四种人工合成纤维加筋黄土的抗剪特性

熊 雨，邓华锋，彭 萌，齐 豫，李 涛

(三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

纤维加筋是一种新型的土体改良技术，通过将分散的纤维丝均匀掺入土体中，可达到提高土体的工程力学性能的目的[1]。传统的加筋技术是在土体中布设土工网、土工布等土工合成材料来增强土体相关性能，但土工合成材料和土体间很容易形成软弱夹层，影响加筋效果。纤维在土体中均匀分布，在各个方向上都能发挥加筋的作用，能够有效地弥补传统土工合成材料的不足[2]。其中，聚丙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等人工合成纤维由于分散性好，强度高等优点在工程中已有大量使用。

近年来，介玉新等[3]、孔玉侠等[4]、陈乐等[5]研究了聚丙烯纤维在砂土和黏土中的相关力学特性，发现聚丙烯纤维能够有效提高土体的抗剪强度。胡文乐等[6]、尤波等[7]、高磊等[8]通过直剪试验和三轴压缩试验等，发现玄武岩纤维能提高土体的黏聚力，其试样的破坏形式为塑性破坏。Chen等[9]、李丽华等[10]研究发现玻璃纤维可有效提高水泥土和砂土的抗压强度及抗剪强度。胡达等[11]研究发现纤维素纤维能够增强黏土的密实度、抗剪强度和抗压强度，优化黏土破坏形态。

上述研究成果为纤维加筋土体的应用奠定了较好的基础，而且研究也发现不同类型纤维材料的加筋效果存在明显差别，但相关的成果主要侧重于单一种类纤维材料的最优掺量及性能分析，针对多种纤维的加筋效果对比分析还很少。基于此，本文选取工程常用的几种纤维，进行加筋效果对比分析，并结合各类纤维材料特性的差异分析其加筋效果及机理的差异。

2 试验材料

2.1 试验土样

本次试验所用土样为黄土，经风干、碾碎、过2 mm筛后获得土料，其基本物理指标见表1。

表1 黄土的物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of loess

2.2 试验纤维

根据以往研究经验，选用玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维和玻璃纤维这4种工程中常用人工合成纤维作为加筋材料进行对比分析，其物理力学参数见表2，纤维外观见图1。

表2 不同纤维的物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters ofdifferent fibers

图1 4种纤维外观Fig.1 Appearance of four fibers

3 试验内容

3.1 试验方案

为了对比这4种纤维对土样抗剪强度的影响，本次试验选取的纤维长度为6 mm，掺量为0.3%，控制试样的含水率为17%，干密度为1.7 g/cm3。将各种纤维丝按干土质量百分比0.3%的掺量掺入到素黄土中，包含素土样共制备了5组试样(C1—C5)进行试验，各组试样相关参数如表3所示。

表3 试样参数Table 3 Parameters of soil samples

3.2 试样制备

以往的研究表明，纤维材料在土体中分布的均匀程度直接影响其加固效果，参考类似纤维丝掺入黄土的拌和经验。在试验中，将每个试样所需土样和纤维分成4份，先分开拌和再集中拌和，然后加入适量蒸馏水配置到目标含水率，最后装入塑料袋中密封养护24 h后再进行制样。

3.3 直剪试验

本次直剪试验仪器为ZJ型应变控制式直剪仪，四级垂直压力为100、200、300、400 kPa。剪切结束后，分离上、下剪切盒子，取出试样并观察试样的破坏情况。

4 纤维加筋效果分析

4.1 剪应力-剪切位移曲线

图2为素黄土和4种纤维加筋土在不同法向应力作用下的剪应力-剪切位移曲线。

图2 剪应力-剪切位移关系曲线Fig.2 Curves of shear displacement versus shearstress

由图2可以看出：①纤维加筋前后，土样的剪应力-剪切位移曲线形式形态基本一致，总体可分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段3个阶段。②纤维加筋前，剪应力-剪切位移曲线的弹性阶段相对较短，有明显的屈服平台，达到峰值强度后，剪应力随着剪切位移的增加而逐渐减小，无论法向应力的高低，曲线均呈现明显的应变软化特征。③纤维加筋后，剪应力-剪切位移曲线整体上移，曲线的弹性阶段明显增长，斜率增大；如图2(a)所示，在低法向应力作用下，曲线应变软化特征逐渐减弱，试样在剪切后期应变硬化特征初显；如图2中的(b)、(c)、(d)所示，随着法向应力的增大，屈服后的峰值强度不明显，逐渐呈现应变硬化现象。

