李勝男，駱亞生，嚴武慶，Samnang Phoak，尹 倩

(西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

土工加筋技術是指在土體中加入土工布等合成材料，利用其較強的延性來增加土體在動、靜荷載下的強度參數(shù)和穩(wěn)定性參數(shù)，以達到加固土體的目的[1-3]。與傳統(tǒng)意義上的加筋土不同，纖維加筋土是指纖維絲與土料按固定配比充分攪拌形成的一類高級復合土料。由于土料內(nèi)纖維的隨機分布而形成立體結(jié)構(gòu)，纖維加筋土體的性能參數(shù)有所增強[4]。眾多專家學者對纖維加筋土的改善效果、作用原理及本構(gòu)模型等方面進行了研究。高磊和劉芳[5,6]分別運用一系列三軸試驗，研究了玄武巖和玻璃兩種材質(zhì)的纖維對土的加筋效果的影響。劉寒冰、Kirar等[7,8]分別研究了纖維的摻入對粉煤灰土和砂土的動力參數(shù)的影響。唐朝生等[9,10]基于一系列掃描電子顯微鏡試驗結(jié)果，總結(jié)歸納了聚丙烯纖維加筋不同土料的纖維-土界面的微觀機理。Sadeghi和 Beigi[11]通過試驗與理論分析指出最優(yōu)纖維含量是偏應力比的冪函數(shù)，并引入函數(shù)來描述循環(huán)荷載作用下的線性應力-應變關系。Li和Ding[12]以及Ghiassian[13]分別描述了纖維加筋土的非線性動本構(gòu)模型。

綜上可知，纖維在改良土體的動力參數(shù)方面具有明顯作用，但有關玄武巖纖維加筋土動力特性方面的研究仍處于初步探索階段[14]。本文基于室內(nèi)動三軸設備提供的多組數(shù)據(jù)，分析纖維含量、含水率和圍壓對土體動應力-應變關系以及阻尼比和動彈性模量等動本構(gòu)參數(shù)的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗土料取自咸陽市楊凌區(qū)深度約5.5 m的某邊坡。該土料的天然含水率為17.5%，天然干密度為1.38 g/cm3，其余指標見表1。

表1 試驗土料的物理性質(zhì)指標

試驗材料采用玄武巖纖維，該纖維單位價格較低，力學參數(shù)和壽命參數(shù)更符合建筑要求[15]，基本理化參數(shù)見表2。

表2 玄武巖纖維的理化參數(shù)

1.2 試驗方法

本文采用固結(jié)不排水動三軸試驗方法，其數(shù)據(jù)來自雙向土動三軸試驗機。試驗荷載采用級差為10 kPa的等效正弦荷載，初始動荷載幅值為10 kPa，振次為10，計取第五或第六組循環(huán)的試驗參數(shù)，選取軸向動應變達到5%時作為破壞標準。對于同一條件下的試樣，至少做3組重復試驗，選取能代表大多數(shù)試驗結(jié)果的一組數(shù)據(jù)進行分析。具體的試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案

1.3 試樣制備

本次試驗所用試樣的干密度均為1.65g/cm3，壓實度達95%以上。為確保纖維在試樣中的分布效果，需先將干燥的纖維絲與土料均勻混合后，再噴灑去離子水，封閉保存24h，再制作試樣。試樣為高8cm、半徑3.95cm的圓柱體，采用圖1所示的制樣器通過從兩端一次壓樣成型的方法制樣，可以有效避免由分層制樣法帶來的不良影響，同時保證纖維的均勻分布。

圖1 制樣器

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 玄武巖纖維加筋土的動應力-應變關系曲線分析

圖2～圖4為玄武巖纖維加筋土和無筋土的代表性動應力-應變(σd-εd)函數(shù)曲線。曲線整體表現(xiàn)為應變硬化型，即隨著動應變的發(fā)展，動應力在振動初期迅速增大，達到某一臨界點后，增速明顯減緩并穩(wěn)定至一幅值。

2.1.1 圍壓對動應力-應變關系曲線的影響

由圖2可見，無筋土和玄武巖纖維加筋土的動應力均與圍壓呈明顯正相關。因為圍壓的存在使試樣在受荷的過程中不易發(fā)生土體顆粒間的相互錯動，限制了變形的發(fā)展。并且固結(jié)圍壓數(shù)值越大，土體顆粒-纖維界面的摩擦咬合效應越明顯，摩阻力越大，表現(xiàn)為相同動應變水平下動應力的增大。

