纤维含量及长度对纤维加筋土强度的影响研究

胡小庆，洪 柳，徐光黎，杨 新，蒋国武

（1.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074；2.建研地基基础工程有限责任公司天津滨海新区分公司，天津 300061；3.湖北华亚建设工程有限公司，湖北 武汉 430080）

随着工程建设的发展，铁路、公路路堤稳定性越来越受到重视，工程实践中人们开始注重对路堤土体承载力、抗剪强度和土壤渗透性等方面的改良。化学添加剂（如水泥或石灰）虽然能明显提高土体的性能，但会使土壤具有高硬度和脆性。实践证明，在土壤中添加纤维也是一种能改良土体性能的有效方法。如李云峰等［1］通过在水泥土中添加纤维来改善水泥土的抗拉性能；Temel等［2］研究表明纤维的加入能减少砂土的脆性，使残余强度衰减较少。纤维加筋土路堤边坡与传统护坡相比，具有造价低廉、易于施工、对环境无污染的优点，加筋后的路堤边坡可以适当提高边坡坡度，节约了用地，也不影响后期边坡的绿化，是一项值得推广的技术。此外，与传统土工材料相比，聚丙烯纤维具有随机分布的特点，纤维分布的随机性限制了某些软弱破坏面的发展，因此其在路堤土体加固工程中的应用越来越受到重视。

关于纤维含量及长度对纤维加筋土强度影响方面的试验，前人做了很多研究。如Tang等［3］对三种含量的聚丙烯短纤维对水泥土强度和力学作用机理进行了研究，结果表明纤维能提供无侧限抗压强度和抗剪强度；柴寿喜等［4］对稻草加筋盐渍土抗压强度、抗剪强度及应力应变进行了研究，并选择适宜的加筋长度和加筋率；聂影等［5］研究了不同根系拌合长度和拌合量对根系复合土强度和变形的影响，结果都表明加筋含量和筋材长度对土体的延展性有一定的促进作用。但目前关于聚丙烯纤维加筋土的加筋设计方面的研究还较少见。鉴于此，本文选取纤维长度和纤维含量两个参数进行无侧限抗压强度试验和直剪试验，以应力应变、无侧限抗压强度、抗剪强度和抗剪强度指标为考察指标，对不同纤维含量和纤维长度的土样的加筋效果进行了对比，试图从中找出最优纤维含量和加筋长度，为类似纤维加筋路堤边坡工程设计提供依据。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验用原料土为粉质黏土，黄褐色，硬塑状态，最大干密度为1.51g／cm3，容重为18.1kN／m3，塑性指数为15，最优含水量为19%。试验采用的聚丙烯纤维直径为0.018～0.065 mm，密度为0.91 g／cm3，抗拉强度大于450 MPa，弹性模量大 于3.5×103MPa。

1.2 制样条件和试验方法

1.2.1 试样制备

根据李敏等［6］对稻草加筋土试验研究得出的适宜加筋长度和纤维含量，选取纤维掺量a（也称纤维含量）占风干土重量（纤维长度）分别为0.1%、0.2%、0.3%，加筋长度（纤维长度）分别为1.5cm、2cm、2.5cm，并制备不加筋原料土作为对照组。本试验制备两种规格土样：一种用于无侧限抗压强度试验，为高度8cm、直径3.91cm 的土柱；另一种用于直剪试验，为高度2cm、直径6.18cm 的土饼。

1.2.2 试验方法

无侧限抗压强度试验轴向应变速度控制为每分钟应变2%，每隔0.25%应变读数一次。直剪试验采用固结快剪法，分别在50kPa、100kPa、200kPa、300kPa 4种不同垂直应力下进行，并且以12r／min转速匀速转动手轮。

表1 各组土样的纤维长度和纤维含量Table 1 Serial number and content of each soil sample

2 无侧限抗压强度试验结果及分析

2.1 纤维对土体抗变形能力的影响

纤维加筋土样和未加筋土样的无侧限抗压强度试验应力-应变曲线如图1所示。图1（a）、（b）、（c）中选取纤维长度L 分别为1.5cm、2.0cm、2.5cm，纤维含量a 分别为0%、0.1%、0.2%、0.3%，研究纤维含量对应力-应变曲线的影响。由图1（a）、（b）、（c）可见，与未加筋土样（a=0%）相比，加筋后的土样抗变形能力得到很大提高，加筋土与原料土应力-应变曲线均呈应变软化特征，但加筋后的土样软化特征得到明显的改善，并且随着纤维含量的增加，曲线的差别逐渐加大；当纤维长度L 为2.5cm时，基本已经逐渐接近应变硬化型［见图1（c）］；当纤维含量a为0.2%和0.3%时，轴向最大应力相差不大。

