玻璃纖維土的力學(xué)性能研究

張瑞斌

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

玻璃纖維土是指利用特定的機(jī)械設(shè)備將玻璃纖維均勻加入土體中，利用玻璃纖維與土體之間的摩擦力制止土體的移位，從而實現(xiàn)土體的加固[1]。相比于一般加筋土，如編織袋、土工格柵等，玻璃纖維不僅能控制土體的水平變形，還可以有效地控制側(cè)向和豎向變形[2]。這是因為拌合后的玻璃纖維土，其纖維均勻地分布于土體中，土體利用玻璃纖維較好的抗拉性能，將自己牢牢黏聚在一起，具有各向同性的力學(xué)性質(zhì)。同時，與其他纖維相比，玻璃纖維具有耐腐蝕、吸水性少、強(qiáng)度高、延伸率低、加工性好等特點(diǎn)。

國內(nèi)外學(xué)者纖維土已展開了較全面的研究。Sivakumar等[3]通過研究發(fā)現(xiàn)，纖維的摻入能夠快速地提高土體的抗剪強(qiáng)度；Garry等[4]分析了土體應(yīng)力和應(yīng)變與纖維角度的關(guān)系；張旭東等[5]通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著纖維的加入，土的黏聚力、韌性和塑性均明顯改善。但目前，對玻璃纖維土的工程力學(xué)特性研究尚不全面。

本文通過室內(nèi)三軸試驗對其強(qiáng)度及變形特性進(jìn)行研究。分析了玻璃纖維摻入比、纖維長度對玻璃纖維土抗剪強(qiáng)度的影響；通過動三軸實驗分析了玻璃纖維土的動強(qiáng)度及動模量。

1 玻璃纖維土的作用機(jī)理

可用“彎曲機(jī)理”與“交織機(jī)理”來分析玻璃纖維補(bǔ)強(qiáng)土體的作用機(jī)理。彎曲機(jī)理是將摻入土體中的玻璃纖維分布形態(tài)看作連續(xù)分布的無數(shù)均勻沒有直線段的彎曲形態(tài)。當(dāng)外力作用土體時，土體中玻璃纖維受拉，由于玻璃纖維為彎曲形態(tài)，其凹側(cè)對土顆粒作用壓力與摩擦力，從而對土體進(jìn)行加固作用。交織機(jī)理是指大量玻璃纖維無序地分布在土體中，纖維之間存在無數(shù)的交織點(diǎn)，將整個纖維連接成一個統(tǒng)一的網(wǎng)格，當(dāng)某一交織點(diǎn)受力時，會牽扯整個網(wǎng)格，就會形成一個統(tǒng)一的空間受力體。

2 玻璃纖維土的三軸試驗研究

2.1 試驗設(shè)備

a）靜三軸試驗 試驗所采用的三軸儀為SJ-1A型應(yīng)變控制式，產(chǎn)自南京。儀器由試驗機(jī)器、壓力控制室以及測量系統(tǒng)3個部分組成，利用TSW-3進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

b）動三軸試驗 試驗采用電磁式GDS動三軸儀，產(chǎn)自英國GDS公司。儀器由靜力系統(tǒng)、激振系統(tǒng)及量測系統(tǒng)組成，該儀器能夠測量小應(yīng)變并自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2 試驗材料

本文試驗所采用的土樣為ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，其級配良好，物理參數(shù)如表1所示。試驗所采用的玻璃纖維為無堿玻璃纖維絲，其物理參數(shù)如表2所示。

表1 砂土的物理參數(shù)指標(biāo)

表2 玻璃纖維的物理參數(shù)

2.3 試驗方法

a）靜三軸試驗 試件為高200 mm、直徑100 mm的圓柱體，采用三軸不固結(jié)不排水試驗，以玻璃纖維摻入比例、纖維長度作為兩個水平因素。如表3所示，玻璃纖維摻入比分別取1%、2%、3%、4%，玻璃纖維的長度分別為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm，為使試驗得到的強(qiáng)度包絡(luò)線完整，取4個圍壓值，分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。

