負載條件下纖維加筋土單根纖維拉拔特征及性能

黎 亮， 楊曉松， 王 成， 韓志強

(塔里木大學水利與建筑工程學院， 阿拉爾 843300)

道路基礎建設的高質量綠色發展必然對路基提出更高的要求。在填土中摻合一定比例的纖維以改善土的物理力學性質的纖維加筋土具有就地取材，減少填料運輸和使用等優點，在未來的路基建設中具有重要潛力。因此，許多學者就纖維加筋土的物理力學性能及改良做了大量研究。

蘇帥等[1]、韓春鵬等[2]、何鈺龍等[3]的研究結果表明纖維加筋土不僅可以抑制土體的豎向和側向變形，還可以有效提高土體的抗壓和抗拉特性、抑制膨脹土脆性開裂、改善凍土區路基的性能。阮波等[4]、張軍等[5]等的研究表明纖維的加入提高了土體黏聚力進而提高了纖維加筋土體抗剪強度。尹錦明等[6]研究發現通過提高纖維加筋土路基的擊實功，可以提高纖維加筋作用，改善纖維加筋土路用性能。曾軍等[7]研究表明纖維長度越長,摻入量越多加筋效果越好。陳佳雨等[8]通過正交試驗確定了纖維加筋土強度的影響因素的優先級，依次為含水率、干密度、纖維摻量、纖維長度。

除了纖維加筋土宏觀的物理力學性能研究之外，部分學者對纖維加筋機理進行了闡釋與研究。張艷美等[9]將纖維的補強機理概括為彎曲機理和交織機理。王德銀等[10]、唐皓等[11]則將纖維的補強機理凝練為單根纖維一維拉筋作用和纖維網三維拉筋作用。然而，唐朝生等[12]認為纖維的加筋補強基礎在于界面間的摩擦力和黏結力大小，弄清楚纖維-土界面作用對闡明纖維加筋機理尤為重要，因此，其開展了單根直線形纖維的拉拔試驗并確定纖維加筋土界面作用；張誠成等[13]根據纖維拉拔試驗建立了纖維漸進破壞數學模型。

在實際纖維加筋土工程中，例如高填方路基和擋土墻等，纖維加筋土都處于負載狀態。目前中外巖土工程領域關于纖維-土界面力學作用鮮有考慮負載應力的定量研究。為了理清負載條件下纖維加筋土纖維-土界面作用規律與機制，設計負載纖維加筋土單根纖維拉拔試驗裝置和試驗方法，定量分析負載應力，纖維長度對纖維拉拔特征及界面抗剪強度的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

為了制樣方便且減小土樣差異而引起的試驗結果波動，本次試驗選用的土樣為風力分選良好的風積沙，取自塔克拉瑪干沙漠邊緣。該土樣粒徑主要分布在0.075～0.125 mm，占總質量的96%以上，土樣粒徑級配如表1所示。

表1 風積沙粒徑級配分布表Table 1 Grain size distribution table of aeolian sand

試驗中選用的纖維為尼龍纖維，此種纖維相較于普通的聚丙烯纖維具有極低的延展性，因此可以減少纖維拉拔過程中由于纖維自身變形對拉拔力-位移曲線的影響，纖維性能參數如表2所示。

表2 纖維性能參數Table 2 Fiber performance parameter

1.2 試驗裝置和試驗方法

自行設計的單根纖維負載拉拔裝置如圖1所示，主要由升降儀、電子天平，以及纖維加筋土加載器件組組成。升降儀由多功能工程力學組合試驗平臺改裝完成，位移控制精度為0.05 mm；電子天平測量精度為0.01 g；纖維加筋土加載器件組主要包括土壤加載裝置(土壤直剪儀改裝完成)和土樣室，可以對纖維加筋土提供100、200、300、400 kPa的上覆壓應力σ，由于土樣室尺寸為Ф61.8 mm×40 mm且側向剛度極大，可以保證土樣的豎向應力均勻。

①為升降儀；②為滾軸；③為升降平臺；④為電子天平；⑤為配重塊； ⑥為拉伸導線；⑦為加載蓋；⑧為纖維；⑨為土樣寶；⑩為土樣室底座圖1 試驗儀器原理圖Fig.1 Schematic diagram of test instrument

試驗儀器工作原理為：①通過土壤加載裝置對加載盤施加指定荷載使土樣室內的纖維加筋土均勻受力達到指定負載應力；②通過升降儀控制升降平臺下降，在自重作用下升降平臺上的電子天平和配重塊跟隨升降平臺下降相同的高度，在此過程中，拉伸導線通過滾軸對土中纖維進行水平拉拔，拉拔力等于電子天平上配重塊重力的減少值(纖維拉拔力等于拉伸導線對配重塊的上提作用力)，纖維拉拔位移等于升降儀下降位移。