图1 纤维长度和纤维含量对土样应力-应变曲线的影响Fig.1 Impacts of fiber length and fiber content on the stress-strain curve of the soil samples

图1（d）中选取纤维含量a 为0.2%，纤维长度L 分别为1.5cm、2.0cm 和2.5cm，当轴向应变为1.5%时，未加筋土样的曲线开始出现转折，而加筋土样随着轴向应变增大，轴向应力继续增长，当纤维加筋土样达到峰值强度后，轴向应变均为2%，随着轴向应变继续增大，3个加筋土样应力-应变曲线几乎保持平行。这说明只有在轴向应力达到一定程度时，纤维的加筋效果才得以发挥。随着纤维长度的增加，土样的峰值强度和残余强度增大幅度相同，均能使土体保持较高的残余强度。

该应力-应变曲线很好地验证了纤维对土体力学性能的改良效果。对于加筋土样，其应力-应变规律均表现为当轴向应变达到2%时曲线开始衰减，说明纤维含量对加筋土样承受最大轴向应力时的轴向应变没有影响；随着轴向应变的增加，加筋土样的轴向应力出现小幅度衰减，而未加筋土样轴向应变达到1.5%时轴向应力即开始衰减，曲线基本呈抛物线型。这是因为纤维的加入延缓了裂缝的发展，限制了土体的变形，含量较高、长度较长的纤维起到了连接土体各个部分的作用，防止局部裂缝的发展，从而提高了土体强度。

2.2 纤维对土体抗压强度的影响

图2 纤维含量对土样无侧限抗压强度的影响Fig.2 Impact of fiber content on of the unconfined compressive strength of soil samples

图3 纤维长度对土样无侧限抗压强度的影响Fig.3 Impact of fiber length on the unconfined compressive strength of soil samples

对于加筋土样取轴向应变2%所对应的轴向应力作为无侧限抗压强度，原料土取轴向应变1.5%所对应的轴向应力作为无侧限抗压强度进行无侧限抗压强度试验，纤维含量和纤维长度对土体无侧限抗压强度的影响见图2和图3。由图2可见，随着纤维含量的增加，土样无侧限抗压强度的增长几乎呈抛物线，当纤维含量为0.2%时，其抗压强度达到最大值，纤维含量超过0.2%后，曲线基本与坐标轴平行，这说明纤维含量在0.2%以内加筋效果明显。由图3 可见，不加筋土样无侧限抗压强度为190 kPa，随着纤维长度的增加，土样无侧限抗压强度呈线性增加，加纤维后的土样抗压强度得到明显提高，并且随着纤维长度的增加，土样无侧限抗压强度还能进一步提高。

3 直剪试验结果及分析

3.1 纤维对土体抗剪强度的影响

本试验选取剪应力峰值作为抗剪强度，将抗剪强度与垂直压力的关系进行拟合（见图4），得到土样的内聚力c和内摩擦角φ，见图5和图6。

纤维长度和纤维含量对提高纤维加筋土的抗剪强度有重要作用［7］。由图4可知，与未加筋土样抗剪强度对比，加筋后土样抗剪强度得到明显提高。图4（a）中，当纤维长度较短（L=1.5cm）时，同一垂直压力下不同纤维含量的土样抗剪强度增长较小，拟合直线间差别较小；图4（b）中，当纤维长度较长（L 为2.5cm）时，加筋土样与未加筋土样抗剪强度增长较明显，同一垂直压力下不同纤维含量的土样抗剪强度差别较大，这说明对提高土体抗剪强度而言，只有当纤维长度达到一定值时，纤维的加筋效果才明显；图4（c）为纤维含量a为0.1%时，不同纤维长度加筋土样与未加筋土样垂直压力与抗剪强度的关系，可见纤维长度L 为1.5cm 与L 为2.0cm 的差别不大，当L 为2.5cm 时，土样的抗剪强度大幅度增长，加筋效果明显，并且这种差别随着纤维含量增加而逐渐增大［见图4（d）］。

