纤维加筋黄土抗剪特性研究＊

2013-07-10蔡华南申俊敏赵建斌顾光斗胡幼常

交通科技 2013年3期

蔡华南申俊敏赵建斌顾光斗胡幼常

（1.武汉理工大学交通学院武汉 430063；

2.山西省交通科学研究院黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实险室太原 030006）

我国东北、西北、中西部等广大地区普遍分布着黄土覆盖层，因此这些地区大量采用黄土修筑公路等土工结构物，其中面临的主要问题是黄土压实困难，路堤填土的抗剪强度低，工后沉降大，容易造成路堤的破坏［1－2］。之所以如此，主要原因在于黄土颗粒细、松散。如果在黄土中加入纤维，则有望解决这一根本问题。基于此，笔者特对纤维加筋黄土（简称纤维黄土）的抗剪强度进行试验研究，以期为工程建设服务。

将连续的纤维丝或者有一定长度的短纤维丝采用机械、气压或水压等方式随机地掺入到土体中，即可形成纤维土。纤维土是广义上的加筋土，其作用机理也类似于加筋土，但与其他土工合成材料加筋形成的加筋土有所不同的是，纤维土具有一般加筋土没有的近似各向同性的力学性质以及良好的工程性能［3］。目前，纤维土技术已应用于多种土木工程中，如挡土结构、路堤、以及路基的稳定结构等。

有关纤维土的研究和应用，始于20 世纪70年代。在1973～1976年，法国道桥中心和瑞士Battle学院合作，对短纤维与砂的混合物进行了研究。纤维土的试验研究大多仍集中于砂土，关于黏性土的试验较少［4］。但在实际工程应用中，考虑到工程造价问题，土料多就地取材，因此有必要扩大研究范围。清华大学李广信等［5］从80年代即开始对纤维加筋黏性土的力学性质进行了试验研究，包括抗剪强度、抗拉强度、极限拉应变、断裂韧度、抗水力劈裂、抗冲刷性等多个方面。张旭东等［6］研究了棉质纤维加筋砂黏土力学特性。唐朝生等［7］分析了聚丙烯纤维加固软土的效果和机制。近年来长江科学院和华南理工大学对南水北调中线工程膨胀土的纤维加筋问题进行了试验研究［8］。但是对于纤维黄土的研究还不多。

本文对纤维黄土进行了一系列直剪试验，主要探讨了纤维掺量、压实度、含水率等对纤维黄土抗剪性能的影响规律。

1 试验简介

1.1 试验材料

黄土取自内蒙古某高速公路工地，最大干密度为1.96g／cm3，最佳含水量为10.9%。采用聚丙烯短丝纤维，其抗拉强度561 MPa，弹性模量4133 MPa，断裂伸长率46.3%，平均直径34.57 μm，平均长度6mm。

1.2 试验方案

为了研究纤维掺量对纤维黄土抗剪强度的影响规律，制作纤维含量分别为m＝0.1%，0.3%和0.5%，压实度分别为K＝88%，92%和96%组合工况下的多组纤维黄土试样。为了对比，还制作了相同条件下的素黄土试样。上述所有试样的含水率w 都等于黄土的最佳含水率10.9%。

同时为了探讨含水率对纤维黄土抗剪强度的影响，还制作了压实度K＝92%，含水率分别为w＝8.9%，10.9%和12.9%，纤维掺量均为m＝0.3%的3组纤维黄土试样和相同情况下的素黄土对比试样。

对上述所有试样先后在直剪仪上完成了直剪试验。

2 试验结果及分析

2.1 剪应力－剪位移关系

图1是压实度为88%的素黄土及纤维黄土的剪应力－剪位移曲线。

图1 K＝88%，w＝10.9%剪应力－剪位移关系

图1a）表明素黄土呈弱应变软化特征；纤维掺量m＝0.1%的纤维黄土均表现为微应变软化（图1b）；m＝0.3%的纤维黄土，在低法向压力下为微应变硬化（图1c），而在高法向压力下则为微应变软化；m＝0.5%的纤维黄土恰好相反，在低法向压力下为微应变软化，而在高法向压力下则表现出明显的应变硬化特性（图1d）。所以纤维掺量较高时，可以使黄土的抗剪特性发生根本性的变化，即从应变软化型转变为应变硬化型，这对于提高黄土的韧性，增强其抵抗大变形的能力是十分有利的。

2.2 纤维掺量和压实度对纤维黄土抗剪强度指标的影响

按公路土工试验规程［9］关于抗剪强度的取值规定，剪位移小于6mm 范围内出现剪应力峰值的取该峰值作为其抗剪强度，否则取剪位移为6 mm 对应的剪应力作为其抗剪强度。由此得到不同条件下素黄土和纤维黄土的抗剪强度线如图2所示。由图2确定的素黄土及纤维黄土的粘聚力c和内摩擦角φ 见表1。

图2 素黄土及纤维黄土的抗剪强度线

表1 不同工况下的抗剪强度指标

由表1可见，相同压实度下，纤维的掺入以及掺入量的多少对黄土的内摩擦角影响规律性不强，影响也不明显，但对黏聚力却有较直观的影响，这与大多数纤维加筋土的试验结果相类似。当压实度相等时，纤维黄土的黏聚力普遍高于素黄土，但纤维掺入量较低时（m＝0.1%），两者的黏聚力相差并不大，说明掺入的纤维太少时，对黄土的抗剪强度影响不大。而当纤维掺入量达到0.3%之后，作用就很明显。当纤维掺量从0增加到0.5%时，压实度88%，92%和96%土样的黏聚力分别提高了69.95%，64.29%和28.61%。

图3反映了压实度对素黄土及纤维黄土抗剪强度指标的影响规律，从中可以看出，素黄土和纤维掺量相同的纤维黄土的黏聚力和内摩擦角随压实度的提高都有显著的增长。因此在实际工程中，应尽量提高素黄土或纤维黄土的压实度。

图3 抗剪强度指标与压实度的关系

2.3 含水率对纤维黄土抗剪强度指标的影响

表2是根据试验数据整理出的不同含水率下素黄土和纤维黄土（纤维掺量m＝0.3%）的粘聚力c和内摩擦角φ，图4是这2个强度指标随含水率的变化曲线。从表2和图4可知，素黄土和纤维黄土的粘聚力c和内摩擦角φ 都因含水率的增大而明显下降，而且下降的速率基本相同。说明素黄土和纤维黄土的强度对含水率都很敏感，二者对水的敏感度基本相同。

因此，当采用黄土或纤维黄土填修筑路基时，一方面应尽量提高其压实度，使其孔隙体积减小，降低其饱和含水率，从而提高水稳性；另一方面必须做好路基路面排水防渗方案的设计，施工中尽早完成排水及防渗设备的施工，以尽可能地减少水渗入路基。