聚丙烯纤维土受力性能试验研究

孙 舒,袁学锋,李福林,王月华

（1.泰州职业技术学院建筑工程学院,江苏泰州 225300；2.中国矿业大学力学与建筑工程学院,江苏徐州 221006)



聚丙烯纤维土受力性能试验研究

孙 舒1,袁学锋1,李福林2,王月华1

（1.泰州职业技术学院建筑工程学院,江苏泰州 225300；2.中国矿业大学力学与建筑工程学院,江苏徐州 221006)

摘 要：为了解决由煤层采动和重载车辆导致的路基砂土大变形问题,依据三轴压缩试验,研究了4种纤维长度和4种纤维掺量下砂土的强度和抗变形能力。结果表明:纤维土的应力-应变关系近似呈双曲线关系,主要破坏形式为鼓胀破坏；纤维土的力学性能随纤维掺量和长度的增加而增大,但对内摩擦角影响很小。最后在试验基础上通过1stOpt进行多因素回归分析得到黏聚力与纤维长度和掺量的拟合公式,并通过与实测值比较,认为其能够满足工程需要。

关键词：纤维土；路基砂土；变形性能；三轴压缩试验；黏聚力

2016,33（02):71-73,79

1 研究背景

煤层开采和重型超载车辆会使采动区公路产生非常严重的破坏。纤维加筋技术是通过在土体中随机掺入离散的纤维丝或网片形成一种土工复合材料的方法。纤维均匀地分布在土体中,在各个方向上都能起到加筋作用,可显著提高土体的强度和抗变形能力。李宏波等［1］认为聚丙烯纤维的掺入可以提高粉砂土的抗剪强度。柴寿喜等［2］依据抗压实验和三轴压缩实验研究不同长度和加筋率对盐渍土力学性能的影响。王德银等［3］从微观的角度探讨纤维的增强机理,认为低含水率和高密实度条件有利于发挥纤维拉筋效果。沈圆顺等［4］采用室内试验分析了影响纤维土力学性能的主要因素。

本文拟采用聚丙烯纤维对砂土进行改善力学性能的试验研究,通过控制纤维长度和掺量进行三轴试验来分析对土强度的影响,以期为道路工程应用提供参考。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

本次试验选用ISO标准砂,加筋纤维采用聚丙烯纤维丝,其物理力学性能参数分别见表1,表2。由击实试验得出砂土的最佳含水量为9.2%,最大干密度为1.93 g/ cm3。

表1 ISO砂土的物理参数Table 1 Physical properties of ISO sand

表2 聚丙烯纤维物理力学性能指标Table 2 Physical and mechanical properties of polypropylene fibre

2.2 试样的制备

按试验方案的纤维掺加比例和长度的要求,称取所需要的纤维和标准砂在拌和机上干拌至均匀,再对标准砂进行烘干,最后按规范要求在三轴仪上制作试样,本次试验中试样直接为101 mm,高度为200 mm。

2.3 三轴压缩试验

为了比较纤维掺量（0.1%,0.2%,0.3%,0.5%)和纤维长度（5,10,15,20 cm)对砂土的影响,分17组试验,每组4个试件。在96%压实度的条件下,围压分别为50,100,150,200 kPa时进行不固结不排水试验。试验应变速率为0.828 mm/ min,破坏标准按照峰值强度或15%轴向应变确定。试验设备选用TSZ30-2.0型三轴仪和配套TSW-3数据采集系统。

3 试验结果分析

3.1 纤维对试件变形的影响

无筋砂土在三轴试验中的破坏形式基本为局部变形,试样破坏时存在较明显的破裂面,与水平面夹角约在55°～70°之间。掺入聚丙烯纤维后试样的破坏形式主要为鼓胀破坏,外形匀称,纤维交织成网状,纤维与砂土之间有良好的接触,未发现有剪断纤维。纤维网可以将砂土中的应力分散到更大的范围,达到更好的拉筋效果,具有更好的抗变形能力,能够适应采动区大变形的要求［5］。

3.2 纤维对力学参数的影响

本次试验共进行（4×13组)52次试验,分别绘制每个试块应变与主应力差关系曲线,如图1所示。

图1 砂土应力变曲线Fig.1 Stress-strain curves of sandy soil

由图1可知:无筋土和加筋砂土的最大主应力差均发生在应变3%～5%范围内；在应变较小（2%～4%)时,聚丙烯纤维加筋砂土应力与应变关系呈线性增长,为弹性变形阶段；但随着应变增大,试样进入塑性变形阶段并破坏。从图1（c)和图1（d)分别可以看出:在相同围压下,试样的强度、塑性和承载力均随纤维掺量和长度的增加而增大。

文献［3］中认为纤维的增强机理主要体现在2个方面:单根纤维拉筋作用和纤维网的三维拉筋作用。当纤维掺量较低和长度较短时,纤维无法形成有效的纤维网,使得纤维土的黏聚力主要来自单根纤维的拉筋作用。而随着纤维掺量的增加,纤维开始交织成网,除了单根纤维的拉筋作用外,还要加上纤维网三维拉筋作用,从而导致纤维土的力学性能增加更加明显［6］。

3.3 纤维对砂土抗剪强度的影响

根据破坏点的主应力差计算出试块破坏时的最大主应力,然后绘制莫尔应力圆。根据每组莫尔破损应力圆包线可得出试样黏聚力和内摩擦角,见表3。

表3 纤维土的黏聚力与内摩擦角Table 3 Cohesions and angles of internal friction in fibre-reinforced soils

