不同纤维长度加筋土无侧限抗压强度分析★

马福全　高建新　孙　皓　冯文泉（东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨　150040）



·岩土工程·地基基础·

不同纤维长度加筋土无侧限抗压强度分析★

马福全高建新孙皓冯文泉
（东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150040）

摘要：为了研究纤维加筋土体在不同纤维长度时的无侧限抗压强度变化规律，通过加入不同长度的聚丙烯纤维，对不同土体进行无侧限抗压强度试验，得到三种不同土体的无侧限抗压强度值，并与各自素土的无侧限抗压强度进行比较，得到的结果为相关地区的工程实践提供了参考依据。

关键词：纤维，加筋土，无侧限抗压强度，纤维长度

★：中央高校基本科研业务费专项资金项目（项目编号：2572014CB21）；大学生创新训练计划项目（项目编号：201510225171）

0　引言

纤维土是纤维加筋技术在土工试验中的一个重要应用，它作为近年来一种新型的增加土体强度的技术，以其对土体整体性的增强，增大土体的强度等诸多优良工程特性被越来越多的用于工程试验和实际施工当中，研究土体强度并寻求增大土体强度的方法对推动纤维加筋技术的发展意义重大。

目前国内外不少学者对于纤维种类、纤维掺量等对土体的力学性能影响已经有一定量的研究并且取得了诸多成就，唐朝生通过改变聚丙烯纤维加筋粘性土的含沙量得到了加筋土体在不同含沙量下的无侧限抗压强度的变化规律［1］，陈轮和李广信采用聚丙烯纤维为加筋材料在土体单轴拉伸试验和剪切试验中取得了较好的实验成果［2］。但国内基于纤维长度对不同土体无侧限抗压强度影响规律的研究相对较少，相关领域还不够健全，诸多问题还没有解决。所以本文以红粘土、粉质粘土、砂土为研究对象，通过加入不同长度的聚丙烯纤维的土体进行无侧限抗压强度试验，所得的结果可为相关机构进一步研究和实际施工提供参考依据。

1　试验材料

1.1纤维

试验所用的聚丙烯纤维为短切纤维，其基本物理力学参数如表1所示。

表1　纤维物理指标

1.2土

试验土样为红粘土、粉质粘土和砂土，对试验土样进行基础物理性质试验，进而得到土体物理指标。

试验土体物理指标见表2。

表2　试验土体物理指标

2　试验方法

将红粘土、粉质粘土、砂土三种试验土体静置风干，充分碾碎后过2 mm筛备用。取三种试验土体的样本通过击实试验得出不同土体的最佳含水率和最大干密度，计算加水量后在筛得备用的土体加入一定量的水配至最佳含水率，按纤维掺量为2‰的试验土体中掺入一定量的纤维后充分搅拌均匀，然后焖料一晚后制件。无侧限抗压强度试验试件为直径38. 1 mm，高80 mm的圆柱土件，采用双向静压压实的方法压制后立即采用密封保鲜膜包好进行密封，以防止水分散失［3］。采用LQ-200S型电脑全自动无级变速路强仪对所制得的无侧限抗压强度试件进行无侧限抗压强度试验，以0. 1 mm/min的加压速率对试件进行加载，所得实验结果由仪器相关配套软件计算得出［4］。

通过参考文献［5］发现聚丙烯纤维掺量为2‰对土体有着较好的加筋效果，因此采用纤维掺量为2‰，纤维长度为3 mm，6 mm，9 mm，12 mm的试件进行试验，并把所得结果与各自素土的无侧限抗压强度进行比较。

3　结果与分析

3.1试验结果

对三种纤维加筋土的无侧限抗压强度进行数据分析，所得结果如图1所示。

图1　不同纤维长度聚丙烯纤维加筋土的无侧限抗压强度

由图1可以看出纤维加筋粉质粘土的无侧限抗压强度随聚丙烯纤维的长度的增大先表现出单调递增的趋势，在纤维长度0 mm～6 mm时无侧限抗压强度变化较缓慢，当纤维长度为6 mm～9 mm时强度增长较为明显且在纤维长度为9 mm时达到峰值，此后随纤维长度的增大而出现大幅度递减的趋势。纤维加筋砂土的无侧限抗压强度随纤维长度的增大呈现出递增的趋势，前期增加幅度较小，后期增加幅度较大，直到纤维长度增加到9 mm时增幅最大，而后随着纤维长度的进一步增大增幅减小但强度仍在增长且在纤维长度为12 mm时出现最大值。纤维加筋红粘土的无侧限抗压强度也随纤维长度的增大表现出先单调增加后减小的趋势，总体来看前期和后期强度变化幅度都不大且在纤维长度为6 mm时强度达到峰值，而后随着纤维长度的增大强度虽有减小但仍大于素土的强度，这说明加入聚丙烯纤维对红粘土的强度值有增加的作用。

