馬福全　高建新　孫　皓　馮文泉（東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱　150040）

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·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

不同纖維長度加筋土無側(cè)限抗壓強度分析★

馬福全高建新孫皓馮文泉
（東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）

摘要：為了研究纖維加筋土體在不同纖維長度時的無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律，通過加入不同長度的聚丙烯纖維，對不同土體進行無側(cè)限抗壓強度試驗，得到三種不同土體的無側(cè)限抗壓強度值，并與各自素土的無側(cè)限抗壓強度進行比較，得到的結(jié)果為相關(guān)地區(qū)的工程實踐提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：纖維，加筋土，無側(cè)限抗壓強度，纖維長度

★：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目（項目編號：2572014CB21）；大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目（項目編號：201510225171）

0　引言

纖維土是纖維加筋技術(shù)在土工試驗中的一個重要應(yīng)用，它作為近年來一種新型的增加土體強度的技術(shù)，以其對土體整體性的增強，增大土體的強度等諸多優(yōu)良工程特性被越來越多的用于工程試驗和實際施工當中，研究土體強度并尋求增大土體強度的方法對推動纖維加筋技術(shù)的發(fā)展意義重大。

目前國內(nèi)外不少學(xué)者對于纖維種類、纖維摻量等對土體的力學(xué)性能影響已經(jīng)有一定量的研究并且取得了諸多成就，唐朝生通過改變聚丙烯纖維加筋粘性土的含沙量得到了加筋土體在不同含沙量下的無側(cè)限抗壓強度的變化規(guī)律［1］，陳輪和李廣信采用聚丙烯纖維為加筋材料在土體單軸拉伸試驗和剪切試驗中取得了較好的實驗成果［2］。但國內(nèi)基于纖維長度對不同土體無側(cè)限抗壓強度影響規(guī)律的研究相對較少，相關(guān)領(lǐng)域還不夠健全，諸多問題還沒有解決。所以本文以紅粘土、粉質(zhì)粘土、砂土為研究對象，通過加入不同長度的聚丙烯纖維的土體進行無側(cè)限抗壓強度試驗，所得的結(jié)果可為相關(guān)機構(gòu)進一步研究和實際施工提供參考依據(jù)。

1　試驗材料

1.1纖維

試驗所用的聚丙烯纖維為短切纖維，其基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　纖維物理指標

1.2土

試驗土樣為紅粘土、粉質(zhì)粘土和砂土，對試驗土樣進行基礎(chǔ)物理性質(zhì)試驗，進而得到土體物理指標。

試驗土體物理指標見表2。

表2　試驗土體物理指標

2　試驗方法

將紅粘土、粉質(zhì)粘土、砂土三種試驗土體靜置風(fēng)干，充分碾碎后過2 mm篩備用。取三種試驗土體的樣本通過擊實試驗得出不同土體的最佳含水率和最大干密度，計算加水量后在篩得備用的土體加入一定量的水配至最佳含水率，按纖維摻量為2‰的試驗土體中摻入一定量的纖維后充分攪拌均勻，然后燜料一晚后制件。無側(cè)限抗壓強度試驗試件為直徑38. 1 mm，高80 mm的圓柱土件，采用雙向靜壓壓實的方法壓制后立即采用密封保鮮膜包好進行密封，以防止水分散失［3］。采用LQ-200S型電腦全自動無級變速路強儀對所制得的無側(cè)限抗壓強度試件進行無側(cè)限抗壓強度試驗，以0. 1 mm/min的加壓速率對試件進行加載，所得實驗結(jié)果由儀器相關(guān)配套軟件計算得出［4］。

通過參考文獻［5］發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維摻量為2‰對土體有著較好的加筋效果，因此采用纖維摻量為2‰，纖維長度為3 mm，6 mm，9 mm，12 mm的試件進行試驗，并把所得結(jié)果與各自素土的無側(cè)限抗壓強度進行比較。

3　結(jié)果與分析

3.1試驗結(jié)果

對三種纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強度進行數(shù)據(jù)分析，所得結(jié)果如圖1所示。

圖1　不同纖維長度聚丙烯纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強度

由圖1可以看出纖維加筋粉質(zhì)粘土的無側(cè)限抗壓強度隨聚丙烯纖維的長度的增大先表現(xiàn)出單調(diào)遞增的趨勢，在纖維長度0 mm～6 mm時無側(cè)限抗壓強度變化較緩慢，當纖維長度為6 mm～9 mm時強度增長較為明顯且在纖維長度為9 mm時達到峰值，此后隨纖維長度的增大而出現(xiàn)大幅度遞減的趨勢。纖維加筋砂土的無側(cè)限抗壓強度隨纖維長度的增大呈現(xiàn)出遞增的趨勢，前期增加幅度較小，后期增加幅度較大，直到纖維長度增加到9 mm時增幅最大，而后隨著纖維長度的進一步增大增幅減小但強度仍在增長且在纖維長度為12 mm時出現(xiàn)最大值。纖維加筋紅粘土的無側(cè)限抗壓強度也隨纖維長度的增大表現(xiàn)出先單調(diào)增加后減小的趨勢，總體來看前期和后期強度變化幅度都不大且在纖維長度為6 mm時強度達到峰值，而后隨著纖維長度的增大強度雖有減小但仍大于素土的強度，這說明加入聚丙烯纖維對紅粘土的強度值有增加的作用。

