四種人工合成纖維加筋黃土的抗剪特性

熊 雨，鄧華鋒，彭 萌，齊 豫，李 濤

(三峽大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

纖維加筋是一種新型的土體改良技術(shù)，通過(guò)將分散的纖維絲均勻摻入土體中，可達(dá)到提高土體的工程力學(xué)性能的目的[1]。傳統(tǒng)的加筋技術(shù)是在土體中布設(shè)土工網(wǎng)、土工布等土工合成材料來(lái)增強(qiáng)土體相關(guān)性能，但土工合成材料和土體間很容易形成軟弱夾層，影響加筋效果。纖維在土體中均勻分布，在各個(gè)方向上都能發(fā)揮加筋的作用，能夠有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)土工合成材料的不足[2]。其中，聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等人工合成纖維由于分散性好，強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)在工程中已有大量使用。

近年來(lái)，介玉新等[3]、孔玉俠等[4]、陳樂(lè)等[5]研究了聚丙烯纖維在砂土和黏土中的相關(guān)力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維能夠有效提高土體的抗剪強(qiáng)度。胡文樂(lè)等[6]、尤波等[7]、高磊等[8]通過(guò)直剪試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)等，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能提高土體的黏聚力，其試樣的破壞形式為塑性破壞。Chen等[9]、李麗華等[10]研究發(fā)現(xiàn)玻璃纖維可有效提高水泥土和砂土的抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度。胡達(dá)等[11]研究發(fā)現(xiàn)纖維素纖維能夠增強(qiáng)黏土的密實(shí)度、抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，優(yōu)化黏土破壞形態(tài)。

上述研究成果為纖維加筋土體的應(yīng)用奠定了較好的基礎(chǔ)，而且研究也發(fā)現(xiàn)不同類(lèi)型纖維材料的加筋效果存在明顯差別，但相關(guān)的成果主要側(cè)重于單一種類(lèi)纖維材料的最優(yōu)摻量及性能分析，針對(duì)多種纖維的加筋效果對(duì)比分析還很少。基于此，本文選取工程常用的幾種纖維，進(jìn)行加筋效果對(duì)比分析，并結(jié)合各類(lèi)纖維材料特性的差異分析其加筋效果及機(jī)理的差異。

2 試驗(yàn)材料

2.1 試驗(yàn)土樣

本次試驗(yàn)所用土樣為黃土，經(jīng)風(fēng)干、碾碎、過(guò)2 mm篩后獲得土料，其基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 黃土的物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of loess

2.2 試驗(yàn)纖維

根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)，選用玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維和玻璃纖維這4種工程中常用人工合成纖維作為加筋材料進(jìn)行對(duì)比分析，其物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，纖維外觀見(jiàn)圖1。

表2 不同纖維的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters ofdifferent fibers

圖1 4種纖維外觀Fig.1 Appearance of four fibers

3 試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 試驗(yàn)方案

為了對(duì)比這4種纖維對(duì)土樣抗剪強(qiáng)度的影響，本次試驗(yàn)選取的纖維長(zhǎng)度為6 mm，摻量為0.3%，控制試樣的含水率為17%，干密度為1.7 g/cm3。將各種纖維絲按干土質(zhì)量百分比0.3%的摻量摻入到素黃土中，包含素土樣共制備了5組試樣(C1—C5)進(jìn)行試驗(yàn)，各組試樣相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 試樣參數(shù)Table 3 Parameters of soil samples

3.2 試樣制備

以往的研究表明，纖維材料在土體中分布的均勻程度直接影響其加固效果，參考類(lèi)似纖維絲摻入黃土的拌和經(jīng)驗(yàn)。在試驗(yàn)中，將每個(gè)試樣所需土樣和纖維分成4份，先分開(kāi)拌和再集中拌和，然后加入適量蒸餾水配置到目標(biāo)含水率，最后裝入塑料袋中密封養(yǎng)護(hù)24 h后再進(jìn)行制樣。

3.3 直剪試驗(yàn)

本次直剪試驗(yàn)儀器為ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，四級(jí)垂直壓力為100、200、300、400 kPa。剪切結(jié)束后，分離上、下剪切盒子，取出試樣并觀察試樣的破壞情況。

4 纖維加筋效果分析

4.1 剪應(yīng)力-剪切位移曲線

圖2為素黃土和4種纖維加筋土在不同法向應(yīng)力作用下的剪應(yīng)力-剪切位移曲線。

圖2 剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線Fig.2 Curves of shear displacement versus shearstress