實際操作過程中，通過電子天平采集到的數據反映的是配重塊質量的變化，因此，需要轉換為纖維所受的拉力，即

N=0.98×10-3(R0-R)

(1)

式(1)中：R0和R分別為天平的初始讀數和試驗開始后天平的讀數，g；N為纖維所受的拉力，N。

纖維與土之間的界面剪切強度為

(2)

式(2)中：τ為纖維-土界面抗剪強度；Fmax為線性階段峰值拉拔力；S為纖維與土接觸面積；D為纖維直徑；L為纖維長度。

1.3 制樣

按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)規定進行風積沙擊實試驗，得到不同含水率條件下的風積沙干密度。考慮試驗的穩定性，本文中選取含水率為10%，對應干密度為1.5 g/cm3的風積沙濕土樣作為試驗土樣。土樣室高40 mm且在其中部開有2 mm小孔[圖2(a)]，以便纖維穿入。制樣時，根據土樣室體積算出濕土樣總質量；取總質量的一半倒入土樣室并擊實至土樣室高度的一半[圖2(b)]；將一根尼龍纖維從土樣室中部小孔穿入指定長度[圖2(c)]；將剩余土樣倒入土樣室并擊實至土樣室頂平齊[圖2(d)]，試樣示意圖如圖3所示。

圖2 土樣制備過程示意圖Fig.2 Sketch drawing of sample preparing process

圖3 單根纖維拉拔試驗樣品示意圖Fig.3 Sketch drawing of single fiber pull-out test sample

1.4 試驗方案

試驗采用位移控制，位移速率為0.05 mm/s,設置負載應力為100、200、300、400 kPa;纖維長度為1、2、3、4 cm；共計16組試驗，每組至少3個平行樣。

2 試驗結果分析

2.1 拉拔特征

如圖4～圖6所示，負載條件下，纖維整個拉拔過程大致分為三個階段：線性階段、屈服階段和軟化階段。當拉拔位移較小時，拉拔力與位移服從線性關系，為線性階段；該階段最大拉力為線性峰值拉力Fmax，最大位移為線性峰值位移Δmax，拉拔力與位移的比值為線性斜率Kx。當位移超過線性峰值位移，拉拔力隨著位移的增加緩慢變化且成非線性關系，為屈服階段。當拉拔位移增加到一定程度，拉拔力與位移又恢復線性相關性，拉拔力隨著位移的增加而降低，為軟化階段，拉拔力與位移的比值為軟化斜率Kr。

圖4 纖維拉拔曲線示意圖Fig.4 Sketch drawing of single fiber pull-out curve

2.1.1 纖維長度對拉拔特征的影響

如圖5所示，線性階段，隨著纖維長度L的增加，線性峰值位移Δmax隨之增加，但絕對位移Δ較小，主要集中在1.0～3.0 mm之間，這說明負載條件下很小的纖維-土界面相對位移就能產生較大的界面相互作用。在此階段，不同長度纖維拉拔力-位移曲線基本重合，100、200、300、400 kPa負載條件線性斜率Kx分別為0.425、0.49、0.45、0.50 N/mm，差異不大；這說明拉拔力隨位移增加的增長速率受纖維長度影響較小。

圖5 不同長度纖維拉拔曲線圖Fig.5 single fiber pull-out curve with different fiber length

屈服階段，拉拔力-位移曲線呈現非線性特征，纖維長度越大，曲線曲率越小。屈服區間越大。

軟化階段，拉拔力隨著拉拔位移的增加呈現出線性下降的趨勢，但該階段的軟化斜率絕對值|Kr|顯著小于線性階段的線性斜率Kx。100、200、300、400 kPa負載條件下，|Kx/Kr|分別在5～11、5～7、4～12、4～8之間不等；纖維長度對軟化斜率有明顯的影響，相同負載應力條件下，隨著纖維長度越長，軟化階段曲線有逆時針旋轉的趨勢，即相同負載條件下，纖維越長，軟化斜率Kr的絕對值越小，曲線越平緩。100 kPa負載條件下，當纖維長度由1 cm增加到4 cm，軟化斜率絕對值由0.08 N/mm降低到0.04 N/mm；200 kPa負載條件下，軟化斜率絕對值由0.1 N/mm降低到0.07 N/mm；300 kPa負載條件下，軟化斜率絕對值由0.12 N/mm降低到0.004 N/mm；400 kPa負載條件下，軟化斜率絕對值由0.15 N/mm降低到0.07 N/mm(圖6)。

圖6 Kr-L曲線Fig.6 Curve of Kr-L

2.1.2 負載應力對纖維拉拔特征的影響

如圖7所示，線性階段，不同負載應力σ條件下纖維拉拔力-位移曲線基本重合。1、2、3、4 cm長度纖維線性斜率依次為0.38、0.55、0.52、0.49 N/mm。

