張瑞斌

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

玻璃纖維土是指利用特定的機械設備將玻璃纖維均勻加入土體中，利用玻璃纖維與土體之間的摩擦力制止土體的移位，從而實現(xiàn)土體的加固[1]。相比于一般加筋土，如編織袋、土工格柵等，玻璃纖維不僅能控制土體的水平變形，還可以有效地控制側向和豎向變形[2]。這是因為拌合后的玻璃纖維土，其纖維均勻地分布于土體中，土體利用玻璃纖維較好的抗拉性能，將自己牢牢黏聚在一起，具有各向同性的力學性質。同時，與其他纖維相比，玻璃纖維具有耐腐蝕、吸水性少、強度高、延伸率低、加工性好等特點。

國內外學者纖維土已展開了較全面的研究。Sivakumar等[3]通過研究發(fā)現(xiàn)，纖維的摻入能夠快速地提高土體的抗剪強度；Garry等[4]分析了土體應力和應變與纖維角度的關系；張旭東等[5]通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著纖維的加入，土的黏聚力、韌性和塑性均明顯改善。但目前，對玻璃纖維土的工程力學特性研究尚不全面。

本文通過室內三軸試驗對其強度及變形特性進行研究。分析了玻璃纖維摻入比、纖維長度對玻璃纖維土抗剪強度的影響；通過動三軸實驗分析了玻璃纖維土的動強度及動模量。

1 玻璃纖維土的作用機理

可用“彎曲機理”與“交織機理”來分析玻璃纖維補強土體的作用機理。彎曲機理是將摻入土體中的玻璃纖維分布形態(tài)看作連續(xù)分布的無數(shù)均勻沒有直線段的彎曲形態(tài)。當外力作用土體時，土體中玻璃纖維受拉，由于玻璃纖維為彎曲形態(tài)，其凹側對土顆粒作用壓力與摩擦力，從而對土體進行加固作用。交織機理是指大量玻璃纖維無序地分布在土體中，纖維之間存在無數(shù)的交織點，將整個纖維連接成一個統(tǒng)一的網格，當某一交織點受力時，會牽扯整個網格，就會形成一個統(tǒng)一的空間受力體。

2 玻璃纖維土的三軸試驗研究

2.1 試驗設備

a）靜三軸試驗 試驗所采用的三軸儀為SJ-1A型應變控制式，產自南京。儀器由試驗機器、壓力控制室以及測量系統(tǒng)3個部分組成，利用TSW-3進行數(shù)據(jù)采集。

b）動三軸試驗 試驗采用電磁式GDS動三軸儀，產自英國GDS公司。儀器由靜力系統(tǒng)、激振系統(tǒng)及量測系統(tǒng)組成，該儀器能夠測量小應變并自動進行數(shù)據(jù)采集。

2.2 試驗材料

本文試驗所采用的土樣為ISO標準砂，其級配良好，物理參數(shù)如表1所示。試驗所采用的玻璃纖維為無堿玻璃纖維絲，其物理參數(shù)如表2所示。

表1 砂土的物理參數(shù)指標

表2 玻璃纖維的物理參數(shù)

2.3 試驗方法

a）靜三軸試驗 試件為高200 mm、直徑100 mm的圓柱體，采用三軸不固結不排水試驗，以玻璃纖維摻入比例、纖維長度作為兩個水平因素。如表3所示，玻璃纖維摻入比分別取1%、2%、3%、4%，玻璃纖維的長度分別為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm，為使試驗得到的強度包絡線完整，取4個圍壓值，分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。

表3 玻璃纖維土的試驗工況

b）動三軸試驗 分別制作玻璃纖維摻入量為0%、2%的試件，試件為直徑70 mm、高140 mm的圓柱體。試驗時，動應力加載的頻率為0.5～5 Hz，壓力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa。將水壓加大至所需圍壓，施加動應力直到應變量達到5%，即認定試件達到破壞，試驗結束。

3 玻璃纖維土的試驗結果分析

3.1 玻璃纖維土的應力-應變曲線

通過對不同玻璃纖維摻入量、玻璃纖維長度以及不同圍壓條件下的玻璃纖維土三軸不固結不排水試驗，可得如圖1～圖3所示結果。

圖1 不同玻璃纖維摻入量下的應力-應變曲線

由圖1可知，隨著玻璃纖維長度與摻入量的增加，玻璃纖維土的可承受壓力值增加，強度逐漸增加。軸向應變小于1.8%左右時，玻璃纖維土試塊為彈性變形，當軸向應變大于3%后，玻璃纖維土試塊的應力-應變曲線趨于平緩。由圖1可以明顯看出，與無筋砂土相比，在相同軸向應變的情況下，玻璃纖維的摻入明顯限制了土體的變形，增加了土體的強度。同時，當玻璃纖維摻入量大于2%后，在受力初期，玻璃纖維土試塊的應力-應變曲線斜率就開始增加，玻璃纖維的加固作用已體現(xiàn)。工程應用中，考慮到經濟作用，可取玻璃纖維的摻入量為3%。

圖2 不同玻璃纖維長度的應力-應變曲線

由圖2可知，玻璃纖維土試塊可承受壓力值隨著玻璃纖維長度的增加而逐漸增加，當玻璃纖維長度大于10 cm后，曲線的斜率增加，玻璃纖維的加固作用明顯。在工程應用中，為使玻璃纖維拌合均勻，可取玻璃纖維長度為10 cm。

