头发纤维加筋上海黏土剪切强度试验研究★

2018-12-11孙飞

山西建筑 2018年32期

孙飞

(上海理工大学，上海 200093)

0 引言

在公路建设中，经常会遇到路基的土体强度不能直接满足工程路基的设计要求。长三角地区天然公路路基土的结构一般均较为松散，力学性能差，在附加应力作用下，会发生固结沉降、次固结沉降和侧向塑形挤出，导致横向或纵向明显的沉降变形。

此时，土中加筋是较为理想的路基加固方式。柴寿喜等[1]认为在滨海盐渍土中加入稻草能解决由盐胀和溶陷导致的盐渍土低强度和大变形问题。陈轮和李广信[2，3]在粘性土中加入聚酯纤维，试验结果表明其能明显改善粘性土的力学性能。吴燕开[4]发现适量的剑麻纤维可以有效提高粘性土的抗压和抗剪强度。陈昌富等[5]通过室内三轴试验发现草根加筋土符合摩尔—库仑准则并提出了粘性土的准粘聚力计算方法。G. Khosrow[6]等在土中加入椰壳纤维能有效提高土的抗压和剪切强度。Maher MH和Ho YC[7]发现在高岭土中加入聚丙烯纤维能有效提升土体的抗压强度峰值、劈裂抗拉强度、弯曲韧性和延展性。Murielle Ghestem等[8]发现蓖麻、麻风树及盐肤木的根系能提高土体的抗剪强度和抗变形能力。Adili等[9]发现纸莎草纤维的加入能够明显的提高土体的破坏偏应力和直接剪切强度。

人体头发纤维表面呈鳞片状，其具有较好的抗拉强度、降解速度慢、保温隔热和弹性恢复好等特点。本文正是利用人体头发纤维作为加筋长三角地区黏土的主要补强材料，对加筋土体进行直接剪切试验，研究人体头发加筋土对黏土力学性能的影响，分析强度增强机理和力学特性，开发加筋土新技术，希望未来能应用于本地的现场施工之中，如加固公路路堤和路基等。

1 试验材料与方法

1.1 试验说明

试验所需黏土均取自浦东区张江镇某实际工程，试验用土过2 mm筛，土的物理力学性能如表1所示。试验用头发纤维均来自理发店，对头发按照要求进行修剪成所需的长度，其基本物理力学性能见表2。

表1 土的基本性能指标

表2 试验纤维的基本性能指标

1.2 试样制作

本试验主要研究黏土剪切强度的变化，在土中加入头发纤维，并控制其质量加筋率和长度。头发纤维的长度分别为10 mm，15 mm和20 mm，质量加筋率分别为1.0%，1.5%和2.0%。按以下方法制作土样，黏土需保持在其最优含水率和最大干密度之下，即为17.5%和1.70 g/cm3。为使纤维均匀分布在土体中，采用五层法，将土分成五份，土样制备时分别将同一规格的头发纤维均匀掺入一层土中搅拌均匀，再将五层纤维土混合搅拌以获得试验所需的加筋土体。在标准条件下，将制作好的土样进行养护，24 h后进行直接剪切试验。

1.3 试验步骤与设备

首先选取10 mm规格的头发纤维，分别按质量加筋率1.0%，1.5%和2.0%加入土样，制备试样养护，同样方法分别选取15 mm和20 mm规格的头发纤维加筋制样养护。24 h后进行直接剪切试验，垂直荷载分别取100 kPa，200 kPa和400 kPa。本试验所用仪器为EDJ-1型电动等应变直剪仪，制造公司为浙江土工仪器制造有限公司。

2 试验结果与讨论

2.1 头发纤维对软黏土剪切强度的影响

由表3可知，在垂直应力为100 kPa时，10 mm头发纤维加筋率为1.0%，1.5%，2.0%下的加筋土体的剪应力峰值相对于素土，分别增加了19.3%，27.26%，20.44%；在垂直应力为200 kPa时，分别增加了5.6%，9.3%，6.4%；在垂直应力为400 kPa时，分别增加了11.5%，17.26%，16.37%。由此可以看出，头发纤维的加入能够一定程度上的提高土体的剪切强度，在加筋率为1.0%，1.5%和2.0%时，三种垂直应力下的剪切强度的提高幅度平均为12.13%，17.94%和14.40%，即可得加筋率为1.5%的加筋效果优于加筋率为2.0%，加筋率为2.0%的加筋效果优于1.0%。

同样，当头发纤维的长度为15 mm和20 mm时，土体加筋效果呈现出与10 mm时一样的规律，即1.5%为最优加筋率。

2.2 头发纤维对软黏土粘聚力和内摩擦角的影响

由表4可知，与素土相比，加筋率为1.0%，1.5%，2.0%的10 mm头发纤维加筋土的粘聚力分别提高了17.60%，24.70%，8.80%，内摩擦角分别提高了7.5%，11.8%，14.2%。由此表明，头发纤维加筋土的粘聚力要明显优于素土，在加筋率为1.5%时达到了24.70%，且内摩擦角随着纤维含量的增加而增加。

同样，当头发纤维的长度为15 mm和20 mm时，土体抗剪强度指标的变化呈现出与10 mm时一样的规律，土体的粘聚力得到了明显提高。