圖2 不同圍壓條件下的σd-εd曲線

2.1.2 含水率對動應力-應變關系曲線的影響

由圖3 可知，隨著試樣的濕度降低，土體顆粒與纖維細絲間的摩擦力和黏聚力增大，即動應變保持不變時動應力增大。

圖3 不同含水率條件下的σd-εd曲線

2.1.3 纖維含量對動應力-應變關系曲線的影響

由圖4可以看出，當動應變保持一致時，玄武巖纖維加筋土的動應力整體大于無筋土的動應力，但隨著含水率和圍壓的變化，纖維含量相異的σd-εd曲線位置高低和疏密程度有較大差異。當含水率等于14%時，玄武巖纖維加筋土與無筋土在低圍壓的σd-εd曲線位置相對集中，玄武巖纖維無明顯加筋作用；而高圍壓下玄武巖纖維的摻入發(fā)揮了顯著的加筋作用，玄武巖纖維加筋土的σd-εd函數(shù)曲線明顯位于無筋土的σd-εd函數(shù)曲線之上。但對于含水率較大的試樣，隨著圍壓由低升高，不同纖維含量對應的σd-εd曲線分布由疏變密，逐漸趨于同一化，表明動荷載作用下玄武巖纖維對土體的加筋效果在小圍壓條件下更為顯著。

圖4 不同纖維含量條件下的σd-εd曲線

纖維在土體內(nèi)的加筋效應包括離散纖維的單向拉伸效應和網(wǎng)狀纖維的立體拉伸效應[16, 17]。加筋的作用由纖維和土體顆粒之間的黏結(jié)力和摩擦力決定[9,10]。當試樣含水少時，纖維-土體顆粒界面的結(jié)合水發(fā)揮主要作用。因此在較大圍壓條件下，玄武巖纖維-土體顆粒界面的摩擦及黏結(jié)作用較強，更利于纖維加筋效果的發(fā)揮。隨著試樣含水率的增加，界面黏結(jié)力的影響減弱，在豎向動荷載作用下，低圍壓條件下試樣的變形(趨勢)更為明顯，一方面，因受力而變形的纖維網(wǎng)通過立體拉筋效應來分擔外部荷載，另一方面，土體顆粒與纖維相對移動時產(chǎn)生了一定的摩阻力。因此較小的圍壓值更益于纖維對土體的加筋作用。

2.2 玄武巖纖維加筋土的動彈性模量分析

玄武巖纖維加筋土和無筋土的代表性動彈性模量-動應變(Ed-εd)函數(shù)曲線見圖5～圖7。振動前期，試樣為近彈性狀態(tài)。當塑性應變逐步發(fā)展，Ed-εd曲線急劇下降。在動應變到達臨界點之后，塑性特性占據(jù)變形的主導地位，Ed-εd曲線趨于穩(wěn)定。

2.2.1 圍壓對動彈模的影響

由圖5可知，高圍壓條件不利于土體顆粒與纖維間的相對移動，限制了塑性應變的增大，表現(xiàn)為土體的動彈模和臨界動應變的增加。

圖5 不同圍壓條件下的Ed-εd曲線

2.2.2 含水率對動彈模的影響

根據(jù)圖6，當含水率降低時，對應的動彈模增大，塑性應變發(fā)展減緩，對應的臨界動應變值增大。

圖6 不同含水率的土體的Ed-εd關系曲線

2.2.3 纖維含量對動彈模的影響

由圖7可以看出，不同條件下玄武巖纖維加筋土和無筋土的Ed-εd函數(shù)曲線均無明顯差別，表明動彈性模量與土體中摻入的玄武巖纖維含量無關。

圖7 不同纖維含量條件下的Ed-εd曲線

2.3 玄武巖纖維加筋土的阻尼比分析

阻尼比λ反映土體在周期荷載作用下能量內(nèi)耗的特性[18]。本次試驗的阻尼比繪制于圖8、圖9的λ-εd關系圖中。當含水率較大時，阻尼比先與動應變呈正相關，后趨于穩(wěn)定至最大值附近，最大阻尼比集中分布于0.10～0.24之間。

