李沛達(dá)，駱亞生，陳箐芮，汪國剛

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

纖維作為一種常見的人工聚合材料，近年來被國內(nèi)外科研工作者置于土體內(nèi)部、表面或各種土體之間，并通過無側(cè)限抗壓試驗、直剪試驗、三軸試驗探究纖維對土體力學(xué)特性影響的規(guī)律，揭示纖維增強土體強度的機理[1-5]。

承載比（CBR）試驗是反映土體局部抗剪強度特性的試驗，其結(jié)果CBR值是評定路面材料承載能力的指標(biāo)，與常規(guī)力學(xué)試驗存在本質(zhì)區(qū)別[6]。針對承載比試驗，國內(nèi)學(xué)者已做了大量的研究工作。在CBR 試驗方法方面，朱志鐸等[7]提出CBR 試驗在實際工程中應(yīng)針對不同土質(zhì)、不同粒徑、不同試驗條件進行CBR值的修正。針對黃土大孔隙、遇水濕陷的特點，袁克闊等[8]研究了影響黃土CBR值的因素，發(fā)現(xiàn)浸水時間影響最大，擊實次數(shù)影響次之，不同地域黃土類型影響最小。李萍等[9]對石灰改良黃土CBR 試驗進行研究，發(fā)現(xiàn)初始含水量、石灰劑量、浸水時間和擊實次數(shù)對黃土與石灰土的CBR值都有影響，且黃土的CBR值對含水量變化比較敏感，石灰土的CBR值對含水量敏感性逐漸減小。武建民等[10]建議將黃土地區(qū)CBR 試驗的浸水時間調(diào)整為2 d。此外，針對其他土質(zhì)及固化劑改良土，巖土工作者們也做了相應(yīng)研究。楊和平等[11]發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)CBR 試驗方法不能真實地反映路堤填料膨脹土強度，在改進方法后發(fā)現(xiàn)某些強膨脹土也可直接用做路基填料。鄭軍等[12]進行CMSC型固化劑改良土的新型CBR 試驗，得出CMSC型固化劑對蘇北特殊軟土有明顯的改良效果。上述CBR 試驗研究從內(nèi)在機理到試驗方法，從廣義的黏性土到黃土、膨脹土，從石灰改良到固化劑改良等多個維度研究CBR值影響因素，也展示出優(yōu)異的改良效果。近年來，在“綠水青山就是金山銀山”的理念倡導(dǎo)下，實際工程對固化劑改良土體的環(huán)保性、安全性提出了更高要求。新型環(huán)保、性能優(yōu)異的無機材料玄武巖纖維[13-14]進入大眾視野。隨著一帶一路戰(zhàn)略不斷深入推進，黃土地區(qū)修建的道路工程越來越多，而玄武巖纖維加筋黃土作為路基填料的相關(guān)研究成果卻鮮見。本文通過承載比試驗，研究含水率、纖維含量與纖維長度對加筋黃土CBR值的影響規(guī)律，確定黃土地區(qū)路基填料適宜的纖維含量與纖維長度。同時在纖維含量和纖維長度一定的條件下，研究擊實次數(shù)（擊實功）和浸水時間對CBR值的影響規(guī)律，以期為實際工程中有效利用纖維改良黃土性質(zhì)提供參考依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 材料選取

試驗用土料為陜西楊凌地區(qū)黃土，經(jīng)風(fēng)干碾壓過20 mm 篩備用。其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 黃土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table1 Physical properties of loess

試驗用纖維為短切玄武巖纖維（鹽城市恒固纖維有限公司），纖維類型為束狀單絲，圓形截面，表面呈黑褐色，其物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表2 玄武巖纖維的物理力學(xué)參數(shù)Table2 Physical and mechanical parameters of basalt fiber

1.2 試驗方案及試樣制備

1.2.1 不同含水率、不同纖維含量、不同纖維長度下的承載比試驗方案

為確定最優(yōu)含水率、纖維長度及纖維含量，設(shè)計不同含水率、不同纖維含量、不同纖維長度共85組工況，如表3所示。

表3 加筋土試驗參數(shù)Table3 Test parameters of the reinforced soil samples

為確保纖維在黃土中均勻分布，制樣過程中邊混合、邊攪拌、后加水。開始階段，將纖維加入黃土中不斷均勻攪拌，直至達(dá)到試驗所需含量。然后根據(jù)設(shè)定含水率計算所需水量加入其中。最后用塑料薄膜將土樣密封完整靜置24 h 后，按照J(rèn)TG E40-2007《公路土工試驗規(guī)程》[15]中重型擊實Ⅱ-2 類別和方法，分3層，每層擊實98次，得到直經(jīng)152.0 mm、高120.0 mm的圓柱體試樣。在水中浸泡4 d 取出靜置15 min 后進行貫入試驗。