4.2 抗剪强度指标

由图2中素黄土和不同纤维加筋土的剪应力-剪切位移曲线得到抗剪强度值，如表4所示。统计抗剪强度时，按照相关规范和研究经验[12]，取剪应力-剪切位移曲线上的峰值点或稳定阶段的值作为抗剪强度，无明显峰值点和稳定值时，取剪切位移为试样直径的1/10所对应的剪切应力为抗剪强度。

为了更直观地分析不同种类纤维加筋对抗剪强度的影响，由表4绘制不同种类纤维在不同法向应力作用下的抗剪强度柱状图，如图3所示。

表4 不同种类纤维加筋土抗剪强度统计Table 4 Statistics of shear strength of soil reinforcedwith different fibers

图3 抗剪强度柱状图Fig.3 Histogram of shear strength

由表4和图3可见，纤维加筋后，土样的抗剪强度明显提升，与素黄土进行比较，在法向应力为100 kPa时，玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维和玻璃纤维加筋土的抗剪强度分别增加了41.01%、39.3%、34.64%、33.41%；在法向应力为200 kPa时，分别增加了36.97%、23.75%、12.48%、17.04%；在法向应力为300 kPa时，分别增加了33.08%、22.84%、27.56%、19.62%；在法向应力为400 kPa时，分别增加了33.18%、26.59%、22.55%、21.77%。比较而言，玄武岩纤维加筋土的抗剪强度增强效果最好，聚丙烯纤维加筋土的增强效果次之，聚酯纤维加筋土与玻璃纤维加筋土增强效果较为接近。

由素黄土及纤维加筋土的抗剪强度得出不同纤维加筋土的黏聚力和内摩擦角，如表5所示。

表5 抗剪强度指标Table 5 Shear strength index

从表5可以看出，与素土比较，玄武岩纤维加筋土的黏聚力提高效果最大，提高幅度为52.03%；聚丙烯纤维加筋土次之，提高幅度为45.94%；玻璃纤维加筋土提高幅度为36.72%；聚酯纤维加筋土提高幅度为31.61%。就内摩擦角而言，玄武岩纤维加筋土的增幅为24.30%；聚丙烯纤维、聚酯纤维和玻璃纤维的增幅分别为16.01%、18.55%、14.03%。比较而言，纤维的掺入对内摩擦角的影响相对较小。

5 不同种类纤维加筋作用机制差异分析

纤维加筋土抗剪强度的增强效果与纤维材料对土体的增强机理有关。一方面是加筋后土体中分布的纤维形成纤维网[8]的作用；另一个方面是纤维-土界面的作用，即纤维表面与土颗粒之间的黏结力和摩擦力[13]。影响纤维-土界面作用力的因素有很多，包括纤维的表面粗糙度、长度、形状、抗拉强度和纤维-土界面的有效接触面积等[14]。不同种类的纤维由于原材料和制作工艺的不同，其纤维的外观形态和力学性能也不同。

在控制纤维掺量、长度、试样的干密度和含水率一定的条件下，纤维加筋对黏聚力和内摩擦角的贡献能力应相似。但以上结果表明，不同纤维加筋土的抗剪强度存在较大差异，这主要是由于纤维表面的粗糙度和抗拉强度不同所导致。通过扫描电子显微镜对4种纤维表面的微观特征进行观察，如图4所示。玄武岩纤维是由天然玄武岩拉制的连续纤维，纤维表面进行改性处理，使其表面粗糙，纤维表面有凸起和凹坑现象，如图4(a)所示；聚丙烯纤维是以丙烯聚合得到的等规聚丙烯为原料纺制而成的合成纤维，纤维表面较光滑，如图4(b)所示；聚酯纤维是由有机二元酸和二元醇缩聚而成的聚酯经纺丝所得的合成纤维，属于高分子化合物，表面光滑，横截面为近圆形，如图4(c)所示；玻璃纤维是由叶腊石、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石6种矿石为原料经高温熔制、拉丝制成，纤维表面光滑且性脆，耐磨性差，如图4(d)所示。而且，从表2看出，聚丙烯纤维、聚酯纤维和玻璃纤维的抗拉强度均明显小于玄武岩抗拉强度。