表3 玻璃纖維土的試驗工況

b）動三軸試驗 分別制作玻璃纖維摻入量為0%、2%的試件，試件為直徑70 mm、高140 mm的圓柱體。試驗時，動應(yīng)力加載的頻率為0.5～5 Hz，壓力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa。將水壓加大至所需圍壓，施加動應(yīng)力直到應(yīng)變量達(dá)到5%，即認(rèn)定試件達(dá)到破壞，試驗結(jié)束。

3 玻璃纖維土的試驗結(jié)果分析

3.1 玻璃纖維土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過對不同玻璃纖維摻入量、玻璃纖維長度以及不同圍壓條件下的玻璃纖維土三軸不固結(jié)不排水試驗，可得如圖1～圖3所示結(jié)果。

圖1 不同玻璃纖維摻入量下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖1可知，隨著玻璃纖維長度與摻入量的增加，玻璃纖維土的可承受壓力值增加，強(qiáng)度逐漸增加。軸向應(yīng)變小于1.8%左右時，玻璃纖維土試塊為彈性變形，當(dāng)軸向應(yīng)變大于3%后，玻璃纖維土試塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于平緩。由圖1可以明顯看出，與無筋砂土相比，在相同軸向應(yīng)變的情況下，玻璃纖維的摻入明顯限制了土體的變形，增加了土體的強(qiáng)度。同時，當(dāng)玻璃纖維摻入量大于2%后，在受力初期，玻璃纖維土試塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率就開始增加，玻璃纖維的加固作用已體現(xiàn)。工程應(yīng)用中，考慮到經(jīng)濟(jì)作用，可取玻璃纖維的摻入量為3%。

圖2 不同玻璃纖維長度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2可知，玻璃纖維土試塊可承受壓力值隨著玻璃纖維長度的增加而逐漸增加，當(dāng)玻璃纖維長度大于10 cm后，曲線的斜率增加，玻璃纖維的加固作用明顯。在工程應(yīng)用中，為使玻璃纖維拌合均勻，可取玻璃纖維長度為10 cm。

圖3 不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3表明，玻璃纖維土試塊的強(qiáng)度隨著圍壓的增大而逐漸增大。另一方面，其曲線斜率也隨之增加。

3.2 玻璃纖維土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

以黏聚力、內(nèi)摩擦角作為玻璃纖維的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值，本試驗所用砂土的黏聚力為0，內(nèi)摩擦角為38°。由摩爾庫倫應(yīng)力圓方法，求得不同玻璃纖維摻入量與長度下的黏聚力與內(nèi)摩擦角如表4所示。

表4 玻璃纖維土的抗剪強(qiáng)度相關(guān)指標(biāo)

由表4可知，玻璃纖維的摻入對黏聚力的影響較大，但對內(nèi)摩擦角的影響較小。

3.3 玻璃纖維土的抗剪強(qiáng)度分析

試驗可得玻璃纖維土抗剪強(qiáng)度與玻璃纖維摻入量、玻璃纖維長度的關(guān)系如圖4所示。

圖4 玻璃纖維摻入比與纖維長度的抗剪強(qiáng)度關(guān)系(圍壓150 kPa)

圖4為圍壓150 kPa時，玻璃纖維土試塊在不同玻璃纖維摻入量與長度下的抗剪強(qiáng)度曲線。由圖4可知，玻璃纖維的抗剪強(qiáng)度隨著玻璃纖維含量和纖維長度的增加而增加，但不同含量的增加量則不同，玻璃纖維含量從2%增加到3%時，其抗剪強(qiáng)度的增長幅度最大，平均達(dá)到了18%左右。摻入量由1%增加到2%時，抗剪強(qiáng)度的增長幅度平均為9%左右；摻入量由3%增加到4%時，抗剪強(qiáng)度增長幅度平均為7%左右，這是因為隨著玻璃纖維摻入量的增加，纖維與土顆粒的接觸逐漸趨于飽和。