由图1还可以看出，纤维加筋粉质粘土在纤维长度的水平范围内无侧限抗压强度变化幅度最大，最大值与最小值之间的差值为219. 58 kPa；纤维加筋砂土在纤维长度的水平范围内无侧限抗压强度变化幅度较大，最大值与最小值之间的差值为111. 31 kPa；纤维加筋红粘土在纤维长度的水平范围内变化幅度最小，最大值与最小值之间的差值仅为37. 84 kPa。这说明加入纤维对粉质粘土无侧限抗压强度的影响最为显著，对砂土无侧限抗压强度的影响较为显著，对红粘土无侧限抗压强度的影响最小。砂土和红粘土中掺入聚丙烯纤维后加筋土的无侧限抗压强度大于素土的无侧限抗压强度，说明在两种土体中掺加纤维均可以提高无侧限抗压强度。

纤维加筋土体的补强机理是多因素的也比较复杂，目前，对纤维加筋土体的强度补强机理解释主要可以概括为弯曲机理和交织机理。

弯曲机理是指纤维在土中的分布形态呈弯曲分布，直线段较少或没有直线段，近似认为纤维加筋土体是由无数个围绕土颗粒的弯曲段组成，当试件受到外力时，由于纤维与土的变形模量存在较大差异，纤维与土体之间将会发生相对滑动，此时纤维受拉在纤维弯曲的凹侧就会产生对土颗粒的压力和摩擦力，从而提高土体的抗剪强度和整体稳定性［6］。

交织机理是指纤维在土体中是随机各向分布的，这种无序的排布方式必然会形成很多的交织点，此时如果纤维受到拉力，交织的纤维必然会有相对位移，而其他纤维则会阻止这种位移，即任何一段纤维的变形都会引起与之交织的各个方向的纤维发生变化，土体受到整个纤维网络的空间约束作用从而形成空间的受力区，这样不仅提高了土体的强度，而且减小了土体的侧向变形和竖向变形［6］。

纤维土的无侧限抗压强度随聚丙烯纤维长度的增长先表现出增大的趋势是因为纤维长度增大时，土体中纤维与纤维之间更容易交织，在纤维土拌合均匀过程中纤维弯曲段也随之增加，纤维对土体弯曲与交织机理对土体强度的影响更为明显，纤维不仅提高了土体强度而且限制了土体的变形，间接提高了土体的整体稳定性，因此土体的无侧限抗压强度提高。

当纤维过长时，土体中纤维不易拌合均匀，纤维在土体中聚团抱和在一起，导致纤维与纤维间接触面积过大，反而减小了纤维与土颗粒之间的接触面积，同时土颗粒之间的摩擦系数远大于纤维与纤维之间的摩擦系数，纤维与土颗粒之间的摩擦力和粘聚结合力都变小；另一方面由于纤维在土体中交织成团降低了交织作用和弯曲作用对加筋土体的强度增长效果，两种因素综合作用使土体的无侧限抗压强度随着纤维长度进一步增大而出现减小的现象。三种土体随着纤维长度的增长呈现出形态各异的变化趋势，究其原因是因为三种土体有着不相同的物理性质，三种土体的摩擦与粘结效果大小排序为：加筋粉质粘土＞加筋砂土＞加筋红粘土，土体与纤维之间的摩阻力和粘结力大小决定了弯曲机理和交织机理对土体的空间约束作用大小，当二者之间的摩擦力和粘结力较大时，纤维与土体之间的接触面积也会增大，土体与纤维在外力作用下越不容易产生相对滑移，二者之间接触的越紧密，故弯曲作用和交织作用对土体的效果越好，纤维与土体交错形成的空间约束网对土体的作用也越强，进而导致纤维加筋土的无侧限抗压强度增大。当土体与纤维之间的摩擦力和粘结力较小时，纤维和土体之间更容易产生相对位移，二者在外力作用下也就更容易脱离，加筋纤维土体的弯曲和交织作用的效果就没有那么明显，对土体的补强效果较弱，所以土体强度增加不明显或出现减小的现象。