1.2.2 不同擊實次數(shù)、浸水時間下的承載比試驗方案不同擊實次數(shù)及浸水時間的承載比試驗中，試樣含水率、纖維長度、纖維含量取承載比試驗確定的最優(yōu)含水率、最優(yōu)纖維長度和最優(yōu)纖維含量。同時將素土設(shè)為對照組，共18組工況，如表4所示。

表4 不同擊實次數(shù)、浸水時間的試驗參數(shù)Table4 Test parameters of different compaction times and soaking times

1.3 試驗儀器及方法

本次試驗采用的儀器為TDJ—2 多功能電動土工擊實儀和CBR-2型加州承載比儀。承載比試驗分為浸水和貫入兩個階段，浸水過程中水面應(yīng)高出試樣頂面25.0 mm。貫入過程中，測力環(huán)系數(shù)為226.586 N/0.01 mm，貫入桿接觸面積為19.625 cm2，上覆荷載塊每塊質(zhì)量為1.25 kg，共4 塊（層）。每塊沿直徑分為2個半圓塊（共8個半圓塊），相鄰兩層沿直徑縫隙垂直放置，貫入速率為1.0 mm/min 勻速前進。當(dāng)貫入深度為2.5 mm和5.0 mm時，分別記錄測力環(huán)讀數(shù)。如果貫入量為5.0 mm時的承載比大于2.5 mm時的承載比，則試驗重做。若結(jié)果仍然如此，則采用5.0 mm時的承載比。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 擊實試驗結(jié)果及分析

根據(jù)已有研究成果可知[16]，纖維加入后會引起土體最大干密度（ρdmax）和最優(yōu)含水率（wop）發(fā)生變化，為探究纖維含量和纖維長度對其影響，進行了17組不同纖維含量和纖維長度的重型擊實試驗，結(jié)果如表5所示。由表5可知，纖維含量對最大干密度影響較大，隨著纖維含量的增加，最大干密度呈減小趨勢，而纖維長度對最大干密度影響較小。這是由于纖維的摻入改變了土體原本結(jié)構(gòu)，加之自身比重較小，摻入的纖維含量越多最大干密度越小，而纖維長度的變化只是空間狀態(tài)的改變，不會影響纖維在土體中的占比。另外，不同纖維含量和纖維長度下，加筋土最優(yōu)含水率在素土最優(yōu)含水率附近波動，但無明顯規(guī)律?？赡茉驗椋豪w維和土顆粒組成的混合土體中，影響最優(yōu)含水率的因素較多且較難控制。這里從對土顆粒重新排列有利和不利兩方面分析。不利方面：（1）玄武巖纖維是一種無機纖維，表面無羧基、羥基等極性親水基團，無法與水分子之間形成氫鍵作用力[17]。其在土體中不易分散甚至纏繞打結(jié)，影響擊實效果；（2）纖維的加入影響土顆粒間正常的點-面、邊-面、面-面接觸，顆粒間原有的結(jié)合水重新排列分布。有利方面：玄武巖纖維表明光滑，與土顆粒接觸摩擦較小，對其移動起到一定的潤滑作用。

表5 不同纖維長度及含量的擊實試驗結(jié)果Table5 Compaction test results of different fiber contents and lengths

