蔡華南 申俊敏 趙建斌 顧光斗 胡幼常

（1.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063；

2.山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)險(xiǎn)室 太原 030006）

我國(guó)東北、西北、中西部等廣大地區(qū)普遍分布著黃土覆蓋層，因此這些地區(qū)大量采用黃土修筑公路等土工結(jié)構(gòu)物，其中面臨的主要問(wèn)題是黃土壓實(shí)困難，路堤填土的抗剪強(qiáng)度低，工后沉降大，容易造成路堤的破壞［1－2］。之所以如此，主要原因在于黃土顆粒細(xì)、松散。如果在黃土中加入纖維，則有望解決這一根本問(wèn)題?；诖耍P者特對(duì)纖維加筋黃土（簡(jiǎn)稱纖維黃土）的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為工程建設(shè)服務(wù)。

將連續(xù)的纖維絲或者有一定長(zhǎng)度的短纖維絲采用機(jī)械、氣壓或水壓等方式隨機(jī)地?fù)饺氲酵馏w中，即可形成纖維土。纖維土是廣義上的加筋土，其作用機(jī)理也類似于加筋土，但與其他土工合成材料加筋形成的加筋土有所不同的是，纖維土具有一般加筋土沒(méi)有的近似各向同性的力學(xué)性質(zhì)以及良好的工程性能［3］。目前，纖維土技術(shù)已應(yīng)用于多種土木工程中，如擋土結(jié)構(gòu)、路堤、以及路基的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等。

有關(guān)纖維土的研究和應(yīng)用，始于20 世紀(jì)70年代。在1973～1976年，法國(guó)道橋中心和瑞士Battle學(xué)院合作，對(duì)短纖維與砂的混合物進(jìn)行了研究。纖維土的試驗(yàn)研究大多仍集中于砂土，關(guān)于黏性土的試驗(yàn)較少［4］。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，考慮到工程造價(jià)問(wèn)題，土料多就地取材，因此有必要擴(kuò)大研究范圍。清華大學(xué)李廣信等［5］從80年代即開(kāi)始對(duì)纖維加筋黏性土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，包括抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、極限拉應(yīng)變、斷裂韌度、抗水力劈裂、抗沖刷性等多個(gè)方面。張旭東等［6］研究了棉質(zhì)纖維加筋砂黏土力學(xué)特性。唐朝生等［7］分析了聚丙烯纖維加固軟土的效果和機(jī)制。近年來(lái)長(zhǎng)江科學(xué)院和華南理工大學(xué)對(duì)南水北調(diào)中線工程膨脹土的纖維加筋問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)研究［8］。但是對(duì)于纖維黃土的研究還不多。

本文對(duì)纖維黃土進(jìn)行了一系列直剪試驗(yàn)，主要探討了纖維摻量、壓實(shí)度、含水率等對(duì)纖維黃土抗剪性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)材料

黃土取自內(nèi)蒙古某高速公路工地，最大干密度為1.96g／cm3，最佳含水量為10.9%。采用聚丙烯短絲纖維，其抗拉強(qiáng)度561 MPa，彈性模量4133 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率46.3%，平均直徑34.57 μm，平均長(zhǎng)度6mm。

1.2 試驗(yàn)方案

為了研究纖維摻量對(duì)纖維黃土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，制作纖維含量分別為m＝0.1%，0.3%和0.5%，壓實(shí)度分別為K＝88%，92%和96%組合工況下的多組纖維黃土試樣。為了對(duì)比，還制作了相同條件下的素黃土試樣。上述所有試樣的含水率w 都等于黃土的最佳含水率10.9%。

同時(shí)為了探討含水率對(duì)纖維黃土抗剪強(qiáng)度的影響，還制作了壓實(shí)度K＝92%，含水率分別為w＝8.9%，10.9%和12.9%，纖維摻量均為m＝0.3%的3組纖維黃土試樣和相同情況下的素黃土對(duì)比試樣。

對(duì)上述所有試樣先后在直剪儀上完成了直剪試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 剪應(yīng)力－剪位移關(guān)系

圖1是壓實(shí)度為88%的素黃土及纖維黃土的剪應(yīng)力－剪位移曲線。

圖1 K＝88%，w＝10.9%剪應(yīng)力－剪位移關(guān)系

圖1a）表明素黃土呈弱應(yīng)變軟化特征；纖維摻量m＝0.1%的纖維黃土均表現(xiàn)為微應(yīng)變軟化（圖1b）；m＝0.3%的纖維黃土，在低法向壓力下為微應(yīng)變硬化（圖1c），而在高法向壓力下則為微應(yīng)變軟化；m＝0.5%的纖維黃土恰好相反，在低法向壓力下為微應(yīng)變軟化，而在高法向壓力下則表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特性（圖1d）。所以纖維摻量較高時(shí)，可以使黃土的抗剪特性發(fā)生根本性的變化，即從應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型，這對(duì)于提高黃土的韌性，增強(qiáng)其抵抗大變形的能力是十分有利的。

