不同纤维掺量加筋土无侧限抗压强度分析★

马福全 常源朝 高建新 孙 皓

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



不同纤维掺量加筋土无侧限抗压强度分析★

马福全 常源朝 高建新 孙 皓

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

选用聚丙烯纤维为加筋材料，分别对红粘土、粉质粘土和砂土3种土体进行加筋，通过对不同纤维掺量的加筋土进行无侧限抗压强度试验，得到3种加筋土的无侧限抗压强度，并与各自素土的无侧限抗压强度进行比较，得到了一些有意义的结论。

纤维，加筋土，无侧限抗压强度，应力

0 引言

纤维加筋技术自20世纪80年代左右引入国内，在过去的30年时间里，一大批国内外相关学者对其强度等工程特性进行了相关研究：韩春鹏对加筋土体做了大量研究，最终确定加入聚丙烯纤维的土体在冻融作用下最佳掺量为0.3%，最佳长度为9 mm[1]。Akbulut以聚丙烯纤维为加筋试验材料进行了直剪试验，发现随纤维掺量的增加内聚力和内摩擦角均有一定程度的提高[2]。赵宁雨通过对素红粘土和加入纤维的红粘土进行三轴试验，分析了纤维加筋红粘土的力学特性及材料参数与纤维加筋红粘土强度间的关系，发现红粘土的合理加筋长度在10 mm～13 mm之间[3]。柴寿喜对麦秸秆加筋盐渍土进行三轴UU抗剪试验，对布筋区域与截面形状对加筋土抗剪强度的物理性质影响规律进行了相关研究，发现下半部为适宜的布筋区域，1/4圆管状为适宜的加筋横截面形状[4]。

纤维加筋效果不但与纤维的性质有关，土体性质的不同也会影响到纤维对土体的补强效果，尽管国内外学者和专家对纤维加筋土体的强度影响因素已经有了一定研究，但对于纤维掺量对纤维加筋不同种类土体无侧限抗压强度影响规律的研究进行较少，因此本试验以聚丙烯纤维为加筋材料，对纤维加筋红粘土、纤维加筋粉质粘土和纤维加筋砂土进行无侧限抗压强度试验。

1 试验材料

1.1 土

对试验土样进行基础物理性质试验，确定为红粘土、粉质粘土和砂土，所得物理指标如表1所示。

表1 试验土体物理指标

1.2 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2所示。

表2 纤维物理指标

2 试验方法

将试验土体(红粘土、粉质粘土、砂土)静置风干，碾碎后过2 mm筛备用。通过击实试验得出3种土体的最佳含水率和最大干密度，在筛得的碎土中加水配至最佳含水率，按计算出的纤维掺量掺入一定量的纤维后充分搅拌均匀，焖料一晚后制件。无侧限抗压强度试验的试件直径为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采用密封保鲜膜包好进行密封，以防止水分散失[5]。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[6]。

通过参考文献[7]发现9 mm的聚丙烯纤维对土体有着较好的加筋效果，因此采用的纤维长度为9 mm，纤维掺量水平为0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，并与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

对试验结果进行数据分析，所得结果如图1所示。

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掺量的增大先表现出单调增加的趋势，在纤维掺量为0.2%时达到最大值，此后随纤维掺量的增加大幅度递减，且递减的趋势逐渐变小。纤维加筋砂土的无侧限抗压强度同样随纤维掺量的增加表现出先增大的趋势，前期增加幅度较小，随纤维掺量的增加，幅度逐渐增大，在0.3%出现极值点，当纤维掺量大于0.3%时，无侧限抗压强度逐渐减小。纤维加筋砂土的无侧限抗压强度则随纤维掺量的增加单调增加，前期增加幅度较小，后期增加幅度较大。由图1可以看出，纤维加筋粉质粘土在纤维掺量的水平范围内变化幅度最大，最大值与最小值之间的差值为268.81 kPa；纤维加筋砂土在纤维掺量的水平范围内变化幅度较大，最大值与最小值之间的差值为109.75 kPa；纤维加筋红粘土在纤维掺量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81.86 kPa。这说明加入聚丙烯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。土中掺入适量纤维并搅拌均匀后土体的无侧限抗压强度大于素土的无侧限抗压强度，说明在土体中掺加纤维可以提高土体的无侧限抗压强度。

纤维加筋土体的补强机理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呈弯曲分布，由无数个围绕土颗粒的弯曲段组成，试件受到外力时，由于纤维与土的变形模量不同，纤维与土体之间发生相对滑动，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，从而提高土体的强度与整体稳定性[8]。交织机理是指纤维在土体中随机各向分布形成很多的交织点，若纤维受到拉力使交织点有位移的趋势，就会遇到其他纤维阻止这种位移，即任何一段纤维的受力变形都会牵动与之交织的各个方向的纤维，从而形成空间的受力区，即土体受到整个纤维网络的空间约束作用，这样不仅提高了土的强度，而且减小了土体的侧向变形和竖向变形[8]。

