馬　強， 邢文文， 李麗華， 胡　興

(湖北工業(yè)大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430068)

0　引言

在土體中使用筋材加筋可以限制土體變形，增加土體的強度[1-2]，已有的加筋土研究側重筋材加筋效果.李金和等[3]總結了近20年國內外纖維加筋土研究成果，介紹了研究纖維加筋土常用試驗和理論方法.Wu等[4]對劍麻纖維加筋土進行了三軸試驗分析，璩繼立等[5]運用直剪、無側限壓縮等試驗方法研究得到了不同棕櫚尺寸和混合方式等情況下加筋黏土的強度特性.文獻[6]研究了隨機分布聚丙烯纖維加筋土的力學性能，鄧友生等[7]利用無側限壓縮試驗研究了聚丙烯纖維對膨脹土強度的影響.盧浩[8]采用模擬試驗研究了麥稈纖維加筋邊坡在降雨侵蝕下的力學特性，表明麥稈加筋提高了土體的抗剪強度，降低了坡面土體的滲透性.施利國[9]和劉芳[10]運用三軸試驗分別研究了聚丙烯纖維和玻璃纖維加筋土的特性及加筋效果.目前，天然纖維加筋尚缺少大范圍的試驗研究，理論還不完善.張艷美等[11]試驗研究了多因素影響的土工合成纖維土補強機理.王磊[12]采用線彈性模型和劍橋模型，建立了纖維加筋土的本構模型，得到加筋土應力-應變增量表達式，并結合三軸試驗進行驗證.吳燕開[13]對劍麻纖維加筋土進行無側限抗壓試驗和直接剪切試驗，研究了隨機分布劍麻纖維加筋土力學性能.文獻[14]研究了隨機分布劍麻纖維的加筋效果，試驗表明劍麻纖維能夠增加土體的強度，提高土體的工程性質.綜上，棕麻纖維具有一定的強度和韌性，可作為加筋材料，目前關于棕麻纖維加筋的研究相對較少.

筆者通過控制纖維含量，開展不同圍壓條件下的室內不固結不排水三軸試驗，研究棕麻纖維含量對棕麻纖維加筋土強度的影響規(guī)律，分析棕麻纖維加筋砂的力學特征，并揭示其工作機理.

1　試驗材料和方法

1.1　試驗材料

試驗用砂的基本參數見表1.加筋材料為棕麻纖維，取自湖北工業(yè)大學校園內棕麻樹，通過系列拉伸試驗得到纖維軸向拉力-變形關系曲線，并對其進行均值化處理，得到棕麻纖維基本參數見表2.

表1　砂土參數

表2　棕麻纖維均值化參數

1.2　試驗方法

試驗采用TSZ-2型全自動三軸儀(南京土壤儀器廠有限公司生產)開展不固結不排水(UU)三軸試驗，加載速度為0.50 mm/min.通過控制纖維含量和圍壓來研究棕麻纖維加筋砂土的力學特性及棕麻纖維含量對加筋效果的影響.

按照《公路土工試驗規(guī)程》所述擾動土樣的

制備程序制備試驗土樣.所用加筋棕麻纖維直徑為0.1～0.6 mm，統(tǒng)一長度20 mm.棕麻纖維與砂土拌合均勻，加水攪拌，使試樣含水率為10%，然后養(yǎng)護24 h，使其含水率穩(wěn)定.最后統(tǒng)一稱取150 g土樣，采用統(tǒng)一的擊實錘從相同高度進行擊實，控制試樣的擊實度為90%，最終制得試樣尺寸為：Ф39.1 mm×70 mm.棕麻纖維取自然風干狀態(tài)，以纖維含量作為加筋試樣的控制影響因素，棕麻纖維加筋含量為其質量百分比，分別取0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%和1.6%.不同纖維含量下的各組試樣均在100、200和300 kPa進行三軸試驗，共進行24組試驗.

2　試驗結果及分析

2.1　主應力差(σ1-σ3)與軸向應變(ε1)的關系

試驗結果取試樣軸向應變≤15%的數據進行分析研究.圖1為純砂和各棕麻加筋土的主應力差與軸向應變的關系曲線.