2.2 纖維摻量和壓實(shí)度對(duì)纖維黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

按公路土工試驗(yàn)規(guī)程［9］關(guān)于抗剪強(qiáng)度的取值規(guī)定，剪位移小于6mm 范圍內(nèi)出現(xiàn)剪應(yīng)力峰值的取該峰值作為其抗剪強(qiáng)度，否則取剪位移為6 mm 對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為其抗剪強(qiáng)度。由此得到不同條件下素黃土和纖維黃土的抗剪強(qiáng)度線如圖2所示。由圖2確定的素黃土及纖維黃土的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ 見(jiàn)表1。

圖2 素黃土及纖維黃土的抗剪強(qiáng)度線

表1 不同工況下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

由表1可見(jiàn)，相同壓實(shí)度下，纖維的摻入以及摻入量的多少對(duì)黃土的內(nèi)摩擦角影響規(guī)律性不強(qiáng)，影響也不明顯，但對(duì)黏聚力卻有較直觀的影響，這與大多數(shù)纖維加筋土的試驗(yàn)結(jié)果相類似。當(dāng)壓實(shí)度相等時(shí)，纖維黃土的黏聚力普遍高于素黃土，但纖維摻入量較低時(shí)（m＝0.1%），兩者的黏聚力相差并不大，說(shuō)明摻入的纖維太少時(shí)，對(duì)黃土的抗剪強(qiáng)度影響不大。而當(dāng)纖維摻入量達(dá)到0.3%之后，作用就很明顯。當(dāng)纖維摻量從0增加到0.5%時(shí)，壓實(shí)度88%，92%和96%土樣的黏聚力分別提高了69.95%，64.29%和28.61%。

圖3反映了壓實(shí)度對(duì)素黃土及纖維黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律，從中可以看出，素黃土和纖維摻量相同的纖維黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨壓實(shí)度的提高都有顯著的增長(zhǎng)。因此在實(shí)際工程中，應(yīng)盡量提高素黃土或纖維黃土的壓實(shí)度。

圖3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與壓實(shí)度的關(guān)系

2.3 含水率對(duì)纖維黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

表2是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理出的不同含水率下素黃土和纖維黃土（纖維摻量m＝0.3%）的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ，圖4是這2個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率的變化曲線。從表2和圖4可知，素黃土和纖維黃土的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ 都因含水率的增大而明顯下降，而且下降的速率基本相同。說(shuō)明素黃土和纖維黃土的強(qiáng)度對(duì)含水率都很敏感，二者對(duì)水的敏感度基本相同。

因此，當(dāng)采用黃土或纖維黃土填修筑路基時(shí)，一方面應(yīng)盡量提高其壓實(shí)度，使其孔隙體積減小，降低其飽和含水率，從而提高水穩(wěn)性；另一方面必須做好路基路面排水防滲方案的設(shè)計(jì)，施工中盡早完成排水及防滲設(shè)備的施工，以盡可能地減少水滲入路基。

表2 不同含水率試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值

圖4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率的關(guān)系

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)和對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得到以下主要結(jié)論。

（1）纖維摻量較高時(shí)，可以使黃土的抗剪特性發(fā)生根本性的變化，即從應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型。

（2）纖維的摻入以及摻入量的多少對(duì)黃土的內(nèi)摩擦角影響不大，但對(duì)黏聚力卻有較大影響。然而，當(dāng)纖維摻入量較低時(shí)，黏聚力提高的幅度也并不大，因此摻入的纖維太少時(shí)，對(duì)黃土的抗剪強(qiáng)度起不到多大的作用。而當(dāng)纖維摻入量達(dá)到0.3%之后，作用就很明顯，并且纖維黃土的黏聚力隨纖維摻量增大而顯著提高。

（3）素黃土和纖維摻量相同的纖維黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨壓實(shí)度的提高都有顯著的增長(zhǎng)。因此在實(shí)際工程中，應(yīng)盡量提高素黃土或纖維黃土的壓實(shí)度。

（4）素黃土和纖維黃土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ 都因含水率的增大而明顯下降，而且下降的速率基本相同。

3.2 建議

當(dāng)采用黃土或纖維黃土填修筑路基時(shí)，一方面應(yīng)盡量提高其壓實(shí)度，從而提高其水穩(wěn)性；另一方面必須做好路基路面排水防滲設(shè)計(jì)，盡早完成排水及防滲設(shè)備的施工，并確保其施工質(zhì)量，以盡可能地減少水滲入路基。

［1］徐 實(shí).濕陷性黃土地基鐵路路基工后沉降規(guī)律研究［J］.蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（4）：58－62.

［2］丁智勇，劉紹寧，彭 波，等.路用纖維瀝青性能的研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2007，31（5）：827－830.

［3］張艷美，張旭東，張鴻儒.土工合成纖維土補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2005，26（8）：1323－1326.

［4］包承綱，丁金華.纖維加筋土的研究和工程應(yīng)用［J］.土工基礎(chǔ)，2012，26（1）：80－83.

［5］李廣信，陳 輪，鄭繼勤，等.纖維加筋黏性土的試驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，1995（6）：31－36.

［6］張旭東，戰(zhàn)永亮，張艷美.纖維土強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究［J］.路基工程，2001（1）：36－38.

［7］唐朝生，施 斌，蔡 奕，等.聚丙烯纖維加固軟土的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2007，28（9）：1796－1800.

［8］包承綱.土工合成材料應(yīng)用原理與工程實(shí)踐［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

［9］JTJ E40－2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2007.