圖3 不同圍壓下的應力-應變曲線

圖3表明，玻璃纖維土試塊的強度隨著圍壓的增大而逐漸增大。另一方面，其曲線斜率也隨之增加。

3.2 玻璃纖維土的抗剪強度指標

以黏聚力、內摩擦角作為玻璃纖維的抗剪強度指標值，本試驗所用砂土的黏聚力為0，內摩擦角為38°。由摩爾庫倫應力圓方法，求得不同玻璃纖維摻入量與長度下的黏聚力與內摩擦角如表4所示。

表4 玻璃纖維土的抗剪強度相關指標

由表4可知，玻璃纖維的摻入對黏聚力的影響較大，但對內摩擦角的影響較小。

3.3 玻璃纖維土的抗剪強度分析

試驗可得玻璃纖維土抗剪強度與玻璃纖維摻入量、玻璃纖維長度的關系如圖4所示。

圖4 玻璃纖維摻入比與纖維長度的抗剪強度關系(圍壓150 kPa)

圖4為圍壓150 kPa時，玻璃纖維土試塊在不同玻璃纖維摻入量與長度下的抗剪強度曲線。由圖4可知，玻璃纖維的抗剪強度隨著玻璃纖維含量和纖維長度的增加而增加，但不同含量的增加量則不同，玻璃纖維含量從2%增加到3%時，其抗剪強度的增長幅度最大，平均達到了18%左右。摻入量由1%增加到2%時，抗剪強度的增長幅度平均為9%左右；摻入量由3%增加到4%時，抗剪強度增長幅度平均為7%左右，這是因為隨著玻璃纖維摻入量的增加，纖維與土顆粒的接觸逐漸趨于飽和。

由圖5可知，當玻璃纖維長度由5 cm增加到10 cm時，其抗剪強度的平均增長幅度最大，達到了10.1%左右。當玻璃纖維的長度大于10 cm后，抗剪強度的增長趨于平緩。

圖5 玻璃纖維長度與圍壓的抗剪強度關系（玻璃纖維摻入量3%）

3.4 動強度的提取

由動三軸試驗所得的試驗數(shù)據(jù)可以直觀看出動剪應力σd/2隨破壞周數(shù)的對數(shù)lgNf的變化規(guī)律，其中動強度為10周破壞時對應的動剪應力。不同圍壓下，玻璃纖維摻入量分別為0%、2%的破壞周數(shù)與動剪強度關系曲線如圖6、圖7所示。

圖6 玻璃纖維土的動強度曲線

由圖6可得不同圍壓下，Nf=10時，玻璃纖維土的動強度結果如表5所示。

表5 玻璃纖維土加固前后的動強度 kPa

由表5可知，相比于純砂土，摻入玻璃纖維后的砂土，其動強度平均增加了60 kPa，即提高了28.39%。另一方面，隨著破壞周數(shù)的增多，玻璃纖維土的動強度減小，但其動強度隨著圍壓的增加而增大。

3.5 動模量的提取

由動三軸試驗所得試驗數(shù)據(jù)，可得玻璃纖維土的應力-應變關系曲線如圖7所示。

圖7 動三軸試驗下的應力-應變曲線

由圖7所示應力-應變滯回曲線計算玻璃纖維土的彈性模量，如表6所示。

表6 玻璃纖維土加固前后的動模量 MPa

由表6可知，摻入2%玻璃纖維后的砂土，其動強度得到了有效的提高。這是因為玻璃纖維彎曲分布于砂土中，當玻璃纖維受拉時，摩擦力隨即產生于彎曲處，由此便產生一種抗力。另一方面，玻璃纖維交叉處產生的力會隨著整體受力的增加使玻璃纖維產生橫向位移的趨勢，而其他交織在一起的玻璃纖維便會阻止這種位移的產生，即形成一個受力新區(qū)，從而增加了玻璃纖維土的黏聚力，由τ=σtanφ+c可知，隨著黏聚力c的增大，玻璃纖維土可承受的最大剪切應力增大，從而提高了動剪切強度τd，即提高了玻璃纖維土的抗液化強度。此外，由于玻璃纖維在砂土中隨機分布，孔隙水壓力的上升從而受到阻止，土的液化即變得十分困難，從而提高了土體抗液化強度。

4 結論

a）隨著玻璃纖維長度與摻入量的增加，玻璃纖維土的可承受壓力值增加，強度逐漸增加。

b）玻璃纖維土試塊的強度隨著圍壓的增大而逐漸增大。工程應用中，建議玻璃纖維摻入量取3%，纖維長度取10 cm。

c）玻璃纖維的摻入對黏聚力的影響較大，但對內摩擦角的影響較小。

d）玻璃纖維土的抗剪強度隨著玻璃纖維含量和纖維長度的增加而增加，但不同含量的增加量則不同，玻璃纖維含量從2%增加到3%時，其抗剪強度的增長幅度最大。

e）動三軸試驗表明：玻璃纖維的摻入增大了土體的動強度，且隨著破壞周數(shù)的增多，玻璃纖維土的動強度減小，但其動強度隨著圍壓的增加而增大。