由圖2可以看出：①纖維加筋前后，土樣的剪應(yīng)力-剪切位移曲線形式形態(tài)基本一致，總體可分為彈性階段、屈服階段和破壞階段3個(gè)階段。②纖維加筋前，剪應(yīng)力-剪切位移曲線的彈性階段相對(duì)較短，有明顯的屈服平臺(tái)，達(dá)到峰值強(qiáng)度后，剪應(yīng)力隨著剪切位移的增加而逐漸減小，無(wú)論法向應(yīng)力的高低，曲線均呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化特征。③纖維加筋后，剪應(yīng)力-剪切位移曲線整體上移，曲線的彈性階段明顯增長(zhǎng)，斜率增大；如圖2(a)所示，在低法向應(yīng)力作用下，曲線應(yīng)變軟化特征逐漸減弱，試樣在剪切后期應(yīng)變硬化特征初顯；如圖2中的(b)、(c)、(d)所示，隨著法向應(yīng)力的增大，屈服后的峰值強(qiáng)度不明顯，逐漸呈現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

4.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

由圖2中素黃土和不同纖維加筋土的剪應(yīng)力-剪切位移曲線得到抗剪強(qiáng)度值，如表4所示。統(tǒng)計(jì)抗剪強(qiáng)度時(shí)，按照相關(guān)規(guī)范和研究經(jīng)驗(yàn)[12]，取剪應(yīng)力-剪切位移曲線上的峰值點(diǎn)或穩(wěn)定階段的值作為抗剪強(qiáng)度，無(wú)明顯峰值點(diǎn)和穩(wěn)定值時(shí)，取剪切位移為試樣直徑的1/10所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度。

為了更直觀地分析不同種類(lèi)纖維加筋對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，由表4繪制不同種類(lèi)纖維在不同法向應(yīng)力作用下的抗剪強(qiáng)度柱狀圖，如圖3所示。

表4 不同種類(lèi)纖維加筋土抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of shear strength of soil reinforcedwith different fibers

圖3 抗剪強(qiáng)度柱狀圖Fig.3 Histogram of shear strength

由表4和圖3可見(jiàn)，纖維加筋后，土樣的抗剪強(qiáng)度明顯提升，與素黃土進(jìn)行比較，在法向應(yīng)力為100 kPa時(shí)，玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維和玻璃纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度分別增加了41.01%、39.3%、34.64%、33.41%；在法向應(yīng)力為200 kPa時(shí)，分別增加了36.97%、23.75%、12.48%、17.04%；在法向應(yīng)力為300 kPa時(shí)，分別增加了33.08%、22.84%、27.56%、19.62%；在法向應(yīng)力為400 kPa時(shí)，分別增加了33.18%、26.59%、22.55%、21.77%。比較而言，玄武巖纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)效果最好，聚丙烯纖維加筋土的增強(qiáng)效果次之，聚酯纖維加筋土與玻璃纖維加筋土增強(qiáng)效果較為接近。

由素黃土及纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度得出不同纖維加筋土的黏聚力和內(nèi)摩擦角，如表5所示。

表5 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 5 Shear strength index

從表5可以看出，與素土比較，玄武巖纖維加筋土的黏聚力提高效果最大，提高幅度為52.03%；聚丙烯纖維加筋土次之，提高幅度為45.94%；玻璃纖維加筋土提高幅度為36.72%；聚酯纖維加筋土提高幅度為31.61%。就內(nèi)摩擦角而言，玄武巖纖維加筋土的增幅為24.30%；聚丙烯纖維、聚酯纖維和玻璃纖維的增幅分別為16.01%、18.55%、14.03%。比較而言，纖維的摻入對(duì)內(nèi)摩擦角的影響相對(duì)較小。

5 不同種類(lèi)纖維加筋作用機(jī)制差異分析

纖維加筋土抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效果與纖維材料對(duì)土體的增強(qiáng)機(jī)理有關(guān)。一方面是加筋后土體中分布的纖維形成纖維網(wǎng)[8]的作用；另一個(gè)方面是纖維-土界面的作用，即纖維表面與土顆粒之間的黏結(jié)力和摩擦力[13]。影響纖維-土界面作用力的因素有很多，包括纖維的表面粗糙度、長(zhǎng)度、形狀、抗拉強(qiáng)度和纖維-土界面的有效接觸面積等[14]。不同種類(lèi)的纖維由于原材料和制作工藝的不同，其纖維的外觀形態(tài)和力學(xué)性能也不同。

在控制纖維摻量、長(zhǎng)度、試樣的干密度和含水率一定的條件下，纖維加筋對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角的貢獻(xiàn)能力應(yīng)相似。但以上結(jié)果表明，不同纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度存在較大差異，這主要是由于纖維表面的粗糙度和抗拉強(qiáng)度不同所導(dǎo)致。通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)4種纖維表面的微觀特征進(jìn)行觀察，如圖4所示。玄武巖纖維是由天然玄武巖拉制的連續(xù)纖維，纖維表面進(jìn)行改性處理，使其表面粗糙，纖維表面有凸起和凹坑現(xiàn)象，如圖4(a)所示；聚丙烯纖維是以丙烯聚合得到的等規(guī)聚丙烯為原料紡制而成的合成纖維，纖維表面較光滑，如圖4(b)所示；聚酯纖維是由有機(jī)二元酸和二元醇縮聚而成的聚酯經(jīng)紡絲所得的合成纖維，屬于高分子化合物，表面光滑，橫截面為近圓形，如圖4(c)所示；玻璃纖維是由葉臘石、石英砂、石灰石、白云石、硼鈣石、硼鎂石6種礦石為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲制成，纖維表面光滑且性脆，耐磨性差，如圖4(d)所示。而且，從表2看出，聚丙烯纖維、聚酯纖維和玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度均明顯小于玄武巖抗拉強(qiáng)度。

