纖維加筋土力學特性及電鏡掃描分析

牛 雷 吳占君 畢蘇紅

（吉林建筑大學 土木工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

纖維加筋是將分散的纖維均勻摻入到土體之中，使土體的工程力學性能得到改善和提高[1-4]，已大量應用在土木工程中。纖維加筋土作為一種優良的巖土工程材料，研究其力學特性已成為巖土界重要的研究內容。纖維加筋具有良好的應用效果[5-7]。吳遠成[8]等通過試驗，發現聚丙烯纖維能有效地改良土體，起到良好的抗拉斷裂的效果，在工程中的應用有著重要參考價值。胡其志等[9]的研究結果表明，黏土中摻加棕櫚纖維后強度增加明顯，在 12mm的筋材長度和0.8%的加筋量組合下加筋效果最優，與素土相比，加筋后強度提高27%。陳志波等[10]加入纖維可有效提高土體的抗剪強度，纖維加筋土的增強機理與纖維含量有關，較小的纖維含量對土體孔隙率影響不大，加筋土以土骨架為基礎；當纖維含量較大時，孔隙率明顯增大。趙佳愉等[11]通過試驗證實不同長度椰絲纖維加筋土體的抗剪強度隨著法向應力的增加呈線性增加趨勢，符合摩爾-庫倫定律的基本規律。Estabragh等[12]用隨機分布的尼龍纖維來加固軟土，通過三軸試驗研究尼龍纖維含量的加筋效應，發現添加纖維可提升天然土壤的剪切強度和摩擦角，且隨著纖維含量的增加，預固結壓力降低并且膨脹和壓縮系數增加。白琨等[13]通過試驗得到玄武巖纖維最佳摻量下，加筋土的劈裂抗拉強度值相比水泥土增加了87%。周帥[14]等研究結果表明，苧麻纖維能很好地提高試樣的無側限抗壓強度和抗剪強度。蘆葦[15]等通過試驗表明，纖維摻量和長度越大，漿體流動性越低，而纖維長度與收縮率無明顯相關性。吳瑞潛[16]等通過試驗發現隨著凈法向應力的增大，土體的剪應力-剪切位移曲線由軟化型逐漸向硬化型轉化，纖維長度L為12mm的加筋土樣表現出的剪切硬化特性最明顯。李騫[17]等發現與純砂土相比，加入改性材料和秸稈纖維后，降低了土體滲透性，增加了土體的粘聚力，內摩擦角基本保持不變。

目前的研究大多集中在纖維土體的力學性能，對纖維在土體中的微觀結構分析尚不充分。為此，本文將玻璃纖維摻入到長春地區低液限黏土（呈黃色）中，探究纖維對同一種土加固效果的影響規律；同時，通過電鏡掃描對纖維在土體中的微觀結構進行分析。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗用土取自吉林省長春市凈月區某施工場地，土樣呈黃色。風干土含水率為4.19%，液限為40.91%，塑性指數為24.84。玻璃纖維的主要性能指標如表1所示，纖維外觀如圖1所示。

圖1 玻璃纖維

表1 纖維的主要性能指標

1.2 試驗方案

將不同長度的玻璃纖維分別按不同質量比摻入到土中，纖維長度分別為3mm、6mm、9mm、12mm，質量比分別為0、0.10%、0.30%、0.50%和0.70%。

1.3 試樣制備

試樣制作采取分次制樣方法，以確保纖維的均勻分布，試樣用土拌制完成后密封養護24h，使土樣中的水分充分與土融合。隨后分次加入到壓實模具中，從而得到高80mm，直徑39.1mm的試樣。

2 試驗結果與分析

2.1 玻璃纖維摻量對無側限抗壓強度影響

不同長度的玻璃纖維加入土中均可提高土體強度，當長度相同時，纖維的不同摻量對土體強度的提高程度不同。不論是何種長度、何種摻量，與素土相比，強度均有提高，由此可得，摻加玻璃纖維可提高土體強度。

