嶺土放入烘箱中，在105 ℃條件下烘干至少24 h后取出放入干燥器中冷卻至室溫[16-17]。

將黃砂/高嶺土按質(zhì)量比7 ： 3稱(chēng)取指定量放入攪拌器，再用稱(chēng)量紙稱(chēng)取指定量的纖維加入攪拌器中攪拌均勻，按照試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)好的含水率（即取最優(yōu)含水率12%），稱(chēng)取指定量的去離子水，加入攪拌器，再次攪拌均勻[18-20]。最后將攪拌均勻的土樣裝入模具，采用靜壓壓實(shí)法制成高10 cm、直徑5 cm的圓柱體試樣，脫模，稱(chēng)重。

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）。試驗(yàn)所用儀器為YSH-2型石灰土壓力儀，控制底座上升速率為1 mm/min，應(yīng)變?cè)?%以前，每0.5%應(yīng)變記讀百分表讀數(shù)一次，應(yīng)變達(dá)3%以后，每1%應(yīng)變記讀百分表讀數(shù)一次。當(dāng)百分表達(dá)到峰值或讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定，再繼續(xù)剪3% ～ 5%應(yīng)變值即可停止試驗(yàn)。如讀數(shù)無(wú)穩(wěn)定值，則軸向應(yīng)變達(dá)20%時(shí)即可停止試驗(yàn)[21-23]。表3為本次試驗(yàn)的試驗(yàn)方案。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

纖維摻量和纖維長(zhǎng)度對(duì)土體抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示。從圖4（a）可以看出，在土中加入聚丙烯可以提高土體的抗壓強(qiáng)度，且隨著聚丙烯纖維摻量的增加，土體的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在纖維摻量為0.2%處，土體表現(xiàn)出最大的抗壓強(qiáng)度。這表明聚丙烯與土顆粒相互接觸產(chǎn)生的摩擦力可以在一定程度阻礙土顆粒的相對(duì)移動(dòng)，在纖維低于一定摻量時(shí)，纖維絲之間也會(huì)相互產(chǎn)生一個(gè)拉拽作用，從而增大了土體的強(qiáng)度;而當(dāng)纖維摻量過(guò)高時(shí)，纖維絲本身在土體中發(fā)生堆積，土顆粒之間的摩擦力要大于纖維絲之間的摩擦力，所以引起了強(qiáng)度的下降[24]。胡小慶在粉質(zhì)粘土中加入聚丙烯纖維進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)[25]，也得出了最優(yōu)加筋率為0.2%;唐朝生則發(fā)現(xiàn)土體的抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而增加[26];而在土中加入麥秸稈纖維時(shí)，則發(fā)現(xiàn)不同摻量麥秸稈加筋土之間的峰值強(qiáng)度差異并不大。但是無(wú)論加入的麥秸桿纖維摻量是多少，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的峰值均小于未摻加纖維的土體，一方面可能是由于加入的麥秸稈吸收土中的水分，從而降低了自身的性能;另一方面可能是麥秸稈纖維的分散性遠(yuǎn)不及聚丙烯纖維，且所用麥秸稈的體積要遠(yuǎn)大于聚丙烯纖維絲，因而麥秸稈在土中的均勻性不是太理想，致使麥秸稈纖維在土中的連系作用不夠明顯。

圖4（b）呈現(xiàn)的是土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度的變化關(guān)系。從圖4（b）可以看出，加入聚丙烯纖維的長(zhǎng)度并非越長(zhǎng)越好，12 mm聚丙烯的加筋效果要明顯好于較短的6 mm和較長(zhǎng)的19 mm聚丙烯的加筋效果，土體表現(xiàn)出更大的抗壓強(qiáng)度，最高可達(dá)0.54 MPa，約為素土的2.2倍。這是因?yàn)檫^(guò)短的纖維可能會(huì)避開(kāi)土體中的裂紋，所以不能很好地發(fā)揮到加筋作用，而過(guò)長(zhǎng)的纖維則容易在土體形成薄弱面，反到影響了土體的整體性，從而降低了強(qiáng)度[2]。孫皓也得出12 mm聚丙烯的加筋效果最好[27];胡小慶則得出纖維越長(zhǎng)，土體的峰值強(qiáng)度越高的結(jié)論，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4（b）第三條折線(xiàn)[24]，究其原因可能為該學(xué)者所取纖維最短長(zhǎng)度本來(lái)就較長(zhǎng)，且長(zhǎng)度差不大，從而致使研究結(jié)果有差異性。而在土中加入麥秸稈纖維，則可以發(fā)現(xiàn)加入5 ～ 10 mm麥秸稈的土體所表現(xiàn)出的抗壓強(qiáng)度要高于摻加10 ～ 20 mm麥秸稈的土體，但其強(qiáng)度差別并不太大。魏麗對(duì)石灰固化鹽漬土進(jìn)行麥秸桿加筋的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度研究[28]，則發(fā)現(xiàn)10 mm的麥秸桿加筋效果最好。