由圖1還可以看出，纖維加筋粉質(zhì)粘土在纖維長度的水平范圍內(nèi)無側(cè)限抗壓強度變化幅度最大，最大值與最小值之間的差值為219. 58 kPa；纖維加筋砂土在纖維長度的水平范圍內(nèi)無側(cè)限抗壓強度變化幅度較大，最大值與最小值之間的差值為111. 31 kPa；纖維加筋紅粘土在纖維長度的水平范圍內(nèi)變化幅度最小，最大值與最小值之間的差值僅為37. 84 kPa。這說明加入纖維對粉質(zhì)粘土無側(cè)限抗壓強度的影響最為顯著，對砂土無側(cè)限抗壓強度的影響較為顯著，對紅粘土無側(cè)限抗壓強度的影響最小。砂土和紅粘土中摻入聚丙烯纖維后加筋土的無側(cè)限抗壓強度大于素土的無側(cè)限抗壓強度，說明在兩種土體中摻加纖維均可以提高無側(cè)限抗壓強度。

纖維加筋土體的補強機理是多因素的也比較復(fù)雜，目前，對纖維加筋土體的強度補強機理解釋主要可以概括為彎曲機理和交織機理。

彎曲機理是指纖維在土中的分布形態(tài)呈彎曲分布，直線段較少或沒有直線段，近似認為纖維加筋土體是由無數(shù)個圍繞土顆粒的彎曲段組成，當試件受到外力時，由于纖維與土的變形模量存在較大差異，纖維與土體之間將會發(fā)生相對滑動，此時纖維受拉在纖維彎曲的凹側(cè)就會產(chǎn)生對土顆粒的壓力和摩擦力，從而提高土體的抗剪強度和整體穩(wěn)定性［6］。

交織機理是指纖維在土體中是隨機各向分布的，這種無序的排布方式必然會形成很多的交織點，此時如果纖維受到拉力，交織的纖維必然會有相對位移，而其他纖維則會阻止這種位移，即任何一段纖維的變形都會引起與之交織的各個方向的纖維發(fā)生變化，土體受到整個纖維網(wǎng)絡(luò)的空間約束作用從而形成空間的受力區(qū)，這樣不僅提高了土體的強度，而且減小了土體的側(cè)向變形和豎向變形［6］。

纖維土的無側(cè)限抗壓強度隨聚丙烯纖維長度的增長先表現(xiàn)出增大的趨勢是因為纖維長度增大時，土體中纖維與纖維之間更容易交織，在纖維土拌合均勻過程中纖維彎曲段也隨之增加，纖維對土體彎曲與交織機理對土體強度的影響更為明顯，纖維不僅提高了土體強度而且限制了土體的變形，間接提高了土體的整體穩(wěn)定性，因此土體的無側(cè)限抗壓強度提高。

當纖維過長時，土體中纖維不易拌合均勻，纖維在土體中聚團抱和在一起，導(dǎo)致纖維與纖維間接觸面積過大，反而減小了纖維與土顆粒之間的接觸面積，同時土顆粒之間的摩擦系數(shù)遠大于纖維與纖維之間的摩擦系數(shù)，纖維與土顆粒之間的摩擦力和粘聚結(jié)合力都變??；另一方面由于纖維在土體中交織成團降低了交織作用和彎曲作用對加筋土體的強度增長效果，兩種因素綜合作用使土體的無側(cè)限抗壓強度隨著纖維長度進一步增大而出現(xiàn)減小的現(xiàn)象。三種土體隨著纖維長度的增長呈現(xiàn)出形態(tài)各異的變化趨勢，究其原因是因為三種土體有著不相同的物理性質(zhì)，三種土體的摩擦與粘結(jié)效果大小排序為：加筋粉質(zhì)粘土＞加筋砂土＞加筋紅粘土，土體與纖維之間的摩阻力和粘結(jié)力大小決定了彎曲機理和交織機理對土體的空間約束作用大小，當二者之間的摩擦力和粘結(jié)力較大時，纖維與土體之間的接觸面積也會增大，土體與纖維在外力作用下越不容易產(chǎn)生相對滑移，二者之間接觸的越緊密，故彎曲作用和交織作用對土體的效果越好，纖維與土體交錯形成的空間約束網(wǎng)對土體的作用也越強，進而導(dǎo)致纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強度增大。當土體與纖維之間的摩擦力和粘結(jié)力較小時，纖維和土體之間更容易產(chǎn)生相對位移，二者在外力作用下也就更容易脫離，加筋纖維土體的彎曲和交織作用的效果就沒有那么明顯，對土體的補強效果較弱，所以土體強度增加不明顯或出現(xiàn)減小的現(xiàn)象。

