膨脹土纖維加筋的強度特性機理研究

陳朝陽，于炎成，王冰

（1.中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州 230001；2.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

膨脹土研究日新月異[1-4]，加固理論主要有摩擦加筋理論[5]和準粘聚力理論[6]。國內外學者對加筋理論進行了大量的研究[7-9]。介玉新、李廣信曾經把纖維加筋土當成復合材料進行研究，利用素土的應力應變本構模型來計算纖維加筋土的應力和變形。Zornberg[10]通過試驗和理論計算提出了通過評價纖維和土體界面強度以及土體強度來計算纖維加筋土等效強度的方法。對纖維加筋效果的影響因素較多，纖維的種類、長度、表面粗糙程度、土體的含水率和干密度等都是重要的影響因素[11-12]。

本文基于纖維加筋土的實驗結果，探究纖維加筋對土體強度及變形改良機理，對江淮分水嶺地區膨脹土的處治問題具有一定的借鑒意義。

1 三軸試驗結果

不同試驗參數下的土樣三軸實驗得到的抗剪強度參數如表1。可以看出，纖維加筋土的黏聚力最大為95 kPa（加筋率為0.5%呈0°分布），黏聚力最小為72 kPa（素土）。內摩擦角最大為22.29°（加筋率為0.5%呈0°分布），最小為17.22°（素土）。纖維的摻入對膨脹土黏聚力的影響范圍要大于對土體內摩擦角的影響范圍。

2 纖維加筋土強度影響因素分析

2.1 纖維分布角度對加筋土強度的影響

100 kPa圍壓下不同黃麻纖維摻加量的應力(σ1-σ3)——應變(ε)曲線如圖1所示。可以看出，膨脹土中摻入黃麻纖維可以有效增強土體的強度，黃麻纖維的摻加角度對土樣抗剪強度有顯著影響。

圖1 不同纖維摻加量應力(σ1-σ3)—應變(ε)圖

2.2 纖維摻加量對加筋土強度的影響

在直角坐標圖中以黃麻摻加量為橫坐標，土樣破壞時對應的(σ1-σ3)為縱坐標進行繪制散點圖，繪制不同的圍壓下(100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa)，土樣破壞時對應的(σ1-σ3)與黃麻纖維摻量之間的關系，圖2所示為300 kPa圍壓下對應關系。從圖中可以看出，黃麻纖維在圖中呈各種角度分布的情況下，隨著纖維摻加量的增加，(σ1-σ3)均呈現出先增加后減小的趨勢，當摻加量為0.5%時加筋效果最為顯著，0.2%和0.8%摻加量下的加筋效果幾乎持平。

圖2 300kPa圍壓下纖維摻加量-(σ1-σ3)關系圖

2.3 纖維分布角度對抗剪強度指標的影響

本次試驗中，黃麻纖維的摻加角度對土體的抗剪強度指標有顯著的影響，以纖維的摻加量為橫坐標，黏聚力c和內摩擦角φ為縱坐標，分別繪制散點圖，如圖3所示。

圖3 纖維摻加角度對黏聚力指標的影響

黏聚力的分布范圍為72 kPa到95 kPa之間，各纖維摻加量下，纖維分布的各種角度對黏聚力的增強效果從高到低依次為0o、30o、隨機均勻分布、60o、90o。隨著纖維摻加量的增加，土體黏聚力先增加后減小，纖維摻加量為0.5%時黏聚力增加幅度最大。當纖維分布角度為90o，纖維摻加量為0.2%和0.8%時，黏聚力與素土基本相同。加筋土內摩擦角的分布范圍為17.22o到22.29o之間，纖維分布角度的影響同對黏聚力的影響基本相同。通過對比可知，纖維摻加角度對黏聚力的影響范圍要大于對內摩擦角的影響范圍。

2.4 纖維摻加量對抗剪強度指標的影響

以橫坐標為纖維分布角度，縱坐標為黏聚力c和內摩擦角φ分別繪制散點圖，可以量化研究纖維摻加量對抗剪強度指標的影響。

從圖4中可以看出，對于內摩擦角來說，0.5%纖維摻加量時的內摩擦角與0.2%和0.8%纖維摻加量時的內摩擦角基本相同，提高幅度不大。其對黏聚力影響趨勢如內摩擦角的影響趨勢，結合試驗數據，0.2%纖維摻加量和0.8%纖維摻加量下黏聚力和內摩擦角的擬合曲線基本重合，偶有交叉。黏聚力的變化范圍為72 kPa-95 kPa；內摩擦角的變化范圍為17.22°-22.29°。0.5%纖維摻加量時的黏聚力較0.2%和0.8%纖維摻加量時的黏聚力有較大幅度的提高，各種摻加角度下的提高幅度基本相同。綜上可見，纖維摻加量對土體抗剪強度指標的影響基本符合內聚力原理。

圖4 纖維摻加量對內摩擦角φ指標的影響

3 加筋機理分析

纖維加筋膨脹土的微觀機理取決于纖維表面與土中顆粒表面的物理力學作用，主要表現為摩擦力和黏聚力。摩擦力主要由膨脹土和黃麻纖維的物理力學性質、纖維-土顆粒之間的摩擦系數、土體級配等因素決定，黏聚力主要由土體和纖維的物理力學性質、土中黏粒和膠結物質含量等因素決定。

黃麻纖維加筋土在擊實的過程中，原本處于拉直狀態下的黃麻纖維被擊為波形狀態，試驗表明，形狀產生波形變形的黃麻纖維，其表面將會變得更加粗糙，這將有利于纖維表面和土體界面摩擦力的提高，黃麻纖維和土體之間咬合摩擦力的出現，進一步改善了筋/土界面力學特征，纖維增強土體抗剪強度的效果更加顯著。

4 結論

①改變黃麻纖維在膨脹土中的分布角度，可以不同程度的提高土體的抗剪特性。綜合來看，黃麻纖維在土中呈不同角度分布的加筋效果從高到低依次為0°、30°、隨機均勻分布、60°、90°。

②黃麻纖維的摻加量對纖維加筋土的抗剪強度有一定的影響?？傮w上來說，纖維對膨脹土抗剪強度的增強效果隨著纖維增加量的增加先增大后減小。試驗中當黃麻摻加量為0.5%時土體的抗剪強度增加最多，摻加量為0.2%和0.8%時的加筋效果均要低于0.5%時的加筋效果。結果表明，纖維摻加量存在一個最優值，最優值下加筋效果達到最大。

③黃麻纖維增強膨脹土體強度特性的微觀機理主要取決于纖維和土顆粒界面之間的摩擦力和黏聚力。當剪切過程中土顆粒之間的互鎖能力增強，筋/土界面抵抗剪切的能力也就越強。纖維在壓實過程中的塑性變形和彎曲變形有利于纖維增強土體強度效果的發揮。