2.2 含水率對加筋土CBR值影響及分析

為研究含水率對加筋土CBR值的影響，進行不同含水率纖維加筋土CBR 試驗。由于CBR-含水率關(guān)系曲線具有共性，因篇幅有限，選取典型曲線進行分析，圖1為20 mm 長度纖維試驗結(jié)果。由圖1可知，含水率對CBR值影響的變化過程與擊實曲線相似。隨著含水率的增大，CBR值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且CBR 峰值對應(yīng)的施工最優(yōu)含水率[18]w′op出現(xiàn)在15%附近。出現(xiàn)峰值點的原因是：此含水率條件下土顆粒表面的水膜厚度適中，土顆粒間既不會因為含水率較低、水膜較薄、摩擦力較大、影響彼此錯位滑動效果導(dǎo)致土體內(nèi)部存在大量孔隙，也不會因為含水率較高、水膜較厚、潤滑作用較強而降低土顆粒間摩擦強度。此狀態(tài)下土顆粒、纖維、土中結(jié)合水達(dá)到了良好的平衡狀態(tài)，適宜的水分利于增強土顆粒間的摩擦力，利于纖維和土顆粒充分接觸、包裹形成一維拉筋作用力，利于纖維隨機分散、互相搭接形成三維纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)[19]，此時外力引起土體發(fā)生剪切破壞需要做更多功。

圖1 含水率對纖維加筋土CBR值的影響Fig.1 Effects of moisture content on CBR value of the fiber reinforced soil

由試驗數(shù)據(jù)可知，承載比試驗CBR 峰值對應(yīng)的施工最優(yōu)含水率w′op與擊實試驗最優(yōu)含水率wop不同，前者比后者高1%～3%左右。這說明擊實試驗最優(yōu)含水率wop只能反映土體最密實狀態(tài)，不能表示土體局部抗剪強度（CBR值）的最優(yōu)含水率。施工過程中控制含水率高于最優(yōu)含水率更利于發(fā)揮路基強度。但是纖維加筋土含水率也不能過高，當(dāng)試樣含水率大于施工最優(yōu)含水率，纖維加筋土CBR值出現(xiàn)大幅降低，這一結(jié)果可能和玄武巖纖維自身特性和制樣過程有關(guān)。如前文所述，玄武巖纖維表面無羧基、羥基等極性親水基團，在水中分散性較差，在較高含水率條件下，纖維在土體中極易聚集成團分布不均，一些“薄弱區(qū)域”由于纖維較少易出現(xiàn)破壞面；同時，制樣過程中擊實錘下落和纖維接觸會出現(xiàn)“粘錘”現(xiàn)象，纖維被擊實錘“粘走”導(dǎo)致土體內(nèi)纖維分布更加不均勻，失去自身加筋作用。

2.3 纖維含量對加筋土CBR值影響及分析

圖2 纖維含量對纖維加筋土CBR值的影響Fig.2 Effects of fiber content on CBR value of the fiber reinforced soil

為研究纖維含量對加筋土CBR值的影響，控制各試樣含水率相同，進行不同纖維含量加筋土CBR 試驗。因篇幅受限，這里給出最優(yōu)含水率為15.1%條件下的試驗結(jié)果（圖2）。由圖2可知，加筋土CBR值高于素土，且在0～0.2%纖維含量區(qū)間內(nèi)增長最快。在纖維長度20 mm的條件下，纖維含量分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%時對應(yīng)的CBR值為21.34%、27.57%、26.74%、23.43%，相比素土CBR值（10.3%）分別增長107%、168%、160%、127%，試驗數(shù)據(jù)表明纖維的摻入能顯著提高試樣CBR值。其主要原因是土體在受到外力破壞過程中，素土（重塑黃土）抵抗剪切破壞的主要方式是土顆粒間的摩擦力。當(dāng)剪切力大于摩擦力時，土體發(fā)生剪切破壞。但是纖維加入土體后，在抵抗剪切破壞過程中除了土顆粒本身發(fā)揮效應(yīng)，纖維和土顆粒會發(fā)生“互動”作用，即一維拉筋作用和三維纖維網(wǎng)作用。筋土界面的黏結(jié)力、摩擦力[20]以及纖維互相搭接形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，都會增加土體抗剪強度。另外，隨著纖維含量的增加，加筋土CBR值呈先增大后減小的趨勢，CBR值峰值點對應(yīng)纖維含量為0.4%，即加筋土最優(yōu)纖維含量。當(dāng)纖維含量小于最優(yōu)含量（0.4%），加筋土CBR值隨著纖維含量的增加而增加，當(dāng)纖維含量大于最優(yōu)含量（0.4%），加筋土CBR值隨著纖維含量的增加而減小。主要是因為纖維含量和土顆?！盎印贝嬖谧顑?yōu)配比，當(dāng)纖維含量小于最優(yōu)含量（0.4%），適量的纖維發(fā)揮一維拉筋作用和三維纖維網(wǎng)作用，CBR值不斷升高直至達(dá)到峰值。當(dāng)纖維含量大于最優(yōu)含量（0.4%），過量的纖維沒有更多的土顆粒與其組成“土筋共同體”，造成其在土體中的冗余，破壞土體整體結(jié)構(gòu)。同時，多余的纖維打結(jié)成團容易在土體中形成滑動破壞面，強度不增反降。