图4 不同纤维的SEM图片Fig.4 SEM images of different fibers

不同种类纤维加筋对黏聚力大小的影响除了与纤维表面和土体颗粒黏结力有关，还与纤维自身的抗拉强度有关。纤维表面越粗糙，纤维与土之间的齿合程度越大，纤维与土体间的接触面积也增大，从而使纤维-土界面的黏结力越大。在剪切过程中，土体受到外部荷载作用将力传递给纤维，纤维承受拉应力，纤维的抗拉强度发挥作用，提高了土体的强度。玄武岩纤维表面粗糙，抗拉强度最高，则玄武岩纤维加筋土黏聚力最大；聚丙烯纤维、玻璃纤维和聚酯纤维表面较光滑，纤维与黄土颗粒嵌合效果较差，3种纤维加筋土的黏结力大小相近，此时黏聚力的大小取决于纤维自身的抗拉强度，比较而言，三者的抗拉强度排序为聚丙烯纤维>玻璃纤维>聚酯纤维，则黏聚力也依次减小。

不同种类的纤维加筋土在内摩擦角上所呈现的差异性，本质上是由于纤维表面的粗糙度改变了纤维-土界面的摩擦力。在剪切过程中，纤维-土界面发生剪切破坏时，表面较光滑的纤维与土体之间易发生相对滑动，纤维与土之间的摩擦力以滑动摩擦力为主，如图5(a)所示。由图4中的(b)—(d)发现：聚丙烯纤维、玻璃纤维和聚酯纤维表面粗糙度相似，则滑动摩擦力系数大小相似，所以三者滑动摩擦力变化较小，这也解释了表5中这3种纤维加筋土内摩擦角相差不大的原因。

但是，对于表面粗糙的玄武岩纤维而言，玄武岩纤维-土界面的摩擦力要相对复杂，如图5(b)所示，玄武岩纤维表面的凹凸不平处与土体相互咬合，发生咬合效应，剪切过程中，纤维-土界面摩擦力除了滑动摩擦力外，还包括咬合摩擦力。同时，玄武岩纤维由于表面粗糙，具有较高的滑动摩擦系数，玄武岩纤维-土界面的滑动摩擦力也大于其他纤维加筋土。比较而言，玄武岩纤维加筋土的纤维-土界面摩擦力大于其它3种纤维加筋土。

图5 纤维-土界面摩擦力示意图Fig.5 Schematic diagram of friction at the fiber-soilinterface

总体而言，纤维加筋土的摩擦力由纤维与土、纤维与纤维、土与土之间的摩擦力组成。理论上，黄土中加入纤维后，纤维与土、纤维与纤维、土与土之间的摩擦力[15]大于素黄土的内摩擦力。本次试验中纤维的掺量为0.3%，剪切面上纤维的数量小于黄土颗粒，直剪过程中土与土之间的摩擦力依然占主要比例。因此，纤维加筋对土体内摩擦角的提高幅度相对不大。

6 结 论

本文通过对比分析玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、玻璃纤维4种纤维的加筋效果，得出以下几点结论：

(1)纤维加筋前后，土样的剪应力-剪切位移曲线形态基本一致，但加筋后曲线的弹性阶段明显变长，斜率明显增大，而且曲线的应变硬化特征逐渐明显，说明加筋后土样抵抗变形的能力明显增强。

(2)纤维加筋能够有效提高土体的抗剪强度及对应的剪切强度指标。比较而言，玄武岩纤维的增强效果最好，其对黏聚力和内摩擦角增幅分别为52.03%、24.30%，聚丙烯次之，聚酯纤维和玻璃纤维增强效果相对较差。

(3)加筋土黏聚力和内摩擦角的提升分别与纤维-土界面的黏结力、纤维自身的抗拉强度、纤维-土界面之间的摩擦力有关。比较而言，玄武岩纤维表面粗糙，纤维同土颗粒间的接触面积与滑动摩擦系数大，加筋土的黏结力和内摩擦角提升效果最明显。