摘  要：為改善黏土遇水變形、失水收縮干裂和強(qiáng)度等不良特性，以滿足目前的工程需要。以不同長度，不同摻量的苧麻纖維作為加筋材料加入到生土中，通過無側(cè)限抗壓和抗剪試驗(yàn)，研究分析加筋材料的長度和加筋率對苧麻纖維加筋土強(qiáng)度特性的影響。當(dāng)纖維加筋率0．5%，纖維長度15mm時(shí)，苧麻纖維對土樣的加筋效果最為顯著。與素土相比，苧麻纖維加筋土的應(yīng)力位移曲線一直持續(xù)增長，表現(xiàn)為明顯的應(yīng)變硬化特征；黏聚力值隨著纖維摻量的增加而增加，這是因?yàn)槠r麻纖維在土壤中相互交織、相互連接，形成一個(gè)三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但過長的纖維會使有效纖維長度下降，弱化了加筋效果，苧麻纖維的加筋對土樣內(nèi)摩擦角的影響較小，可以忽略不計(jì)。研究結(jié)果表明：苧麻纖維能很好地提高試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，為苧麻纖維加筋土的理論研究提供參考。

關(guān)鍵詞：苧麻纖維；無側(cè)限抗壓試驗(yàn)；直剪試驗(yàn)；黏聚力

纖維加筋土技術(shù)就是將有高抗拉強(qiáng)度性質(zhì)的材料按照一定的比例分散在土體中，組成一種新的復(fù)合材料，這種材料能顯著提高土體的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化土體工程性能的作用。因而，纖維加筋土在我國有著很大的應(yīng)用前景。李廣信^［1］等人研究纖維加筋黏土，結(jié)果表明纖維加固顯著提高了纖維土的剪切強(qiáng)度、剛度和整體拉伸強(qiáng)度。劉軍等^［2］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)添加了谷莠子的生土土樣的強(qiáng)度明顯增加。阮波等^［3］研究發(fā)現(xiàn)紅土抗壓強(qiáng)度的提升與玻璃纖維的混入有關(guān)，且纖維長度越長，抗壓強(qiáng)度越大，纖維含量增加，抗壓強(qiáng)度先變大后變小。M．Acheza等^［4］將番茄和甜菜的莖部和根部現(xiàn)成的天然高分子復(fù)合材料結(jié)合起來，并通過相對強(qiáng)度測試證明，混合這些纖維可以提高抗壓強(qiáng)度。還有王德銀^［5］、璩繼立^［6］、魏麗^［7］等人都對植物纖維加筋土的強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究。

本文以苧麻纖維作為加筋材料對黏性生土進(jìn)行改良，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)得到相關(guān)數(shù)據(jù)，研究分析苧麻纖維摻量和纖維長度2個(gè)變量對纖維加筋土力學(xué)強(qiáng)度特性的影響，并分析其加筋機(jī)理，為今后苧麻纖維加筋土研究和工程實(shí)踐提供參考。

1試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)材料制備

（1）黏土：實(shí)驗(yàn)土樣來自合肥蜀山區(qū)新西站站房工程項(xiàng)目基坑處，將現(xiàn)場取回的土樣烘干碾碎至5mm過篩備用，過篩后土樣如圖1所示，其物理性質(zhì)如表1所示。

圖1 生土過篩

表1 試驗(yàn)用土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

（2）苧麻纖維：苧麻纖維來自安徽省六安市，將一定量的苧麻纖維剪成5、10、15、20mm4種不同長度備用，苧麻纖維如圖2所示，其物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖2 苧麻纖維

表2 苧麻纖維物理力學(xué)參數(shù)

1.2試樣制備與試驗(yàn)方法

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)土樣的尺寸均為：70．7×70．7×70．7mm。苧麻纖維加筋率(苧麻纖維與試驗(yàn)風(fēng)干土樣質(zhì)量百分比)分別為：0．1%、0．2%、0．3%、0．5%、0．7%、0．9%；苧麻纖維長度分別為：10、15、20mm。加筋土試件制作和養(yǎng)護(hù)過程與素土試塊相同。每組試件做3個(gè)，一共做18組。試驗(yàn)采用分層擊實(shí)法，為了保證纖維在土體內(nèi)分布均勻，在加入土體前將交織在一起的撕成絲狀，混合時(shí)充分?jǐn)嚢?。按照不同工況稱取苧麻纖維和土樣，按最佳含水率15．1%稱取蒸餾水，邊噴灑邊攪拌以便均勻混合，調(diào)配好的土樣密封靜置24h，靜置24h后取出土樣分層倒入模具，擊實(shí)到規(guī)定尺寸后靜置一段時(shí)間用脫模機(jī)脫模，在室內(nèi)濕度為30%～40%，溫度為25℃～30℃的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24h。