2.2 變形模量與破壞應(yīng)變

變形模量是無(wú)側(cè)限條件下壓應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)變的比值，用于表征材料抵抗彈塑性變形的能力。由于試驗(yàn)所用土體為非線(xiàn)性變形，故用E50（峰值應(yīng)力的50%所對(duì)應(yīng)的割線(xiàn)模量）來(lái)表征材料的變形特性。圖5給出了不同纖維長(zhǎng)度及摻量土體的變形模量，從圖5（a）可以看出隨著纖維摻量的增加土體的變形模量均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，劉建龍對(duì)棉纖維加筋土進(jìn)行了研究[29]，也得出相同的結(jié)論;而張小平則發(fā)現(xiàn)不同纖維含量的變形模量是趨于一致的[9]。聚丙烯對(duì)土體變形模量的影響較顯著，對(duì)應(yīng)最優(yōu)的纖維摻量為0.2%，而麥秸桿加筋纖維土的變形模量均小于未加筋土，且各摻量纖維加筋土間的變形模量差別并不大。12 mm聚丙烯纖維的提升效果要明顯高于其他長(zhǎng)度，5～10 mm的麥秸桿纖維的加筋效果則要略好于較長(zhǎng)的麥秸桿。而劉建龍則認(rèn)為加筋長(zhǎng)度對(duì)平均變形模量的影響較小[28]。結(jié)果表明聚丙烯纖維通過(guò)與土顆粒的摩擦以及纖維絲之間的拉拽作用可以明顯地改良土體的抗變形能力，而麥秸桿因?yàn)槲唇?jīng)防腐處理，吸水后強(qiáng)度得到較大程度的弱化，對(duì)土體則未表現(xiàn)出較好的改良作用。對(duì)比上面的圖5，可以發(fā)現(xiàn)纖維對(duì)變形模量的影響與對(duì)強(qiáng)度的影響基本上是趨于一致的。

圖5同樣描述了破壞應(yīng)變與纖維摻量及長(zhǎng)度的關(guān)系圖，顯而易見(jiàn)，相較素土而言，所有加入纖維的工況都表現(xiàn)出更大的破壞應(yīng)變，基本為素土破壞應(yīng)變的1 ～ 2倍，其中加入0.4%摻量聚丙烯土樣的破壞應(yīng)變最大，約為素土破壞應(yīng)變的4 ～ 5倍。而胡小慶則得出不同纖維摻量加筋土的破壞應(yīng)變趨于一致[26]。由圖5（b）可以看出，加入的聚丙烯長(zhǎng)度越長(zhǎng)，土樣的破壞應(yīng)變?cè)叫?，而加入麥秸桿卻恰好相反。是因?yàn)椴徽撌蔷郾┻€是麥秸桿，依靠與土體的連接作用，都可以抑制土體裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，從而提高土體的抗變形能力。

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖6為不同長(zhǎng)度以及不同摻量的麥秸桿纖維和聚丙烯加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，總體上都呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化的態(tài)勢(shì)。由圖6（a）可以明顯地看出，相較于未加筋土，加入麥秸稈纖維后，土體的強(qiáng)度在達(dá)到峰值后并沒(méi)有出現(xiàn)急劇的下降，表明土體的抗變形能力得到了明顯地提升，這恰好也說(shuō)明了纖維在土體中發(fā)揮了連系作用，尤其是在土體強(qiáng)度到達(dá)峰值后，纖維的連系作用抑制或者減少了裂縫的產(chǎn)生，從而使得土體保持著較大的殘余強(qiáng)度。此外，雖然不同長(zhǎng)度麥秸稈的峰值強(qiáng)度有差異，但其破壞后的殘余強(qiáng)度卻是趨于一致的。從圖6（b）上可以看出，聚丙烯纖維在摻量為0.2%時(shí)，無(wú)論時(shí)峰值強(qiáng)度還是殘余強(qiáng)度，均明顯高于其他摻量的土體;未加筋土達(dá)到破壞后表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，而所有摻量加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)在達(dá)到峰值后都表現(xiàn)的較平緩，殘余強(qiáng)度均要高于未加筋土，其中0.4%摻量的聚丙烯加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)則呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化的態(tài)勢(shì)。胡小慶、唐朝生同樣得出聚丙烯纖維可以明顯地提高土體的抗裂性和殘余強(qiáng)度[26-27];其中12 mm聚丙烯的加筋效果最好，其次是19 mm聚丙烯，6 mm聚丙烯最差。璩繼立同樣認(rèn)為纖維長(zhǎng)度并非越長(zhǎng)越好[2]。這說(shuō)明了對(duì)于加筋材料的選擇，存在一個(gè)最優(yōu)的長(zhǎng)度和摻量，與麥秸稈纖維對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同的纖維加筋材料，其對(duì)應(yīng)最優(yōu)的長(zhǎng)度和摻量未必相同。圖7為未加筋土、麥秸稈纖維加筋土和聚丙烯纖維加筋土的破壞照片，可以看出纖維在土中起到了明顯的連接作用，從而抑制土體的變形。

3 結(jié)論

（1）在土中加入纖維會(huì)影響土體的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)在土中加入聚丙烯纖維時(shí)，相較于未加筋土體，土體中纖維與土顆粒咬合產(chǎn)生的摩擦力致使加筋土體的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均有所提升，同時(shí)變形模量和破壞應(yīng)變也得到了提高，減小了裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)大，表現(xiàn)出更好的強(qiáng)度特性和抗變形特性，且在聚丙烯長(zhǎng)度為12 mm，摻量為0.2%時(shí)，加筋效果最好;

（2）當(dāng)加入麥秸稈纖維時(shí)，所有工況下土體的抗壓強(qiáng)度均小于未加筋土，變形模量也相應(yīng)程度的減小，原因可能是麥秸稈的分散性不夠好，與土顆粒的接觸較少，也可能是麥秸稈吸收土中的水分同時(shí)降低自身的性能，所以沒(méi)能提高土體的強(qiáng)度和變形模量;但麥秸桿加筋可以一定程度上使土體保持較高的殘余強(qiáng)度，減小裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展，提高土體的抗變形能力。因而當(dāng)采用天然纖維進(jìn)行加筋時(shí)，有必要先對(duì)纖維進(jìn)行防腐處理。

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