3.2加筋土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線分析

將三種纖維加筋土的應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)據(jù)進行處理，所得曲線如圖2所示。

圖2　不同纖維長度聚丙烯纖維加筋土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

由圖2可以分析得出，三種土體中，隨纖維長度的變化，在達到應(yīng)力最大值前纖維加筋粉質(zhì)粘土、纖維加筋紅粘土應(yīng)力—應(yīng)變曲線的變化幅度較大，纖維加筋砂土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的變化幅度較小，說明纖維長度是影響纖維加筋粉質(zhì)粘土和加筋紅粘土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的一個重要因素，而對于纖維加筋砂土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系影響不大。隨著纖維長度的增長加筋砂土的應(yīng)力應(yīng)變峰值逐漸向右上方偏移，且超過應(yīng)力峰值以后曲線的變化趨勢隨著纖維長度的變化越來越緩慢，在相同應(yīng)變的前提下應(yīng)力增大，說明在砂土中摻加適量聚丙烯纖維可以增強土體的韌性和抗變形能力。纖維加筋粉質(zhì)粘土的應(yīng)力應(yīng)變曲線隨著纖維長度的增長變化幅度較大，纖維長度為9 mm時應(yīng)力的峰值最大；纖維長度為12 mm時土體的應(yīng)力應(yīng)變曲線在應(yīng)力最大值附近變化極為緩慢，隨應(yīng)變的增長應(yīng)力變化不大，說明在該纖維長度下土體的抵抗變形的能力得到極大提高。纖維加筋砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線在土樣應(yīng)變較小時幾乎重合，超過應(yīng)力最大值以后又出現(xiàn)了較大的不同，說明纖維長度對土樣變形較小時的應(yīng)力大小影響較小，對土樣應(yīng)變較大時應(yīng)力影響較大，纖維在外力作用下的彎曲和交織作用主要在土樣試件應(yīng)變變形較大時發(fā)揮作用，此時纖維與土體纏繞形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對加筋土體的約束較強，土體內(nèi)部的相對位移較小，纖維對土體的無側(cè)限抗壓強度的補強作用也就越明顯。

4　結(jié)語

1）在紅粘土、砂土和粉質(zhì)粘土中摻加聚丙烯纖維均能提高土體的無側(cè)限抗壓強度，也能提高土體的韌性和抗變形能力。纖維加筋粉質(zhì)粘土和紅粘土的無側(cè)限抗壓強度隨纖維長度的增長都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，纖維加筋砂土的無側(cè)限抗壓強度表現(xiàn)出單調(diào)遞增的趨勢。加筋粉質(zhì)粘土的最佳纖維長度為9 mm，加筋紅粘土的最佳纖維長度為6 mm。

2）纖維長度對加筋粉質(zhì)粘土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系影響最大，對加筋砂土和加筋紅粘土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系影響較大；纖維長度對土樣應(yīng)變較小時的應(yīng)力影響較小，對土樣應(yīng)變較大時的應(yīng)力影響較大。

參考文獻：

［1］唐朝生，施斌，高瑋，等.含砂量對聚丙烯纖維加筋黏性土強度影響的研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007（S1）：2968-2973.

［2］李廣信，陳輪.纖維加筋黏性土的試驗研究［J］.水利學(xué)報，1995（6）：31-36.

［3］劉紅軍，韓春鵬.土質(zhì)土力學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2012.

［4］周國富，孫皓，馮文泉，等.不同種類纖維土無側(cè)限抗壓強度影響因素分析［J］.山西建筑，2015，41（29）：47-49.

［5］韓春鵬，唐浩桐，程培峰，等.凍融作用下纖維加筋土的抗剪強度試驗研究［J］.公路，2015（5）：166-170.

［6］朱詩鰲.土工合成材料的應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

Analysis of unconfined compressive strength of reinforced soil with different fiber length★

Ma Fuquan Gao Jianxin Sun Hao Feng Wenquan
（School of Civil Engi.，Northeast Forestry Univ.，Harbin 150040，China）

Abstract：In order to study the influence of fiber length on reinforced soil unconfined compressive strength influence factors，by adding polypropylene fiber of different lengths of the soil of unconfined compressive strength test，three kinds of different soil unconfined compression the intensity，and their soil unconfined compressive strength comparison can be concluded as follows：the results obtained from the experiments can provide reference for engineering and technical personnel and researchers in related areas.

Key words：fiber，reinforced soil，unconfined compressive strength，fiber length

中圖分類號：TU432

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0066-03

收稿日期：2016-01-17

作者簡介：馬福全（1994-），男，在讀本科生；高建新（1994-），男，在讀本科生；孫皓（1994-），男，在讀本科生；馮文泉（1994-），男，在讀本科生