直剪試驗(yàn)采用的是ZJ-1B型應(yīng)變控制式直剪儀，選取長度為10mm的纖維，加筋率分別為0．1%、0．3%、0．5%的苧麻纖維絲在不同的垂直壓力(50、100、200、400kPa)下?lián)饺氲剿赝林?，進(jìn)行直剪試驗(yàn)。環(huán)刀試樣直徑為61．8mm、高度為20mm，剪切速率為0．8mm/min。養(yǎng)護(hù)時(shí)間、養(yǎng)護(hù)條件與無側(cè)限制抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)相同。

2無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

為了研究苧麻纖維加固對黏土強(qiáng)度的影響，通過進(jìn)行素土加筋土無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，研究分析苧麻纖維長度和纖維摻量對纖維加筋土強(qiáng)度的影響，并確定了苧麻纖維加筋土的最佳纖維長度和纖維摻量，同時(shí)分析了加筋土的變形特性和影響加筋土強(qiáng)度的因素。

2．1抗壓強(qiáng)度值

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是一種壓縮試驗(yàn)，試樣在零周圍壓力下承受軸向壓力。本試驗(yàn)采用多功能路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀施加豎向荷載，表3為不同纖維長度和纖維摻量下試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。

表3 苧麻纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值

從表3可以看出，當(dāng)纖維加筋率不變時(shí)，纖維長度從0mm增加到15mm，加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增長趨勢，當(dāng)纖維長度超過15mm時(shí)，抗壓強(qiáng)度開始下降；當(dāng)纖維長度保持不變時(shí)，纖維加筋率從0．1%增加到0．5%，加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增長趨勢；當(dāng)纖維加筋率超過0．5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度開始下降。在不同的配比條件下，加筋土樣的抗壓強(qiáng)度均大于素土土樣的抗壓強(qiáng)度，說明摻入苧麻纖維對生土有著積極的改良作用。

2．2抗壓強(qiáng)度影響因素分析

纖維加筋土的抗壓強(qiáng)度隨著纖維加筋率的增大先增大后減小，在纖維含量為0．5%時(shí)達(dá)到最大值，即193．7kPa；當(dāng)纖維加筋率小于0．5%時(shí)，苧麻纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著纖維加筋率的增大而增大。這是因?yàn)楫?dāng)纖維長度一定時(shí)，隨著纖維在土體中數(shù)量變多，纖維與土體相互接觸的面積增大，從而讓苧麻纖維與土顆粒之間的結(jié)合力變強(qiáng)，充分利用纖維自身的抗拉性抵抗土體的橫向變形；其次，苧麻纖維在土體內(nèi)隨機(jī)分布，纖維加筋率的增大使得土體單位體積內(nèi)苧麻纖維數(shù)量增加，這些纖維相互連接，在土體中形成一個(gè)類似網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步限制了土體在各個(gè)方向的變形，當(dāng)纖維加筋率較小時(shí)，纖維在土體內(nèi)部處于分散狀態(tài)，無法形成完整的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，也就對土體的變形很難起到較強(qiáng)的限制作用。當(dāng)纖維加筋率大于0．5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度纖維加筋土強(qiáng)度開始逐漸下降，因?yàn)楫?dāng)土體內(nèi)纖維含量過大時(shí)，在土體內(nèi)部纖維與纖維之間會重疊堆積，而纖維本身是沒有黏結(jié)性的，導(dǎo)致纖維聚集處形成軟弱面，受到荷載時(shí)會很容易造成土體破壞，產(chǎn)生縫隙，降低了土體整體的抗壓強(qiáng)度，限制了苧麻纖維對加筋土的改良效果。