3.2加筋土的应力—应变曲线分析

将三种纤维加筋土的应力—应变数据进行处理，所得曲线如图2所示。

图2　不同纤维长度聚丙烯纤维加筋土的应力—应变曲线

由图2可以分析得出，三种土体中，随纤维长度的变化，在达到应力最大值前纤维加筋粉质粘土、纤维加筋红粘土应力—应变曲线的变化幅度较大，纤维加筋砂土的应力—应变曲线的变化幅度较小，说明纤维长度是影响纤维加筋粉质粘土和加筋红粘土应力应变关系的一个重要因素，而对于纤维加筋砂土应力应变关系影响不大。随着纤维长度的增长加筋砂土的应力应变峰值逐渐向右上方偏移，且超过应力峰值以后曲线的变化趋势随着纤维长度的变化越来越缓慢，在相同应变的前提下应力增大，说明在砂土中掺加适量聚丙烯纤维可以增强土体的韧性和抗变形能力。纤维加筋粉质粘土的应力应变曲线随着纤维长度的增长变化幅度较大，纤维长度为9 mm时应力的峰值最大；纤维长度为12 mm时土体的应力应变曲线在应力最大值附近变化极为缓慢，随应变的增长应力变化不大，说明在该纤维长度下土体的抵抗变形的能力得到极大提高。纤维加筋砂土的应力应变曲线在土样应变较小时几乎重合，超过应力最大值以后又出现了较大的不同，说明纤维长度对土样变形较小时的应力大小影响较小，对土样应变较大时应力影响较大，纤维在外力作用下的弯曲和交织作用主要在土样试件应变变形较大时发挥作用，此时纤维与土体缠绕形成的三维网状结构对加筋土体的约束较强，土体内部的相对位移较小，纤维对土体的无侧限抗压强度的补强作用也就越明显。

4　结语

1）在红粘土、砂土和粉质粘土中掺加聚丙烯纤维均能提高土体的无侧限抗压强度，也能提高土体的韧性和抗变形能力。纤维加筋粉质粘土和红粘土的无侧限抗压强度随纤维长度的增长都呈现先增大后减小的趋势，纤维加筋砂土的无侧限抗压强度表现出单调递增的趋势。加筋粉质粘土的最佳纤维长度为9 mm，加筋红粘土的最佳纤维长度为6 mm。

2）纤维长度对加筋粉质粘土的应力—应变关系影响最大，对加筋砂土和加筋红粘土的应力—应变关系影响较大；纤维长度对土样应变较小时的应力影响较小，对土样应变较大时的应力影响较大。

参考文献：

［1］唐朝生，施斌，高玮，等.含砂量对聚丙烯纤维加筋黏性土强度影响的研究［J］.岩石力学与工程学报，2007（S1）：2968-2973.

［2］李广信，陈轮.纤维加筋黏性土的试验研究［J］.水利学报，1995（6）：31-36.

［3］刘红军，韩春鹏.土质土力学［M］.北京：北京大学出版社，2012.

［4］周国富，孙皓，冯文泉，等.不同种类纤维土无侧限抗压强度影响因素分析［J］.山西建筑，2015，41（29）：47-49.

［5］韩春鹏，唐浩桐，程培峰，等.冻融作用下纤维加筋土的抗剪强度试验研究［J］.公路，2015（5）：166-170.

［6］朱诗鳌.土工合成材料的应用［M］.北京：科学技术出版社，1994.

Analysis of unconfined compressive strength of reinforced soil with different fiber length★

Ma Fuquan Gao Jianxin Sun Hao Feng Wenquan
（School of Civil Engi.，Northeast Forestry Univ.，Harbin 150040，China）

Abstract：In order to study the influence of fiber length on reinforced soil unconfined compressive strength influence factors，by adding polypropylene fiber of different lengths of the soil of unconfined compressive strength test，three kinds of different soil unconfined compression the intensity，and their soil unconfined compressive strength comparison can be concluded as follows：the results obtained from the experiments can provide reference for engineering and technical personnel and researchers in related areas.

Key words：fiber，reinforced soil，unconfined compressive strength，fiber length

中图分类号：TU432

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0066-03

收稿日期：2016-01-17

作者简介：马福全（1994-），男，在读本科生；高建新（1994-），男，在读本科生；孙皓（1994-），男，在读本科生；冯文泉（1994-），男，在读本科生