圖1　主應力差值與軸向應變關系曲線Fig.1　(σ1-σ3) vs. ε1 of reinforced sand

由圖1可以看出：①試樣的主應力差與軸向應變關系曲線呈現(xiàn)應變硬化現(xiàn)象；②在應變<2%時，不同圍壓下的應力-應變曲線很接近，但隨著應變逐漸增加，不同圍壓下的試樣主應力差與軸向應變關系曲線的距離逐漸拉開且不斷增加,并在應變大于10%后趨于穩(wěn)定，說明圍壓對于主應力差的影響在應變較大時較為顯著；③試樣峰值主應力差值隨著棕麻纖維摻量的增加而有所提升，說明纖維含量影響加筋土的強度和抗變形能力；④與純砂相比，加入棕麻纖維后加筋土的強度均增加，且棕麻纖維加筋土的峰值主應力差值隨著纖維含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；⑤棕麻纖維含量為1.2%時，加筋土的峰值主應力差值提高最大，加筋效果達到最佳狀態(tài).

2.2　加筋土的抗剪強度

在100、200和300 kPa的圍壓下分別進行試驗，根據多組試驗得其均值繪制均值摩爾應力圓和相應的應力圓包線.圖2為棕麻纖維含量為0.6%的加筋土及純砂的摩爾應力圓和強度包線.

圖2　加筋土及純砂的強度包線Fig.2　Mohr envelope of reinforced sand and pure sand

從圖2可以看出，棕麻纖維加筋土的抗剪強度較純砂有所提高，棕麻纖維加筋土的黏聚力和內摩擦角均有所增加.

表3為不同棕麻纖維含量的土體黏聚力和內摩擦角數值.與純砂相比，棕麻纖維加筋土的黏聚力和內摩擦角均有所提高，但黏聚力增加較大，內摩擦角增加較小.

2.3　主應力差(σ1-σ3)與棕麻纖維含量的關系

圖3為峰值主應力差值與棕麻纖維含量關系曲線.由圖3可以看出,峰值主應力差隨著棕麻纖維含量的增加先增加后減小，并且存在峰值，即存在最佳棕麻纖維含量，本次試驗測得最佳棕麻纖維含量為1.2%.當砂土中棕麻纖維含量較小時，隨著棕麻纖維含量的增加，纖維與砂土之間的

表3　抗剪強度指標

圖3　主應力差值與棕麻纖維含量關系曲線Fig.3　Relationships between (σ1-σ3) and flax fiber

接觸面積不斷增加，它們之間的摩擦阻力也隨之不斷增加，棕麻纖維充分發(fā)揮其加筋作用,于是主應力差值較純砂增加，并且該值隨著棕麻纖維含量的增加而增大，直到達到峰值.當棕麻纖維含量超過峰值時，由于棕麻纖維含量過多，使得棕麻纖維在土體內堆積，不能與砂土充分接觸從而發(fā)揮加筋作用，并且形成了一定的“隔斷層”，破壞了土體的整體性，從而表現(xiàn)出峰值主應力差值增幅隨著棕麻纖維含量增加而下降的現(xiàn)象.

2.4　棕麻纖維加筋土補強機理分析

棕麻纖維加筋砂土的補強機理可結合彎曲交織機理和纖維在土中的狀態(tài)解釋[11]，圖4為彎曲與交織機理示意圖，圖5為棕麻纖維隨機分布示意圖.

圖4　彎曲機理與交織機理示意圖Fig.4　Bending intercrossing

試樣在擊實狀態(tài)下顆粒之間孔隙被壓縮，顆粒主要以面面接觸為主.當原土中摻入棕麻纖維時，纖維加強了顆粒之間的粘結，有效約束了土顆粒的變形和位移，增加了加筋土的黏聚力，從而提高加筋土的抗剪強度.當摻入量較低時，棕麻纖維在土中以圖5(a)和(b)形式較均勻分布，呈現(xiàn)