2.4 纖維長度對加筋土CBR值影響及分析

為研究纖維長度對加筋土CBR值的影響，控制各試樣含水率相同，進行不同纖維長度加筋土CBR 試驗。因篇幅受限，這里給出最優(yōu)含水率15.1%條件下的試驗結(jié)果（圖3）。由圖3可知，隨著纖維長度的增加CBR值出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且在20 mm 纖維長度條件下CBR值出現(xiàn)峰值。在0.4%纖維含量條件下，纖維長度分別為5，10，20，40 mm時對應(yīng)的CBR值為21.16%、24.61%、27.57%、24.1%，相比素土CBR值10.3%分別增長105%、139%、168%、134%。這可能與纖維在土體中的數(shù)量（根數(shù)）以及其發(fā)揮的作用有關(guān)。當(dāng)纖維含量一定時，較短的纖維（0～20 mm）相比較長的纖維（20～40 mm）其數(shù)量（根數(shù)）越多。隨著纖維長度的增加，土顆粒和單根纖維接觸面積增大，筋土界面一維拉筋作用增強，CBR值升高。但是當(dāng)纖維長度繼續(xù)增加到某一值時（本試驗為20 mm），雖然土顆粒和單根纖維接觸面積繼續(xù)增大，一維拉筋作用增強，但是土體中纖維數(shù)量（根數(shù)）越來越少，無法形成有效的應(yīng)力傳遞纖維三維網(wǎng)，CBR值反而下降。即纖維在土體中一維拉筋作用力的增加量小于三維纖維網(wǎng)作用力的減少量。

圖3 纖維長度對纖維加筋土CBR值的影響Fig.3 Effects of fiber length on CBR value of the fiber reinforced soil

這里探討纖維含量、纖維長度對增強土體強度發(fā)揮的不同作用。筆者認(rèn)為纖維含量、纖維長度對一維拉筋作用力和三維纖維網(wǎng)作用力影響存在4個階段：（1）當(dāng)纖維含量較低，無論是較短纖維或是較長纖維，由于纖維含量較少都不足以形成空間三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，此時纖維在土體中發(fā)揮的作用主要是一維拉筋作用；（2）當(dāng)纖維含量增加到某一定值，即土體中纖維含量足以構(gòu)成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此時纖維在土體中既發(fā)揮一維拉筋作用，也發(fā)揮三維纖維網(wǎng)作用。這時，纖維長度（數(shù)量）就會影響二者作用力的大小。纖維越短數(shù)量越多，三維纖維網(wǎng)作用大于一維拉筋作用；纖維越長數(shù)量越少，一維拉筋作用大于三維纖維網(wǎng)作用；（3）當(dāng)纖維含量較高，無論是較短纖維或是較長纖維，都會在土體中形成空間三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，此時土顆粒被僅僅包裹在纖維網(wǎng)格中，三維纖維網(wǎng)作用占據(jù)主導(dǎo)；（4）當(dāng)纖維含量繼續(xù)升高，過量的纖維會在土體中冗余，影響空間纖維網(wǎng)作用，土體整體性降低，強度下降。

2.5 擊實次數(shù)對加筋土CBR值影響及分析

為研究擊實次數(shù)對加筋土CBR值的影響，控制各試樣含水率為素土最優(yōu)含水率14.8%，纖維配比為最優(yōu)長度20 mm 及最優(yōu)含量0.4%，進行不同擊實次數(shù)加筋土CBR 試驗，同時將素土作為對照組（圖4）。由圖4可知，隨著擊實次數(shù)的增加，加筋土和素土CBR值都呈增大趨勢，且相同擊實次數(shù)、相同浸水時間條件下加筋土CBR值始終大于素土。30 擊素土和加筋土浸水4 d 后CBR值分別為2.76%和6.45%；98 擊素土和加筋土浸水4 d 后CBR值分別為10.30%和27.57%，強度分別增長273%和327%。試驗數(shù)據(jù)表明，擊實次數(shù)的增加能顯著提高試樣CBR值，且纖維的加入讓這種收益變得更大。其主要原因是：（1）較大的擊實功減少土體中的孔隙，結(jié)構(gòu)變得緊密，土顆粒間的摩擦力增強；（2）較大的擊實功破壞纖維表面結(jié)構(gòu)層使其粗糙度增加摩擦系數(shù)變大，筋土界面一維拉筋作用力增大；（3）較大的擊實功壓實土體，土顆粒和纖維構(gòu)成空間整體結(jié)構(gòu)，利于發(fā)揮三維纖維網(wǎng)作用力。