圖2為加筋材料為玻璃時，不同纖維摻量下的無側限抗壓強度。圖中曲線表示在特定的長度下，不同纖維摻量無側限抗壓強度變化規律的圖形，通過圖像及數據分析得：各纖維摻量的無側限抗壓強度與素土相比，在4種纖維摻量下，當纖維長度為3mm時，土體的無側限抗壓強度較素土分別增加了17.84%，13.83%，44.09%，31.03%。最大值發生在摻量0.5%，增幅達到了44.09%。當纖維長度為6mm 時，土體的無側限抗壓強度分別增加了50.30%，40.48%，60.92%，41.08%，最大值發生在摻量0.5%，增幅達到了60.92%。當纖維長度為9mm時，土體的無側限抗壓強度分別增加了79.96%，62.73%，83.77%，78.96%，最大值發生在0.5%，增幅達到了83.77%。當纖維長度12mm 時，土體的無側限抗壓強度分別增加了14.23%，11.42%，19.44%，13.23%，最大值發生在0.5%，增幅達到了19.44%，由此可以得出：當纖維長度一定時，加筋土的無側限抗壓強度隨著纖維摻量的增加呈現先增大再減小再增大再減小的折線趨勢，但加筋土始終大于素土，其中在纖維摻量為0.5%時，加筋土的無側限抗壓強度達到峰值，由此可見，當長度一定時，無側限抗壓強度在摻量0.5%時達到最優。

圖2 不同纖維摻量加筋土強度變化規律曲線

2.2 玻璃纖維長度對無側限抗壓強度的影響

玻璃纖維加筋土不同長度的變化規律如圖3所示。圖3中曲線表示在特定的摻量下，不同纖維長度無側限抗壓強度變化規律的圖形，通過圖像及數據分析得：各纖維長度的無側限抗壓強度與素土相比，在4種纖維長度下，當纖維摻量為0.1%時，土體的無側限抗壓強度較素土分別增加了17.84%，50.30%，79.96%，14.23%，最大值發生在9mm時，增幅達到79.96%。當纖維摻量為0.3%時，土體的無側限抗壓強度分別增加了13.83%，40.48%，62.73%，11.42%。最大值發生在9mm 處，增幅達到62.73%。當纖維摻量為0.5%時，土體的無側限抗壓強度分別增加了44.09%，60.92%，83.77%，19.44%，最大值發生在9mm處，增幅達到83.77%，當纖維摻量0.7%時，土體的無側限抗壓強度分別增加了31.06%，41.08%，78.96%，13.23%。最大值發生在9mm處，增幅達到了78.96%。由此可以得出：當纖維摻量一定時，加筋土的無側限抗壓強度隨著纖維長度增加呈現先增大后減小的趨勢，但加筋土強度始終大于素土強度，其中在纖維長度為9mm時，加筋土的無側限抗壓強度達到峰值，超過9mm后出現下降，由此可見，當纖維摻量一定時，無側限抗壓強度在纖維長度9mm時達到最優。

圖3 玻璃纖維長度對無側限抗壓強度的影響

2.3 玻璃纖維對土體抗剪強度的影響

以玻璃纖維9mm，摻量0.5%為例，得到不同垂直壓力下，纖維加筋土與素土的抗剪強度對比曲線如圖4所示。由圖4可知，不論垂直壓力大小，玻璃纖維加筋土的抗剪強度始終大于素土的抗剪強度，以此可驗證玻璃纖維不論加入多少均可提高土體的強度。

圖4 不同垂直壓力下的抗剪強度

玻璃纖維加筋土與素土抗剪強度指標如表2所示。由表可知，加入纖維后，粘聚力增加，說明玻璃纖維可提高土體的粘聚力，內摩擦角降低，但降低較小，說明玻璃纖維加入與否對內摩擦角影響不大。

表2 抗剪強度指標

3 電鏡分析

加筋土界面的抗剪強度由界面摩擦力和界面黏聚力構成，本文通過電鏡掃描對纖維加筋土的微觀結構進行分析。纖維在土體中的分布情況如圖5所示。由圖5可知，纖維在土中分布情況較為分散，由于纖維的強度遠大于土體的強度，土顆粒緊緊包裹著纖維，土體本身強度加上纖維強度，增強了纖維加筋土的強度。但纖維若是摻量過多，試樣中土體對纖維的包裹出現不均勻情況，纖維出現集束，增強效果出現下降，但始終大于素土強度。

圖5 纖維分布情況

4 結束語

綜上所述，本課題結論如下：

（1）玻璃纖維能提高土體的無側限抗壓強度，保持纖維長度不變，纖維加筋土的強度均隨纖維摻量的增加而呈波浪式變化，有兩個峰值，前峰值略小于后峰值，纖維最優摻量均為0.5%。

（2）摻入玻璃纖維，可提高土體的抗剪強度，無論在何種垂直壓力下均可提高抗剪強度，在抗剪強度指標方面，纖維的加入可提高粘聚力但對內摩擦角無明顯影響。

（3）通過電鏡掃描可知，纖維在土體中分布均勻，土體包裹纖維，增強土體的強度，纖維摻量過多時，纖維在土體中會出現集束現象，使得纖維增強土體的效果下降，但纖維加筋土的強度始終大于素土強度。