不相交或者局部相交的狀態(tài)，此時棕麻纖維加筋的效果主要表現(xiàn)為纖維加強了土體顆粒之間的粘結，纖維受拉增強加筋土的抗剪強度.當摻入量在最佳摻入量附近時，棕麻纖維在土中以圖5(c)形態(tài)分布為主，此時纖維相互交錯，形成網狀結構，進一步形成局部加強體，增加土樣的整體性，且纖維之間相互約束，交織處受到外力作用產生位移趨勢時，相鄰其它纖維可阻止這種趨勢，使得外力能夠在纖維之間疊加傳遞，各個方向的纖維都能承受拉力，實現(xiàn)力的分解，促進試樣中內力的重分布，充分發(fā)揮纖維的加筋作用.當摻量超過最佳摻入量時，與之前的較低摻量相比，纖維在土體中的分布明顯變得不均勻，如圖5(d)所示，部分纖維在土體中局部集中，沒有跟土顆粒接觸，并且形成了一定的“隔斷層”，破壞了土體的整體性，從而降低抗剪強度.

3　結論

通過控制纖維含量，開展不同圍壓條件下的室內不固結不排水三軸試驗，分析棕麻纖維含量對加筋土強度的影響規(guī)律，得到以下結論：

(1)棕麻纖維作為加筋材料，可以提高砂土的強度和抗變形能力，并且這種補強效果在軸向應變較大時比較明顯；

(2)棕麻纖維加筋土的黏聚力和內摩擦角較純砂都有所增加，但黏聚力增幅較大，內摩擦角增幅較小，符合摩擦加筋理論和準黏聚力理論；

(3)加筋土抗剪強度隨棕麻纖維含量的增加先增大后減小，并存在峰值，峰值對應最佳纖維含量，筆者得到棕麻纖維最佳含量為1.2%；

(4)棕麻纖維與土體之間的摩擦阻力和纖維形成的纖維網格對土體的空間約束作用提高了加筋土的抗剪強度.

參考文獻：

[1]張衛(wèi)東，王振波，何衛(wèi)忠.凍融循環(huán)作用下橡膠自密實混凝土力學性能研究[J].鄭州大學學報(工學版), 2017,38(2):78-82.

[2]申俊敏,張軍,趙建斌. 土工格柵加筋橋頭相鄰路堤的受力分析與計算[J].鄭州大學學報(工學版),2014, 35(2): 28-31.

[3]李金和,郝建斌,陳文玲. 纖維加筋土技術國內外研究進展[J].世界科技研究與發(fā)展, 2015,37(3):319-325.

[4]WU Y K,LI Y B,NIU B.Assessment of the mechanical properties of sisal fiber-reinforced silty clay using triaxial shear tests[J]. The scientific world journal, 2014(13): 1-9.

[5]璩繼立,俞漢林,江海洋. 棕櫚絲與麥秸稈絲加筋土無側限抗壓強度比較[J].地下空間與工程學報,2015,11(5):1216-1220.

[6]PRADHAN P, KAR R, NAIK A. Effect of random inclusion of polypropylene fibers on strength characteristics of cohesive soil [J]. Geotechnical and geological engineering,2012,30(1): 15-25.

[7]鄧友生,吳鵬,趙明華.基于最優(yōu)含水率的聚丙烯纖維增強膨脹土強度研究[J].巖土力學,2017,38(2):349-353.

[8]盧浩,晏長根,楊曉華.麥稈纖維加筋土對黃土邊坡抗沖刷的試驗研究[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2016,39(12):1671-1675.

[9]施利國,張孟喜,曹鵬.聚丙烯纖維加筋灰土的三軸強度特性[J].巖土力學,2011，32(9):2721-2728.

[10] 劉芳,孫紅,葛修潤.玻璃纖維土的三軸試驗研究[J].上海交通大學學報,2011,45(5):762-766.

[11] 張艷美,張旭東,張鴻儒.土工合成纖維土補強機理試驗研究及工程應用[J].巖土力學，2005,26(8):1323-1326.

[12] 王磊,朱斌,李俊超.一種纖維加筋土的兩相本構模型[J].巖土工程學報，2014,36(7):1326-1333.

[13] 吳燕開,牛斌,桑賢松.隨機分布劍麻纖維加筋土力學性能試驗研究[J].水文地質工程地質,2012,39(6):77-81.

[14] PRABAKAR J, SRIDHAR R S. Effect of random inclusion of sisal fiber on strength behavior of sand[J]. Construction and building materials, 2002,16(2): 123-131.