圖4 不同纖維的SEM圖片F(xiàn)ig.4 SEM images of different fibers

不同種類(lèi)纖維加筋對(duì)黏聚力大小的影響除了與纖維表面和土體顆粒黏結(jié)力有關(guān)，還與纖維自身的抗拉強(qiáng)度有關(guān)。纖維表面越粗糙，纖維與土之間的齒合程度越大，纖維與土體間的接觸面積也增大，從而使纖維-土界面的黏結(jié)力越大。在剪切過(guò)程中，土體受到外部荷載作用將力傳遞給纖維，纖維承受拉應(yīng)力，纖維的抗拉強(qiáng)度發(fā)揮作用，提高了土體的強(qiáng)度。玄武巖纖維表面粗糙，抗拉強(qiáng)度最高，則玄武巖纖維加筋土黏聚力最大；聚丙烯纖維、玻璃纖維和聚酯纖維表面較光滑，纖維與黃土顆粒嵌合效果較差，3種纖維加筋土的黏結(jié)力大小相近，此時(shí)黏聚力的大小取決于纖維自身的抗拉強(qiáng)度，比較而言，三者的抗拉強(qiáng)度排序?yàn)榫郾├w維>玻璃纖維>聚酯纖維，則黏聚力也依次減小。

不同種類(lèi)的纖維加筋土在內(nèi)摩擦角上所呈現(xiàn)的差異性，本質(zhì)上是由于纖維表面的粗糙度改變了纖維-土界面的摩擦力。在剪切過(guò)程中，纖維-土界面發(fā)生剪切破壞時(shí)，表面較光滑的纖維與土體之間易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，纖維與土之間的摩擦力以滑動(dòng)摩擦力為主，如圖5(a)所示。由圖4中的(b)—(d)發(fā)現(xiàn)：聚丙烯纖維、玻璃纖維和聚酯纖維表面粗糙度相似，則滑動(dòng)摩擦力系數(shù)大小相似，所以三者滑動(dòng)摩擦力變化較小，這也解釋了表5中這3種纖維加筋土內(nèi)摩擦角相差不大的原因。

但是，對(duì)于表面粗糙的玄武巖纖維而言，玄武巖纖維-土界面的摩擦力要相對(duì)復(fù)雜，如圖5(b)所示，玄武巖纖維表面的凹凸不平處與土體相互咬合，發(fā)生咬合效應(yīng)，剪切過(guò)程中，纖維-土界面摩擦力除了滑動(dòng)摩擦力外，還包括咬合摩擦力。同時(shí)，玄武巖纖維由于表面粗糙，具有較高的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，玄武巖纖維-土界面的滑動(dòng)摩擦力也大于其他纖維加筋土。比較而言，玄武巖纖維加筋土的纖維-土界面摩擦力大于其它3種纖維加筋土。

圖5 纖維-土界面摩擦力示意圖Fig.5 Schematic diagram of friction at the fiber-soilinterface

總體而言，纖維加筋土的摩擦力由纖維與土、纖維與纖維、土與土之間的摩擦力組成。理論上，黃土中加入纖維后，纖維與土、纖維與纖維、土與土之間的摩擦力[15]大于素黃土的內(nèi)摩擦力。本次試驗(yàn)中纖維的摻量為0.3%，剪切面上纖維的數(shù)量小于黃土顆粒，直剪過(guò)程中土與土之間的摩擦力依然占主要比例。因此，纖維加筋對(duì)土體內(nèi)摩擦角的提高幅度相對(duì)不大。

6 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)比分析玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維、玻璃纖維4種纖維的加筋效果，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)纖維加筋前后，土樣的剪應(yīng)力-剪切位移曲線形態(tài)基本一致，但加筋后曲線的彈性階段明顯變長(zhǎng)，斜率明顯增大，而且曲線的應(yīng)變硬化特征逐漸明顯，說(shuō)明加筋后土樣抵抗變形的能力明顯增強(qiáng)。

(2)纖維加筋能夠有效提高土體的抗剪強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度指標(biāo)。比較而言，玄武巖纖維的增強(qiáng)效果最好，其對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角增幅分別為52.03%、24.30%，聚丙烯次之，聚酯纖維和玻璃纖維增強(qiáng)效果相對(duì)較差。

(3)加筋土黏聚力和內(nèi)摩擦角的提升分別與纖維-土界面的黏結(jié)力、纖維自身的抗拉強(qiáng)度、纖維-土界面之間的摩擦力有關(guān)。比較而言，玄武巖纖維表面粗糙，纖維同土顆粒間的接觸面積與滑動(dòng)摩擦系數(shù)大，加筋土的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角提升效果最明顯。