膨胀土纤维加筋的强度特性机理研究

陈朝阳，于炎成，王冰

（1.中铁四局集团第二工程有限公司，江苏 苏州 230001；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 前言

膨胀土研究日新月异[1-4]，加固理论主要有摩擦加筋理论[5]和准粘聚力理论[6]。国内外学者对加筋理论进行了大量的研究[7-9]。介玉新、李广信曾经把纤维加筋土当成复合材料进行研究，利用素土的应力应变本构模型来计算纤维加筋土的应力和变形。Zornberg[10]通过试验和理论计算提出了通过评价纤维和土体界面强度以及土体强度来计算纤维加筋土等效强度的方法。对纤维加筋效果的影响因素较多，纤维的种类、长度、表面粗糙程度、土体的含水率和干密度等都是重要的影响因素[11-12]。

本文基于纤维加筋土的实验结果，探究纤维加筋对土体强度及变形改良机理，对江淮分水岭地区膨胀土的处治问题具有一定的借鉴意义。

1 三轴试验结果

不同试验参数下的土样三轴实验得到的抗剪强度参数如表1。可以看出，纤维加筋土的黏聚力最大为95 kPa（加筋率为0.5%呈0°分布），黏聚力最小为72 kPa（素土）。内摩擦角最大为22.29°（加筋率为0.5%呈0°分布），最小为17.22°（素土）。纤维的掺入对膨胀土黏聚力的影响范围要大于对土体内摩擦角的影响范围。

2 纤维加筋土强度影响因素分析

2.1 纤维分布角度对加筋土强度的影响

100 kPa围压下不同黄麻纤维掺加量的应力(σ1-σ3)——应变(ε)曲线如图1所示。可以看出，膨胀土中掺入黄麻纤维可以有效增强土体的强度，黄麻纤维的掺加角度对土样抗剪强度有显著影响。

图1 不同纤维掺加量应力(σ1-σ3)—应变(ε)图

2.2 纤维掺加量对加筋土强度的影响

在直角坐标图中以黄麻掺加量为横坐标，土样破坏时对应的(σ1-σ3)为纵坐标进行绘制散点图，绘制不同的围压下(100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa)，土样破坏时对应的(σ1-σ3)与黄麻纤维掺量之间的关系，图2所示为300 kPa围压下对应关系。从图中可以看出，黄麻纤维在图中呈各种角度分布的情况下，随着纤维掺加量的增加，(σ1-σ3)均呈现出先增加后减小的趋势，当掺加量为0.5%时加筋效果最为显著，0.2%和0.8%掺加量下的加筋效果几乎持平。

图2 300kPa围压下纤维掺加量-(σ1-σ3)关系图

2.3 纤维分布角度对抗剪强度指标的影响

本次试验中，黄麻纤维的掺加角度对土体的抗剪强度指标有显著的影响，以纤维的掺加量为横坐标，黏聚力c和内摩擦角φ为纵坐标，分别绘制散点图，如图3所示。

图3 纤维掺加角度对黏聚力指标的影响

黏聚力的分布范围为72 kPa到95 kPa之间，各纤维掺加量下，纤维分布的各种角度对黏聚力的增强效果从高到低依次为0o、30o、随机均匀分布、60o、90o。随着纤维掺加量的增加，土体黏聚力先增加后减小，纤维掺加量为0.5%时黏聚力增加幅度最大。当纤维分布角度为90o，纤维掺加量为0.2%和0.8%时，黏聚力与素土基本相同。加筋土内摩擦角的分布范围为17.22o到22.29o之间，纤维分布角度的影响同对黏聚力的影响基本相同。通过对比可知，纤维掺加角度对黏聚力的影响范围要大于对内摩擦角的影响范围。

2.4 纤维掺加量对抗剪强度指标的影响

以横坐标为纤维分布角度，纵坐标为黏聚力c和内摩擦角φ分别绘制散点图，可以量化研究纤维掺加量对抗剪强度指标的影响。

从图4中可以看出，对于内摩擦角来说，0.5%纤维掺加量时的内摩擦角与0.2%和0.8%纤维掺加量时的内摩擦角基本相同，提高幅度不大。其对黏聚力影响趋势如内摩擦角的影响趋势，结合试验数据，0.2%纤维掺加量和0.8%纤维掺加量下黏聚力和内摩擦角的拟合曲线基本重合，偶有交叉。黏聚力的变化范围为72 kPa-95 kPa；内摩擦角的变化范围为17.22°-22.29°。0.5%纤维掺加量时的黏聚力较0.2%和0.8%纤维掺加量时的黏聚力有较大幅度的提高，各种掺加角度下的提高幅度基本相同。综上可见，纤维掺加量对土体抗剪强度指标的影响基本符合内聚力原理。

图4 纤维掺加量对内摩擦角φ指标的影响

3 加筋机理分析

纤维加筋膨胀土的微观机理取决于纤维表面与土中颗粒表面的物理力学作用，主要表现为摩擦力和黏聚力。摩擦力主要由膨胀土和黄麻纤维的物理力学性质、纤维-土颗粒之间的摩擦系数、土体级配等因素决定，黏聚力主要由土体和纤维的物理力学性质、土中黏粒和胶结物质含量等因素决定。

黄麻纤维加筋土在击实的过程中，原本处于拉直状态下的黄麻纤维被击为波形状态，试验表明，形状产生波形变形的黄麻纤维，其表面将会变得更加粗糙，这将有利于纤维表面和土体界面摩擦力的提高，黄麻纤维和土体之间咬合摩擦力的出现，进一步改善了筋/土界面力学特征，纤维增强土体抗剪强度的效果更加显著。

4 结论

①改变黄麻纤维在膨胀土中的分布角度，可以不同程度的提高土体的抗剪特性。综合来看，黄麻纤维在土中呈不同角度分布的加筋效果从高到低依次为0°、30°、随机均匀分布、60°、90°。

②黄麻纤维的掺加量对纤维加筋土的抗剪强度有一定的影响。总体上来说，纤维对膨胀土抗剪强度的增强效果随着纤维增加量的增加先增大后减小。试验中当黄麻掺加量为0.5%时土体的抗剪强度增加最多，掺加量为0.2%和0.8%时的加筋效果均要低于0.5%时的加筋效果。结果表明，纤维掺加量存在一个最优值，最优值下加筋效果达到最大。

③黄麻纤维增强膨胀土体强度特性的微观机理主要取决于纤维和土颗粒界面之间的摩擦力和黏聚力。当剪切过程中土颗粒之间的互锁能力增强，筋/土界面抵抗剪切的能力也就越强。纤维在压实过程中的塑性变形和弯曲变形有利于纤维增强土体强度效果的发挥。