由圖5可知，當(dāng)玻璃纖維長度由5 cm增加到10 cm時，其抗剪強(qiáng)度的平均增長幅度最大，達(dá)到了10.1%左右。當(dāng)玻璃纖維的長度大于10 cm后，抗剪強(qiáng)度的增長趨于平緩。

圖5 玻璃纖維長度與圍壓的抗剪強(qiáng)度關(guān)系（玻璃纖維摻入量3%）

3.4 動強(qiáng)度的提取

由動三軸試驗所得的試驗數(shù)據(jù)可以直觀看出動剪應(yīng)力σd/2隨破壞周數(shù)的對數(shù)lgNf的變化規(guī)律，其中動強(qiáng)度為10周破壞時對應(yīng)的動剪應(yīng)力。不同圍壓下，玻璃纖維摻入量分別為0%、2%的破壞周數(shù)與動剪強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖6、圖7所示。

圖6 玻璃纖維土的動強(qiáng)度曲線

由圖6可得不同圍壓下，Nf=10時，玻璃纖維土的動強(qiáng)度結(jié)果如表5所示。

表5 玻璃纖維土加固前后的動強(qiáng)度 kPa

由表5可知，相比于純砂土，摻入玻璃纖維后的砂土，其動強(qiáng)度平均增加了60 kPa，即提高了28.39%。另一方面，隨著破壞周數(shù)的增多，玻璃纖維土的動強(qiáng)度減小，但其動強(qiáng)度隨著圍壓的增加而增大。

3.5 動模量的提取

由動三軸試驗所得試驗數(shù)據(jù)，可得玻璃纖維土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 動三軸試驗下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖7所示應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線計算玻璃纖維土的彈性模量，如表6所示。

表6 玻璃纖維土加固前后的動模量 MPa

由表6可知，摻入2%玻璃纖維后的砂土，其動強(qiáng)度得到了有效的提高。這是因為玻璃纖維彎曲分布于砂土中，當(dāng)玻璃纖維受拉時，摩擦力隨即產(chǎn)生于彎曲處，由此便產(chǎn)生一種抗力。另一方面，玻璃纖維交叉處產(chǎn)生的力會隨著整體受力的增加使玻璃纖維產(chǎn)生橫向位移的趨勢，而其他交織在一起的玻璃纖維便會阻止這種位移的產(chǎn)生，即形成一個受力新區(qū)，從而增加了玻璃纖維土的黏聚力，由τ=σtanφ+c可知，隨著黏聚力c的增大，玻璃纖維土可承受的最大剪切應(yīng)力增大，從而提高了動剪切強(qiáng)度τd，即提高了玻璃纖維土的抗液化強(qiáng)度。此外，由于玻璃纖維在砂土中隨機(jī)分布，孔隙水壓力的上升從而受到阻止，土的液化即變得十分困難，從而提高了土體抗液化強(qiáng)度。

4 結(jié)論

a）隨著玻璃纖維長度與摻入量的增加，玻璃纖維土的可承受壓力值增加，強(qiáng)度逐漸增加。

b）玻璃纖維土試塊的強(qiáng)度隨著圍壓的增大而逐漸增大。工程應(yīng)用中，建議玻璃纖維摻入量取3%，纖維長度取10 cm。

c）玻璃纖維的摻入對黏聚力的影響較大，但對內(nèi)摩擦角的影響較小。

d）玻璃纖維土的抗剪強(qiáng)度隨著玻璃纖維含量和纖維長度的增加而增加，但不同含量的增加量則不同，玻璃纖維含量從2%增加到3%時，其抗剪強(qiáng)度的增長幅度最大。

e）動三軸試驗表明：玻璃纖維的摻入增大了土體的動強(qiáng)度，且隨著破壞周數(shù)的增多，玻璃纖維土的動強(qiáng)度減小，但其動強(qiáng)度隨著圍壓的增加而增大。