纤维砂土试样的内摩擦角规律如表3所示,随着纤维掺量和长度增加变化不明显,与其他学者的结果基本一致。但是通过图2我们可以发现内摩擦角随着掺量和长度的增加呈现先增大后减少的趋势。可能原因是当纤维过多时,纤维局部相互叠加,形成摩擦系数较小的软弱面,使得加筋土的内摩擦角变小。

图2 纤维掺量和长度对内摩擦角的影响Fig.2 Influences of fiber content and length on angle of friction

如图3所示,黏聚力随着纤维掺量的增加,长度的影响越加明显,当掺量为0.1%,黏聚力提升（19.4-6.72) /6.72＝188%；当掺量为0.5%时,黏聚力提升（85.7-27.7) /27.7＝210%。其主要原因是纤维土中纤维与土颗粒交织在一起,形成空间骨架结构,整体共同受力协调变形,从而使得黏聚力增大。但是当纤维过长和比例过大时会带来成本上升和拌合困难等问题。

图3 纤维长度及掺量对黏聚力的影响Fig.3 Influences of fiber content and length on cohesion

3.4 1stOpt进行黏聚力多因素回归分析

参考文献［4］,采用1stOpt数学软件对纤维砂土黏聚力进行回归分析,假设纤维加筋土黏聚力与纤维长度、纤维掺量存在如下关系:

式中:k,m,p为经验系数；c为加筋土的黏聚力（kPa)；l为纤维长度（mm)；n为纤维掺量；Pa为大气压强,取100 kPa；d为纤维直径（mm)。

采用麦夸特法＋通用全局优化法对各参数进行非线性迭代并估算参数,式（1)的相关系数为0.981,其中k＝0.053 5,m＝0.836,p＝1.029,则

采用纤维长度20 cm、纤维掺量0.6%及纤维长度25 cm、纤维掺量0.2%检验公式（1)的可靠性。试验值及预测值见表4,2组数据的预计值略大于实测值,误差均在5%左右,能够满足工程要求。

表4 黏聚力实测值与预计值对比Table 4 Comparison of measured values and predictedvalues of cohesion

4 结 语

通过土三轴试验对砂土、纤维砂土工程力学性质进行了初步研究。由试验分析,主要结论如下:

（1)聚丙烯纤维加筋土的应力-应变关系近似呈双曲线关系,试样主要破坏形式为鼓胀破坏。在相同密实条件下,纤维土的力学性能随纤维掺量和长度的增加而增大。

（2)纤维对砂土内摩擦角的影响不大,但是能够明显提高砂土的黏聚力,与纤维长度呈线性关系、与纤维掺量存在非线性关系。

（3)在试验基础上,通过1stOpt进行多因素回归分析,得到黏聚力与纤维长度和掺量的拟合公式,并通过与实测值比较,认为其能够满足工程需要。

由试验分析结果可以看出,将聚丙烯纤维掺入砂土中可以显著改善土体的强度和塑性。纤维土作为路基填料在理论上可以提高其抗变形能力,但是对其实际抗变形能力和施工工艺还需要进一步研究。

［1］ 李宏波,底国民,贾 彪.纤维水泥粉砂土受力性能试验研究［J］.铁道建筑,2010,（11):60-63.

［2］ 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,2012, 13（6):646-650.

［3］ 王德银,唐朝生,李 建,等.纤维加筋非饱和黏性土的剪切强度特性［J］.岩土工程学报,2013,35（10): 1933-1940.

［4］ 沈圆顺,刘玖壮,郭丽丽.纤维土作为路用材料的试验研究［J］.建筑材料学报,2010,13（4):545-549.

［5］ 韩 晓,张孟喜,李嘉洋等.高强土工格室加筋砂土地基模型试验研究［J］.长江科学院院报,2014,31（3): 27-31.

［6］ 宋金岩,孙 红,葛修润,等.玻璃纤维加筋土强度特征试验研究［J］.中外公路,2012,32（10):261-264.

（编辑:赵卫兵)

Mechanical Properties of Polypropylene Fibre-reinforced Soil

SUN Shu1, YUAN Xue-feng1,LI Fu-lin2,WANG Yue-hua1
（1.School of Civil Engineering, Taizhou Polytechnic College, Taizhou 225300, China；2.School of Mechanics＆Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221006, China)

Abstract:In order to solve the problem of excessive deformation of sandy soil at road foundation caused by mining and automobile with heavy duty, we study the strength and deformation resistance of sandy soil under four different fiber lengths and blending amounts through triaxial compression test.Results show that the stress-strain relation of fiber-reinforced soil is approximately a hyperbolic function, in which the main failure form is swollen failure. With the increase of blending proportion and length of fibre, the mechanical properties of fibre-reinforced soil strengthen, but the angle of internal friction is barely affected. Finally, a fitting formula of cohesion vs. fiber length and mixing amount is obtained by multivariate regression analysis based on the 1stOpt experiment and the results meet the requirement of actual projects by comparison with measured data.

Key words:fiber-reinforced soil；sandy soil of subgrade；deformation properties；triaxial compression test；cohesion

作者简介：孙 舒（1983-),男,江苏连云港人,讲师,硕士,主要研究方向为建筑地基新技术应用,（电话)13961042107（电子信箱)116258624@ qq.com。

基金项目：2013年国家自然科学基金项目（51308533)；2015年泰州职业技术学院重点基金项目（TZYK153)

收稿日期：2014-09-29;修回日期：2015-02-11

doi:10.11988/ ckyyb.20140843

中图分类号：TU441

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)02-0071-03