牛 雷 吳占君 畢蘇紅

（吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

纖維加筋是將分散的纖維均勻摻入到土體之中，使土體的工程力學(xué)性能得到改善和提高[1-4]，已大量應(yīng)用在土木工程中。纖維加筋土作為一種優(yōu)良的巖土工程材料，研究其力學(xué)特性已成為巖土界重要的研究?jī)?nèi)容。纖維加筋具有良好的應(yīng)用效果[5-7]。吳遠(yuǎn)成[8]等通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維能有效地改良土體，起到良好的抗拉斷裂的效果，在工程中的應(yīng)用有著重要參考價(jià)值。胡其志等[9]的研究結(jié)果表明，黏土中摻加棕櫚纖維后強(qiáng)度增加明顯，在 12mm的筋材長(zhǎng)度和0.8%的加筋量組合下加筋效果最優(yōu)，與素土相比，加筋后強(qiáng)度提高27%。陳志波等[10]加入纖維可有效提高土體的抗剪強(qiáng)度，纖維加筋土的增強(qiáng)機(jī)理與纖維含量有關(guān)，較小的纖維含量對(duì)土體孔隙率影響不大，加筋土以土骨架為基礎(chǔ)；當(dāng)纖維含量較大時(shí)，孔隙率明顯增大。趙佳愉等[11]通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)不同長(zhǎng)度椰絲纖維加筋土體的抗剪強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力的增加呈線性增加趨勢(shì)，符合摩爾-庫(kù)倫定律的基本規(guī)律。Estabragh等[12]用隨機(jī)分布的尼龍纖維來(lái)加固軟土，通過(guò)三軸試驗(yàn)研究尼龍纖維含量的加筋效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)添加纖維可提升天然土壤的剪切強(qiáng)度和摩擦角，且隨著纖維含量的增加，預(yù)固結(jié)壓力降低并且膨脹和壓縮系數(shù)增加。白琨等[13]通過(guò)試驗(yàn)得到玄武巖纖維最佳摻量下，加筋土的劈裂抗拉強(qiáng)度值相比水泥土增加了87%。周帥[14]等研究結(jié)果表明，苧麻纖維能很好地提高試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。蘆葦[15]等通過(guò)試驗(yàn)表明，纖維摻量和長(zhǎng)度越大，漿體流動(dòng)性越低，而纖維長(zhǎng)度與收縮率無(wú)明顯相關(guān)性。吳瑞潛[16]等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著凈法向應(yīng)力的增大，土體的剪應(yīng)力-剪切位移曲線由軟化型逐漸向硬化型轉(zhuǎn)化，纖維長(zhǎng)度L為12mm的加筋土樣表現(xiàn)出的剪切硬化特性最明顯。李騫[17]等發(fā)現(xiàn)與純砂土相比，加入改性材料和秸稈纖維后，降低了土體滲透性，增加了土體的粘聚力，內(nèi)摩擦角基本保持不變。

目前的研究大多集中在纖維土體的力學(xué)性能，對(duì)纖維在土體中的微觀結(jié)構(gòu)分析尚不充分。為此，本文將玻璃纖維摻入到長(zhǎng)春地區(qū)低液限黏土（呈黃色）中，探究纖維對(duì)同一種土加固效果的影響規(guī)律；同時(shí)，通過(guò)電鏡掃描對(duì)纖維在土體中的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自吉林省長(zhǎng)春市凈月區(qū)某施工場(chǎng)地，土樣呈黃色。風(fēng)干土含水率為4.19%，液限為40.91%，塑性指數(shù)為24.84。玻璃纖維的主要性能指標(biāo)如表1所示，纖維外觀如圖1所示。

圖1 玻璃纖維

表1 纖維的主要性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

將不同長(zhǎng)度的玻璃纖維分別按不同質(zhì)量比摻入到土中，纖維長(zhǎng)度分別為3mm、6mm、9mm、12mm，質(zhì)量比分別為0、0.10%、0.30%、0.50%和0.70%。

1.3 試樣制備

試樣制作采取分次制樣方法，以確保纖維的均勻分布，試樣用土拌制完成后密封養(yǎng)護(hù)24h，使土樣中的水分充分與土融合。隨后分次加入到壓實(shí)模具中，從而得到高80mm，直徑39.1mm的試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 玻璃纖維摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

不同長(zhǎng)度的玻璃纖維加入土中均可提高土體強(qiáng)度，當(dāng)長(zhǎng)度相同時(shí)，纖維的不同摻量對(duì)土體強(qiáng)度的提高程度不同。不論是何種長(zhǎng)度、何種摻量，與素土相比，強(qiáng)度均有提高，由此可得，摻加玻璃纖維可提高土體強(qiáng)度。