圖4 擊實次數(shù)對纖維加筋土CBR值的影響Fig.4 Effects of compaction times on CBR value of the fiber reinforced soil

與較低擊實功（30～50 擊）加筋土試樣比較發(fā)現(xiàn)，較高擊實功（50～98 擊）加筋土試樣CBR值增速保持不變，而素土CBR值增速減緩。主要原因是，素土在較高擊實功（50～98 擊）條件下，土體中的孔隙較少，土顆粒之間已達(dá)充分接觸狀態(tài)，單一通過提高擊實功來提升CBR 強度已趨于極限，CBR值增速減緩。相反，加筋土憑借空間纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，在擊實功增大后整體結(jié)構(gòu)性進一步增強，受外界荷載作用后力向土體內(nèi)部、深處傳遞擴散，增強了土體抵抗局部剪切破壞的能力，CBR值繼續(xù)升高。

2.6 浸水時間對加筋土CBR值影響及分析

為研究浸水時間對加筋土CBR值的影響，控制各試樣含水率為素土最優(yōu)含水率14.8%，纖維配比為最優(yōu)長度20 mm 及最優(yōu)含量0.4%，進行不同浸水時間加筋土CBR 試驗，同時將素土作為對照組（圖5）。

圖5 浸水時間對纖維加筋土CBR值的影響Fig.5 Effects of the soaking time on CBR value of the fiber reinforced soil

由圖5可知，無論素土或是加筋土，不浸水試樣CBR值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于浸水試樣，且隨著浸水時間的增長CBR值總體呈遞減趨勢。在浸水前期階段（0～2 d）CBR值下降明顯，浸水2 d 后CBR值降幅減緩。98 擊條件下，素土和加筋土不浸水試樣CBR值分別為51.01%和65.61%，浸水2 d 后二者CBR值分別為15.27%和30.43%，強度分別降低70%和54%；浸水4 d 后二者CBR值分別為10.30%和27.57%，強度分別降低80%和58%。試驗數(shù)據(jù)表明浸水對試樣CBR值影響較大，但浸水時間對試樣CBR值影響較小，且纖維的加入使土體對浸水時間的敏感度進一步降低。其主要原因是黃土的結(jié)構(gòu)強度由土顆粒間的聯(lián)結(jié)強度和摩擦強度決定，本試樣為重塑非飽和樣，土體強度由土顆粒間的摩擦強度決定[21]。當(dāng)土體在水中浸泡后，土顆粒表面水膜逐漸增厚，潤滑作用逐漸增強，摩擦強度降低，CBR值急劇降低。但是加筋土中由于纖維的加入使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土顆粒被纖維構(gòu)成的空間網(wǎng)格牢牢束縛其中，有效限制土體遇水后結(jié)構(gòu)破壞速度，加筋土試樣的水穩(wěn)性顯著提高。

3 結(jié)論

（1）擊實試驗表明，纖維摻入后對加筋土最大干密度影響較大，且隨著含量增加最大干密度呈遞減趨勢。

（2）纖維加筋土CBR值隨含水率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，存在“施工最優(yōu)含水率”且相比擊實試驗最優(yōu)含水率高1%～3%左右，路基工程中建議選用施工最優(yōu)含水率w′op更能發(fā)揮纖維加筋土強度。

（3）探討纖維含量、纖維長度對加筋作用影響的四個階段，確定本試驗最優(yōu)配比為纖維含量0.4%，纖維長度20 mm。

（4）纖維的摻入使通過提高擊實功帶來的強度收益變得更大，98 擊素土相比30 擊素土CBR值提高273%，加入纖維后強度提升327%。

（5）浸水對試樣CBR值影響較大，浸水時間對試樣CBR值影響較小，且纖維的加入使試樣對浸水時間的敏感度進一步降低。實際工程中可通過摻入纖維增加路基填料的水穩(wěn)性。