圖3 抗壓強(qiáng)度隨纖維加筋率變化規(guī)律

圖4 抗壓強(qiáng)度隨纖維長度的變化規(guī)律

纖維加筋率一定時(shí)，纖維長度在10～20mm范圍內(nèi)苧麻纖維加筋土的抗壓強(qiáng)度隨著纖維長度的增加先增加后減少，加筋土的抗壓強(qiáng)度在15mm纖維長度時(shí)達(dá)到最大值。纖維長度小于15mm時(shí)，纖維加筋土的抗壓強(qiáng)度隨著纖維長度的增大而增大。因?yàn)樵黾悠r麻纖維長度可以增加纖維錨固的長度，所以苧麻纖維的抗拉強(qiáng)度得到很好的發(fā)揮，更有效的限制土體開裂和變形。纖維長度的增長也有利于分擔(dān)土體受到的拉應(yīng)力，提高了土樣的抗壓強(qiáng)度。纖維長度大于15mm時(shí)，纖維加筋土的抗壓強(qiáng)度開始顯著下降，這是由于在纖維加筋率不變的情況下，苧麻纖維長度增加的同時(shí)苧麻纖維數(shù)量也在減少，導(dǎo)致土體內(nèi)單位體積的纖維數(shù)量減少，降低了苧麻纖維與土體的黏結(jié)能力。同時(shí)在試樣內(nèi)部過長的纖維更容易讓纖維重疊和堆積在一起，使得土顆粒與苧麻纖維接觸不充分，“有效纖維”數(shù)量下降，導(dǎo)致整體抗壓強(qiáng)度下降，但仍然比素土試樣有著更大的抗壓強(qiáng)度。

圖5 纖維長度15mm、加筋率0.5%素土土樣破壞情況

在加載的初始階段，試樣的側(cè)面沒有出現(xiàn)裂紋；在接近彈性階段，當(dāng)載荷增加到最大載荷的50%左右時(shí)，試樣的中間和底部出現(xiàn)小裂紋；隨著荷載進(jìn)一步增加，試樣中間和底部的裂紋開始增加，試樣的4個(gè)角出現(xiàn)裂紋，并且沿著受力方向發(fā)展為較為明顯的豎向裂縫，由于試件沒有滿載，試件沒有完全破壞；當(dāng)荷載增加到最大時(shí)，試件中開始出現(xiàn)大量的垂直裂縫，試件在中部發(fā)生脹裂，試樣4個(gè)角的土出現(xiàn)脫落；隨著荷載的不斷增加，裂縫不斷出現(xiàn)并擴(kuò)大；在初始加載階段加筋土試件的表現(xiàn)和素土試件的表現(xiàn)相似，沒有裂縫產(chǎn)生。在進(jìn)行連續(xù)加載后，苧麻纖維加筋土試件試樣中部出現(xiàn)了幾條短的裂縫，裂縫方向主要沿著豎向荷載方向，在最大荷載時(shí)，裂縫繼續(xù)擴(kuò)大，延伸到現(xiàn)有的裂縫之外，并在其周圍形成淺層裂縫，在中部發(fā)生輕微的鼓脹，荷載繼續(xù)增加，直到試件被損壞。裂縫繼續(xù)擴(kuò)大，但沒有形成貫穿土樣的斷裂。從素土試樣和苧麻纖維加筋土試樣的破壞過程可以看出，苧麻纖維的摻入較明顯的限制了土的變形，對生土起到了很好的加固作用。

3直接剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

3．1纖維對抗剪強(qiáng)度的影響

若剪切時(shí)沒有出現(xiàn)峰值強(qiáng)度，則選取剪切位移為400mm時(shí)的抗剪強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度。將豎向壓力和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合，得到粘聚力和內(nèi)摩擦角，如圖6所示。

圖6 10mm長度不同纖維加筋率的應(yīng)力位移曲線

從圖6中可以看出，素土試樣在較低的垂直荷載(50、100kPa)作用下，應(yīng)力位移圖顯示一個(gè)強(qiáng)度峰值，剪切位移繼續(xù)增大，曲線則開始變平緩。直剪試驗(yàn)過程中試件達(dá)到峰值強(qiáng)度的情況通常出現(xiàn)在2～3cm之間。當(dāng)垂直荷載繼續(xù)增大達(dá)到300、400kPa時(shí)，剪切應(yīng)力與剪切位移的曲線沒有出現(xiàn)一個(gè)最大強(qiáng)度，而是持續(xù)增長，表現(xiàn)出明顯的加工硬化特征。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著苧麻纖維含量的增加，苧麻纖維與土顆粒的接觸面積變大，更多的纖維與土顆粒之間相互接觸、相互摩擦，摩阻力增大，橫向約束力也就變大，其抗剪強(qiáng)度得到了提高。