2.3.1 含水率對阻尼比影響

從圖8中λ-εd函數(shù)曲線的分布位置可以看出，增加土體中的含水率能夠起到增加阻尼比的作用。對比分析不同圍壓下的λ-εd函數(shù)曲線，當圍壓為200kPa時，將土體中的含水率由14%增大到19%，對應的阻尼比值顯著增大，當將含水率進一步增大為24%時，土體的阻尼比基本不變。當圍壓為50kPa時，將土體中的含水率由14%逐步增大為24%，對應的阻尼比先基本不變后明顯增大；100kPa圍壓下試樣的阻尼比隨含水率的增減情況介于以上兩者之間。試驗表明，對于不同圍壓條件下的玄武巖纖維加筋土試樣，對應著各自的有效含水率區(qū)間。當含水率處于區(qū)間內(nèi)時，該值的改變才會導致阻尼比的正相關變化，并且該區(qū)間的界限值與圍壓呈負相關[19]。因此，需要在考量圍壓等變量的前提下，分析比較含水率對玄武巖纖維加筋土阻尼比的作用。

圖8 不同含水率條件下的λ-εd曲線

2.3.2 纖維含量對阻尼比影響

根據(jù)圖9，相比于無筋土，玄武巖纖維加筋土的阻尼比明顯增大。當圍壓值變大時，纖維含量相異的土體阻尼比曲線漸進重合。表明試樣內(nèi)部隨機分布的柔性纖維，在動荷載下可以增加試樣的阻尼比，發(fā)揮減振效果。但圍壓值增大時，阻尼比受纖維影響的效果減弱。

2.4 玄武巖纖維加筋土動應力-應變關系的數(shù)學模型

國內(nèi)外眾多學者對土體的動本構(gòu)參數(shù)進行了研究，H-D模型因形式簡單、參數(shù)較少被廣泛使用[20]。本文基于玄武巖纖維加筋土和無筋土σd-εd函數(shù)曲線的試驗數(shù)據(jù)，對玄武巖纖維加筋土的σd-εd函數(shù)進行H-D模型擬合，并判斷其適用性的優(yōu)劣。H-D模型公式為：

(1)

以εd為橫坐標，為εd/σd縱坐標，可以將上式中雙曲線方程轉(zhuǎn)換為直線方程：

(2)

式中：M、N為σd-εd函數(shù)曲線中初始動彈性模量的倒數(shù)和最大動應力的倒數(shù)。

由表4可知，由H-D模型擬合的相關系數(shù)全部大于90%，表明玄武巖纖維加筋土的動本構(gòu)關系可以用H-D模型描述。摻入纖維后，土體的M、N值減小，并且當纖維含量相同時，試樣的圍壓越大、含水率越小，通過擬合得到的M、N值越小。

表4 土體的H-D模型參數(shù)

3 結(jié) 論

本文通過無筋土和玄武巖纖維加筋土的室內(nèi)動三軸試驗及數(shù)據(jù)分析，提出4點結(jié)論。

(1)玄武巖纖維加筋土的動應力-應變函數(shù)呈雙曲線分布，符合H-D模型的擬合結(jié)果，模型參數(shù)值與含水率呈正相關，與圍壓呈負相關，同時受纖維含量的影響。

(2)當動應變保持固定數(shù)值時，混合纖維后土體的動應力明顯增大，但不隨纖維含量的增加而線性增大，含水率和圍壓的差異也會導致試驗結(jié)果的不同：含水率較大時，圍壓值較小有利于纖維網(wǎng)減弱土體水平方向的形變量；含水率較大時，圍壓值較大有利于發(fā)揮纖維和土兩種材料之間的黏合效果。三維纖維(網(wǎng))受拉變形、纖維-土體顆粒界面的黏結(jié)作用和摩擦作用共同加強纖維對土體的加筋作用。

(3)玄武巖纖維加筋土和無筋土的動彈模與含水率呈負相關，與圍壓呈正相關，但不受纖維含量的影響。

(4)當圍壓作為自變量時，對應有不同的有效區(qū)間范圍，含水率在該范圍內(nèi)的升降才能導致試樣阻尼比的改變。在圍壓數(shù)值較小時，摻加玄武巖纖維可通過增加阻尼比，增強土體的減振性能。

因此，在研究動荷載作用下纖維對土體的動力特性的改善時，應綜合考慮含水率、纖維含量、圍壓等多種因素。

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