纤维土的无侧限抗压强度随纤维掺量的变化先表现出增大的趋势是因为纤维掺量适当增大时，纤维在土体中更容易交织，在土体中的弯曲段也随之增多，弯曲作用与交织作用更加明显，纤维对土体强度、整体性的补强效果更好，因此无侧限抗压强度提高。当纤维掺量过大时，纤维与纤维间过多接触，使土颗粒与土颗粒间的接触减少，且纤维交缠成团，影响了交织作用和弯曲作用的效果，使无侧限抗压强度减小。不同种类土体随加筋纤维掺量的变化呈现出不同的变化趋势，是因为不同土体的物理性质不同，土体与纤维之间的摩擦作用与粘结作用效果不同。土体与纤维之间的摩擦力与粘结力越大，纤维越不容易与土颗粒滑移脱离，弯曲作用和交织作用发挥的更显著，纤维对土体的空间约束作用越强，纤维土的无侧限抗压强度越大。当土体与纤维之间的摩擦作用与粘结作用较弱时，纤维更容易与土体脱离，纤维加筋的交织作用和弯曲作用的效果就相应减弱，对土体的补强效果较弱。

3.2 加筋土的应力—应变曲线分析

将3种纤维加筋土的应力应变数据进行处理，如图2所示。

由图2可以看出，3种土体中，随纤维掺量的变化，纤维加筋红粘土的应力—应变曲线的变化较小，纤维加筋粉质粘土、纤维加筋砂土应力—应变曲线的变化较大，说明纤维掺量对加筋红粘土的应力应变关系影响较小，而对加筋粉质粘土、加筋砂土应力应变关系影响较大。随纤维掺量的增大，加筋红粘土的应力—应变曲线的最大值逐渐向右上方偏移，且越过峰值之后曲线的下降趋势随纤维掺量的增大逐渐变缓，相同应力对应的应变减小，说明在红粘土中掺加纤维不但可以提高土体的抗压强度，还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—应变曲线随纤维掺量的增大变化幅度较大，纤维掺量0.2%的曲线峰值最大；纤维掺量为0.3%，0.4%的土体的应力—应变曲线在峰值周围的曲线极为平缓，随应变增长应力变化不大，说明在该纤维掺量下土体的抗变形能力得到极大提高。纤维加筋砂土各纤维掺量的应力—应变曲线在试件变形较小的时候几乎重合，越过峰值之后却出现了较大的分叉，说明纤维掺量对试件变形较小时的应力—应变曲线影响较小，对试件变形较大时的应力—应变曲线影响较大，纤维对土体的弯曲作用和交织作用主要在试件变形较大的时候发挥作用，此时纤维受到拉力，约束土体的变形滑移。

4 结语

1)在3种土体中掺入纤维均能提高土体的无侧限抗压强度，随纤维掺量的增加，纤维加筋红粘土的无侧限抗压强度呈现出单调递增的趋势，纤维加筋粉质粘土和纤维加筋砂土均呈现出先增大后减小的趋势，纤维加筋粉质粘土的增加纤维掺量为0.2%，纤维加筋砂土的增加纤维掺量为0.3%。

2)纤维掺量对加筋红粘土的应力应变关系影响较小，对加筋粉质粘土、加筋砂土应力应变关系影响较大。纤维掺量对试件变形较小时的应力—应变曲线影响较小，对试件变形较大时的应力—应变曲线影响较大。在土体中掺加纤维可以起到提高土体的抗压强度、韧性、抗变形能力的作用。

[1] 韩春鹏,何钰龙,申杨凡,等.冻融作用下纤维土抗剪强度影响因素试验研究[J].铁道科学与工程学报,2015(2):275-281.

[2] Akbulut S,Arasan S,Kalkan E.Modification of clayey soils using scrap tire rubber and synthetic fibers[J].Applied Clay Science，2007，38(1～2):23-32.

[3] 赵宁雨,荆林立.纤维加筋红粘土强度特性影响因素的试验[J].重庆理工大学学报(自然科学版),2010(9):47-51，68.

[4] 柴寿喜,王 沛,王晓燕.麦秸秆布筋区域与截面形状下的加筋土抗剪强度[J].岩土力学,2013(1):123-127.

[5] 刘红军，韩春鹏.土质土力学[M].北京:北京大学出版社,2012.

[6] 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.

[7] 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.

[8] 朱诗鳌.土工合成材料的应用[M].北京:科学技术出版社,1994.

Experimental research of unconfined compressive strength with different fiber content of reinforced sand★

Ma Fuquan Chang Yuanchao Gao Jianxin Sun Hao

(CivilEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

The polypropylene fiber as reinforced materials, respectively, red clay, silty clay and sand three kinds of soil reinforcement, with different fiber content of the reinforced soil for unconfined compressive strength test, three kinds of reinforced soil unconfined compressive strength, and the soil unconfined compressive strength were compared, some significant result were drawn.

fiber, reinforced soil, unconfined compressive strength, stress

1009-6825(2016)13-0064-03

2016-02-21

马福全(1994- )，男，在读本科生； 常源朝(1993- )，男，在读本科生； 高建新(1994- )，男，在读本科生；

TU411.6

A

★: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)

孙 皓(1994- )，男，在读本科生