3.2 纤维对土体抗剪强度指标的影响

本文对土体抗剪强度指标（内聚力c和内摩擦角φ）随纤维含量的变化规律采用多项式进行拟合，其拟合结果见图5和图6。

由图5可见，纤维含量对加筋土样的内聚力影响较大，随着纤维含量的增加，土样内聚力c值逐渐增加。当纤维长度L 为1.5cm、纤维含量a 为0.1%时，比未加筋土样内聚力c值增加了30%，而当纤维含量从0.1%增加到0.2%时，c 值增加了14.6kPa，纤维含量从0.2%增加到0.3%时，c值增加了6.4kPa，可见纤维含量为0.2%时加筋土样内聚力c值增加最明显。纤维长度对加筋土样的内聚力也产生很大影响，当纤维含量为0.2%，纤维长度从1.5cm 增加到2cm 时，内聚力c 值增加了6 kPa，纤维长度从2cm 增加到2.5cm 时，内聚力c值增加了15.6kPa，显然纤维长度为2.5cm 时加筋土样内聚力c值增加最明显。

图4 土样抗剪强度与垂直压力的关系图Fig.4 Relationship between the shear strength of soil samples and vertical pressure

由图6可见，纤维含量和纤维长度对加筋土样内摩擦角的影响较小。当纤维长度L 为1.5cm、纤维含量a为0.1%时，加筋土样与未加筋土样相比，仅使其内摩擦角增加了1.6°，随着纤维含量的增加，加筋土样的内摩擦角变化幅度为4%～5%。

图5 土样内聚力c随纤维含量a 的变化曲线Fig.5 Variation curves of cohesion with fiber contents

图6 土样内摩擦角φ随纤维含量a 的变化曲线Fig.6 Variation curves of internal friction angle with fiber contents

综上可见，纤维含量对土体抗剪强度指标内聚力影响较大，而对内摩擦角影响不大，基本符合准内聚力原理［8］。随着纤维含量的增加，土体内聚力会逐渐增加，当纤维含量为0.2%时，土体内聚力的增长幅度最大，此时的加筋效果最好，因此0.2%为纤维的最优含量。可见，对土体抗剪强度而言，纤维长度越长，纤维含量的影响也越明显。由图5可知，纤维长度为2.5cm 时，对土体内聚力的增长效果最明显，因此纤维最优长度为2.5cm。

4 结论

纤维含量和纤维长度对土体抗压强度、应力应变和抗剪强度均有影响。本文通过开展纤维加筋土无侧限抗压强度试验和直剪试验，得到如下结论：

（1）纤维对限制土体侧向变形有抑制作用，土体加筋后峰值强度和残余强度均有提高。纤维含量越高，土体残余强度衰减越小，应力-应变曲线越趋于应变硬化型；而纤维长度对应力-应变曲线基本形状没有影响。

（2）纤维含量为0.2%时，土体抗压强度增长幅度最大；纤维含量超过0.2%时，土体抗压强度随纤维含量增加不发生变化。纤维长度为2.5cm 的加筋土的抗压强度最大，随着纤维长度的增加土体抗压强度还能进一步增长。

（3）纤维的加入对土体内聚力的影响较大，对内摩擦角的影响较小，符合准内聚力原理。纤维含量为0.2%、纤维长度为2.5cm 时，土体内聚力的增长效果最显著。

（4）纤维长度和纤维含量对土体抗剪强度均有影响，纤维长度越长，纤维含量对土体抗剪强度的影响越明显，两者对土体抗剪强度共同发挥加筋作用。纤维长度对纤维加筋土的加筋效果将在后续试验中进行研究。

［1］李云峰，李志国，郑刚.纤维水泥土力学性能试验研究［J］.建筑科学，2004（6）：56-60.

［2］Temel Y，Omer S.A study on shear strength of sands reinforced with randomly distributed discrete fibers［J］.Geotextiles and Geomembranes，2003，21：103-110.

［3］Tang C，Shi B，Gao W，et al.Strength and mechanical behavior of short polypropylene fiber reinforced and cement stabilized clayey soil［J］.Geotextiles and Geomembranes，2007，25：194-202.

［4］柴寿喜，石茜.加筋长度和加筋率下的稻草加筋土强度特征［J］.解放军理工大学学报（自然科学版），2012（6）：646-650.

［5］聂影，陈晓红，付征耀，等.生态护坡根系纤维土强度和变形特性实验研究［J］.铁道工程学报，2011（7）：6-8.

［6］李敏，柴寿喜，王晓燕，等.以强度增长率评价麦秸秆加筋盐渍土的加筋效果［J］，岩土力学，2011，32（4）：1051-1056.

［7］吴燕开，牛斌，桑贤松.随机分布剑麻纤维加筋土力学性能试验研究［J］.水文地质工程地质，2012（6）：77-81.

［8］欧阳仲春.现代土工加筋技术［M］.北京：人民交通出版社，1991.