圖7 不同負載應力條件下纖維拉拔曲線圖Fig.7 Single fiber pull-out curve under different loads

100、200 kPa負載應力區間屈服階段跨度很小，屈服階段不明顯，300、400 kPa負載應力區間屈服階段跨度較大，曲線曲率很小，甚至有近似水平的波動段。

軟化階段，拉拔力-位移曲線呈現出線性下降的趨勢。整體上看，隨著負載應力的增加，軟化斜率Kr的絕對值增加，但變化特征受到纖維長度的顯著影響。當纖維長度為1 cm時，軟化斜率絕對值隨著負載應力的增加單調線性遞增。當纖維長度為2、3、4 cm時，隨著負載應力的增加，軟化斜率絕對值成兩階段變化：負載應力從100 kPa增加到200 kPa時，其快速增加，負載應力從200 kPa增加到400 kPa時，其緩慢變化，如圖8所示。

圖8 Kr-σ曲線Fig.8 Curve of Kr-σ

綜上所述，纖維拉拔過程分為三個階段，線性階段拉拔力隨拉拔位移的增加線性增加。線性斜率在不同的纖維長度和負載應力條件下均在0.5 N/mm左右，可以由此推論纖維的線性斜率受負載應力和纖維長度的影響較小。纖維長度和負載應力的增加都會使屈服階段的曲線曲率減少，區間增大。纖維長度的增加會引起軟化斜率絕對值的降低；負載應力的增加會引起軟化斜率絕對值的增加。

2.2 纖維長度對拉拔性能的影響

峰值拉拔力Fmax和界面抗剪強度σ是纖維加筋土設計的兩個重要參數，如圖9、圖10所示：相同負載條件下，峰值拉拔力隨著纖維長度的增加單調遞增，且兩者之間表現出良好的線性相關性；負載應力越大，峰值拉拔力-纖維長度曲線斜率越大，即負載越大，峰值拉拔力隨著纖維長度的增加增長得越快，當負載應力從100 kPa增加到400 kPa時，峰值拉拔力-纖維長度曲線斜率從0.31 N/cm增加到0.46 N/cm。

圖9 Fmax-L曲線Fig.9 Curve of Fmax-L

圖10 τ-L曲線Fig.10 Curve of τ-L

與峰值拉拔力隨著纖維長度變化規律不同，纖維-土界面抗剪強度隨著纖維長度的增加單調降低，且負載應力越大，降低得越快，當負載應力由100 kPa增加到400 kPa,界面抗剪強度-纖維長度曲線斜率由-8.72 kPa/cm降低到-23.56 kPa/cm。

綜上所述，纖維長度的增加能增加纖維-土界面總的作用力，但總作用力的增加速率小于纖維長度的增加速率，最終導致單位面積的抗剪強度隨著纖維長度的增加而降低。

2.3 負載應力對拉拔性能的影響

試驗結果表明：纖維長度相同的條件下，隨著負載應力的增加，峰值拉拔力和界面抗剪強度均呈現出單調增長的趨勢；但不同的是，纖維長度越長，峰值拉拔力隨著負載應力的增加增長得越快，界面抗剪強度隨著負載應力的增加增長得越慢。纖維長度由1 cm增長到4 cm, 峰值拉拔力-負載應力曲線斜率由0.001 1 N/kPa增加到0.002 6 N/kPa；抗剪強度-負載應力曲線斜率由0.35降低到0.19，如圖11、圖12所示。

圖11 Fmax-σ曲線Fig.11 Curve of Fmax-σ

圖12 τ-σ曲線Fig.12 Cueve of τ-σ

3 結論

(1)結合纖維加筋土中纖維處于受載的實際工況，提出的負載條件下單根纖維拉拔試驗方法及試驗裝置具有操作簡單、測試效率高和結果可靠等優點，為定量分析纖維-土界面力學強度及纖維加筋土纖維設計提供了新的途徑。

(2)負載條件下，纖維拉拔全過程可分為三個階段：線性階段、屈服階段、軟化階段。由于負載應力的存在迫使纖維-土界面之間始終處于動態平衡之中，中，拉拔過程連續且無明顯的拉拔力突變情況。

(3)峰值拉拔力隨著負載應力和纖維長度的增加而增加；纖維-土界面抗剪強度隨著負載應力的增加而增加，隨著纖維長度的增加而降低，這說明纖維拉拔力學特征同時受到負載應力和纖維長度的影響，負載應力增強了纖維-土的界面相互作用，纖維長度會削弱纖維-土的界面相互作用。

(4)隨著拉拔位移的增長，線性階段拉拔力的變化速率顯著大于軟化階段；線性斜率受負載應力和纖維長度變化影響很小，軟化斜率絕對值隨著負載應力的增加而增加，隨著纖維長度的增加而降低。