膨脹土纖維加筋的強(qiáng)度特性機(jī)理研究

陳朝陽，于炎成，王冰

（1.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 230001；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

膨脹土研究日新月異[1-4]，加固理論主要有摩擦加筋理論[5]和準(zhǔn)粘聚力理論[6]。國內(nèi)外學(xué)者對加筋理論進(jìn)行了大量的研究[7-9]。介玉新、李廣信曾經(jīng)把纖維加筋土當(dāng)成復(fù)合材料進(jìn)行研究，利用素土的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型來計(jì)算纖維加筋土的應(yīng)力和變形。Zornberg[10]通過試驗(yàn)和理論計(jì)算提出了通過評價(jià)纖維和土體界面強(qiáng)度以及土體強(qiáng)度來計(jì)算纖維加筋土等效強(qiáng)度的方法。對纖維加筋效果的影響因素較多，纖維的種類、長度、表面粗糙程度、土體的含水率和干密度等都是重要的影響因素[11-12]。

本文基于纖維加筋土的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探究纖維加筋對土體強(qiáng)度及變形改良機(jī)理，對江淮分水嶺地區(qū)膨脹土的處治問題具有一定的借鑒意義。

1 三軸試驗(yàn)結(jié)果

不同試驗(yàn)參數(shù)下的土樣三軸實(shí)驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表1?？梢钥闯?，纖維加筋土的黏聚力最大為95 kPa（加筋率為0.5%呈0°分布），黏聚力最小為72 kPa（素土）。內(nèi)摩擦角最大為22.29°（加筋率為0.5%呈0°分布），最小為17.22°（素土）。纖維的摻入對膨脹土黏聚力的影響范圍要大于對土體內(nèi)摩擦角的影響范圍。

2 纖維加筋土強(qiáng)度影響因素分析

2.1 纖維分布角度對加筋土強(qiáng)度的影響

100 kPa圍壓下不同黃麻纖維摻加量的應(yīng)力(σ1-σ3)——應(yīng)變(ε)曲線如圖1所示。可以看出，膨脹土中摻入黃麻纖維可以有效增強(qiáng)土體的強(qiáng)度，黃麻纖維的摻加角度對土樣抗剪強(qiáng)度有顯著影響。

圖1 不同纖維摻加量應(yīng)力(σ1-σ3)—應(yīng)變(ε)圖

2.2 纖維摻加量對加筋土強(qiáng)度的影響

在直角坐標(biāo)圖中以黃麻摻加量為橫坐標(biāo)，土樣破壞時(shí)對應(yīng)的(σ1-σ3)為縱坐標(biāo)進(jìn)行繪制散點(diǎn)圖，繪制不同的圍壓下(100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa)，土樣破壞時(shí)對應(yīng)的(σ1-σ3)與黃麻纖維摻量之間的關(guān)系，圖2所示為300 kPa圍壓下對應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看出，黃麻纖維在圖中呈各種角度分布的情況下，隨著纖維摻加量的增加，(σ1-σ3)均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，當(dāng)摻加量為0.5%時(shí)加筋效果最為顯著，0.2%和0.8%摻加量下的加筋效果幾乎持平。

圖2 300kPa圍壓下纖維摻加量-(σ1-σ3)關(guān)系圖

2.3 纖維分布角度對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

本次試驗(yàn)中，黃麻纖維的摻加角度對土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有顯著的影響，以纖維的摻加量為橫坐標(biāo)，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ為縱坐標(biāo)，分別繪制散點(diǎn)圖，如圖3所示。

圖3 纖維摻加角度對黏聚力指標(biāo)的影響

黏聚力的分布范圍為72 kPa到95 kPa之間，各纖維摻加量下，纖維分布的各種角度對黏聚力的增強(qiáng)效果從高到低依次為0o、30o、隨機(jī)均勻分布、60o、90o。隨著纖維摻加量的增加，土體黏聚力先增加后減小，纖維摻加量為0.5%時(shí)黏聚力增加幅度最大。當(dāng)纖維分布角度為90o，纖維摻加量為0.2%和0.8%時(shí)，黏聚力與素土基本相同。加筋土內(nèi)摩擦角的分布范圍為17.22o到22.29o之間，纖維分布角度的影響同對黏聚力的影響基本相同。通過對比可知，纖維摻加角度對黏聚力的影響范圍要大于對內(nèi)摩擦角的影響范圍。