圖2為加筋材料為玻璃時(shí)，不同纖維摻量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。圖中曲線表示在特定的長(zhǎng)度下，不同纖維摻量無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律的圖形，通過(guò)圖像及數(shù)據(jù)分析得：各纖維摻量的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與素土相比，在4種纖維摻量下，當(dāng)纖維長(zhǎng)度為3mm時(shí)，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較素土分別增加了17.84%，13.83%，44.09%，31.03%。最大值發(fā)生在摻量0.5%，增幅達(dá)到了44.09%。當(dāng)纖維長(zhǎng)度為6mm 時(shí)，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增加了50.30%，40.48%，60.92%，41.08%，最大值發(fā)生在摻量0.5%，增幅達(dá)到了60.92%。當(dāng)纖維長(zhǎng)度為9mm時(shí)，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增加了79.96%，62.73%，83.77%，78.96%，最大值發(fā)生在0.5%，增幅達(dá)到了83.77%。當(dāng)纖維長(zhǎng)度12mm 時(shí)，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增加了14.23%，11.42%，19.44%，13.23%，最大值發(fā)生在0.5%，增幅達(dá)到了19.44%，由此可以得出：當(dāng)纖維長(zhǎng)度一定時(shí)，加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加呈現(xiàn)先增大再減小再增大再減小的折線趨勢(shì)，但加筋土始終大于素土，其中在纖維摻量為0.5%時(shí)，加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，由此可見(jiàn)，當(dāng)長(zhǎng)度一定時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在摻量0.5%時(shí)達(dá)到最優(yōu)。

圖2 不同纖維摻量加筋土強(qiáng)度變化規(guī)律曲線

2.2 玻璃纖維長(zhǎng)度對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

玻璃纖維加筋土不同長(zhǎng)度的變化規(guī)律如圖3所示。圖3中曲線表示在特定的摻量下，不同纖維長(zhǎng)度無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律的圖形，通過(guò)圖像及數(shù)據(jù)分析得：各纖維長(zhǎng)度的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與素土相比，在4種纖維長(zhǎng)度下，當(dāng)纖維摻量為0.1%時(shí)，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較素土分別增加了17.84%，50.30%，79.96%，14.23%，最大值發(fā)生在9mm時(shí)，增幅達(dá)到79.96%。當(dāng)纖維摻量為0.3%時(shí)，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增加了13.83%，40.48%，62.73%，11.42%。最大值發(fā)生在9mm 處，增幅達(dá)到62.73%。當(dāng)纖維摻量為0.5%時(shí)，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增加了44.09%，60.92%，83.77%，19.44%，最大值發(fā)生在9mm處，增幅達(dá)到83.77%，當(dāng)纖維摻量0.7%時(shí)，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增加了31.06%，41.08%，78.96%，13.23%。最大值發(fā)生在9mm處，增幅達(dá)到了78.96%。由此可以得出：當(dāng)纖維摻量一定時(shí)，加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著纖維長(zhǎng)度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但加筋土強(qiáng)度始終大于素土強(qiáng)度，其中在纖維長(zhǎng)度為9mm時(shí)，加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，超過(guò)9mm后出現(xiàn)下降，由此可見(jiàn)，當(dāng)纖維摻量一定時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在纖維長(zhǎng)度9mm時(shí)達(dá)到最優(yōu)。

圖3 玻璃纖維長(zhǎng)度對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 玻璃纖維對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響

以玻璃纖維9mm，摻量0.5%為例，得到不同垂直壓力下，纖維加筋土與素土的抗剪強(qiáng)度對(duì)比曲線如圖4所示。由圖4可知，不論垂直壓力大小，玻璃纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度始終大于素土的抗剪強(qiáng)度，以此可驗(yàn)證玻璃纖維不論加入多少均可提高土體的強(qiáng)度。

圖4 不同垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度

玻璃纖維加筋土與素土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如表2所示。由表可知，加入纖維后，粘聚力增加，說(shuō)明玻璃纖維可提高土體的粘聚力，內(nèi)摩擦角降低，但降低較小，說(shuō)明玻璃纖維加入與否對(duì)內(nèi)摩擦角影響不大。

表2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

3 電鏡分析

加筋土界面的抗剪強(qiáng)度由界面摩擦力和界面黏聚力構(gòu)成，本文通過(guò)電鏡掃描對(duì)纖維加筋土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。纖維在土體中的分布情況如圖5所示。由圖5可知，纖維在土中分布情況較為分散，由于纖維的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于土體的強(qiáng)度，土顆粒緊緊包裹著纖維，土體本身強(qiáng)度加上纖維強(qiáng)度，增強(qiáng)了纖維加筋土的強(qiáng)度。但纖維若是摻量過(guò)多，試樣中土體對(duì)纖維的包裹出現(xiàn)不均勻情況，纖維出現(xiàn)集束，增強(qiáng)效果出現(xiàn)下降，但始終大于素土強(qiáng)度。

圖5 纖維分布情況

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本課題結(jié)論如下：

（1）玻璃纖維能提高土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，保持纖維長(zhǎng)度不變，纖維加筋土的強(qiáng)度均隨纖維摻量的增加而呈波浪式變化，有兩個(gè)峰值，前峰值略小于后峰值，纖維最優(yōu)摻量均為0.5%。

（2）摻入玻璃纖維，可提高土體的抗剪強(qiáng)度，無(wú)論在何種垂直壓力下均可提高抗剪強(qiáng)度，在抗剪強(qiáng)度指標(biāo)方面，纖維的加入可提高粘聚力但對(duì)內(nèi)摩擦角無(wú)明顯影響。

（3）通過(guò)電鏡掃描可知，纖維在土體中分布均勻，土體包裹纖維，增強(qiáng)土體的強(qiáng)度，纖維摻量過(guò)多時(shí)，纖維在土體中會(huì)出現(xiàn)集束現(xiàn)象，使得纖維增強(qiáng)土體的效果下降，但纖維加筋土的強(qiáng)度始終大于素土強(qiáng)度。