2.4 纖維摻加量對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

以橫坐標(biāo)為纖維分布角度，縱坐標(biāo)為黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ分別繪制散點(diǎn)圖，可以量化研究纖維摻加量對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。

從圖4中可以看出，對于內(nèi)摩擦角來說，0.5%纖維摻加量時(shí)的內(nèi)摩擦角與0.2%和0.8%纖維摻加量時(shí)的內(nèi)摩擦角基本相同，提高幅度不大。其對黏聚力影響趨勢如內(nèi)摩擦角的影響趨勢，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，0.2%纖維摻加量和0.8%纖維摻加量下黏聚力和內(nèi)摩擦角的擬合曲線基本重合，偶有交叉。黏聚力的變化范圍為72 kPa-95 kPa；內(nèi)摩擦角的變化范圍為17.22°-22.29°。0.5%纖維摻加量時(shí)的黏聚力較0.2%和0.8%纖維摻加量時(shí)的黏聚力有較大幅度的提高，各種摻加角度下的提高幅度基本相同。綜上可見，纖維摻加量對土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響基本符合內(nèi)聚力原理。

圖4 纖維摻加量對內(nèi)摩擦角φ指標(biāo)的影響

3 加筋機(jī)理分析

纖維加筋膨脹土的微觀機(jī)理取決于纖維表面與土中顆粒表面的物理力學(xué)作用，主要表現(xiàn)為摩擦力和黏聚力。摩擦力主要由膨脹土和黃麻纖維的物理力學(xué)性質(zhì)、纖維-土顆粒之間的摩擦系數(shù)、土體級配等因素決定，黏聚力主要由土體和纖維的物理力學(xué)性質(zhì)、土中黏粒和膠結(jié)物質(zhì)含量等因素決定。

黃麻纖維加筋土在擊實(shí)的過程中，原本處于拉直狀態(tài)下的黃麻纖維被擊為波形狀態(tài)，試驗(yàn)表明，形狀產(chǎn)生波形變形的黃麻纖維，其表面將會變得更加粗糙，這將有利于纖維表面和土體界面摩擦力的提高，黃麻纖維和土體之間咬合摩擦力的出現(xiàn)，進(jìn)一步改善了筋/土界面力學(xué)特征，纖維增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的效果更加顯著。

4 結(jié)論

①改變黃麻纖維在膨脹土中的分布角度，可以不同程度的提高土體的抗剪特性。綜合來看，黃麻纖維在土中呈不同角度分布的加筋效果從高到低依次為0°、30°、隨機(jī)均勻分布、60°、90°。

②黃麻纖維的摻加量對纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度有一定的影響?？傮w上來說，纖維對膨脹土抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效果隨著纖維增加量的增加先增大后減小。試驗(yàn)中當(dāng)黃麻摻加量為0.5%時(shí)土體的抗剪強(qiáng)度增加最多，摻加量為0.2%和0.8%時(shí)的加筋效果均要低于0.5%時(shí)的加筋效果。結(jié)果表明，纖維摻加量存在一個(gè)最優(yōu)值，最優(yōu)值下加筋效果達(dá)到最大。

③黃麻纖維增強(qiáng)膨脹土體強(qiáng)度特性的微觀機(jī)理主要取決于纖維和土顆粒界面之間的摩擦力和黏聚力。當(dāng)剪切過程中土顆粒之間的互鎖能力增強(qiáng)，筋/土界面抵抗剪切的能力也就越強(qiáng)。纖維在壓實(shí)過程中的塑性變形和彎曲變形有利于纖維增強(qiáng)土體強(qiáng)度效果的發(fā)揮。