纖維對土的加固作用不僅是由于纖維與土顆粒之間的摩擦，還跟其形成的均勻、多向、相互交織的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的空間約束作用有關(guān)。當(dāng)試件被切割時(shí)，纖維和土壤都會在切割處受到剪切應(yīng)力，纖維在剪切面的任何方向的變形都會影響相鄰的纖維，進(jìn)而在土體內(nèi)形成一個(gè)三維受力區(qū)，三維受力區(qū)的形成將使得纖維加筋黏土具有更大的抗剪強(qiáng)度和延展性，并且纖維含量增加時(shí)，即剪切斷面上的受拉纖維數(shù)量增加，加筋土抗剪強(qiáng)度提升會更加明顯。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，纖維摻量對加筋土的抗剪強(qiáng)度有顯著影響。

3.2纖維對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

通過對素土和纖維加筋土線性擬合分析得到抗剪強(qiáng)度線性表達(dá)式為y=ax+b，a為內(nèi)摩擦角正切值，b為粘聚力值，如圖7所示。

圖7 10mm纖維抗剪強(qiáng)度與豎向壓力關(guān)系

根據(jù)表4繪制纖維摻量對粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響關(guān)系曲線，如圖8～9所示。

表4 抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系

圖8 纖維含量對黏聚力的影響

圖9 纖維含量對內(nèi)摩擦角的影響

從圖8～9可以看出，土體黏聚力隨著纖維含量的增加而增加，素土的黏聚力為12．696kPa，纖維含量從0增加到0．1%、0．3%、0．5%時(shí)，黏聚力值分別為18．061、22．304、23．217kPa，分別提高了42．26%、75．68%、82．87%；纖維含量不同，增加的幅度也不同，隨著苧麻纖維加筋率的逐漸增大，黏聚力值增加的幅度隨著苧麻纖維的增加呈下降的趨勢。當(dāng)纖維含量較低時(shí)，纖維間距過大，無法形成有效的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，纖維對改良土的黏聚力的影響主要是由于纖維密度隨纖維含量的增加而增加。更多的纖維與土壤接觸，開始交織形成一個(gè)三維網(wǎng)絡(luò)，纖維對剪切應(yīng)力的分擔(dān)能力變強(qiáng)，此時(shí)，纖維對黏聚力的貢獻(xiàn)已經(jīng)不僅僅是一維的拉筋效應(yīng)，還有了三維的拉筋效應(yīng)。因此，隨著纖維含量的增加，黏聚力有增加的趨勢，同時(shí)由于纖維的交織和聚集效應(yīng)，纖維的有效作用會降低，在高纖維含量范圍內(nèi)黏聚力的增加并不明顯。苧麻纖維加筋率對土樣黏聚力的影響與苧麻纖維加筋率對土樣抗剪強(qiáng)度的影響相似。

礦物成分、顆粒形狀和分布、黏土的離子型、膠結(jié)型以及加載速率和應(yīng)力狀態(tài)等是試件內(nèi)摩擦角的影響因素。而苧麻纖維加筋屬于物理作用，苧麻纖維的摻入并不會改變土體本身屬性與外部環(huán)境作用，不能增加土顆粒間的咬合力，因此苧麻纖維加筋土內(nèi)摩擦角沒有發(fā)生明顯變化。從圖9可以看出，苧麻纖維加筋率對纖維加筋土的內(nèi)摩擦角的改變很小，并且沒有規(guī)律，相比素土，角度變化范圍大約為3°。但總體而言，纖維加筋土樣的內(nèi)摩擦角要略高于素土，主要原因是苧麻纖維的加入填補(bǔ)了土壤顆粒中的孔隙，增加了它們的緊密性，這也有利于土壤顆粒之間黏聚力的增強(qiáng)，使得內(nèi)摩擦角變大。

4結(jié)論

1）素土試樣的破壞形式為貫通試件的剪切破壞、土樣脹裂，而加筋土試樣則為多條沒有貫通試件的小破壞面，表面輕微鼓脹，表明苧麻纖維的摻入能很好地限制土體變形，提高土樣抗壓強(qiáng)度。

2）纖維加筋率變化范圍在0．1%～0．9%時(shí)，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨纖維加筋率先增大后減??；纖維加筋率為0．5%時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值193．7kPa。纖維長度變化范圍在10～20mm時(shí)，纖維長度增加，纖維加筋土的抗壓強(qiáng)度先增大后減??；纖維長度為15mm時(shí)，加筋土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。可以發(fā)現(xiàn)苧麻纖維加筋土存在最佳配比，其最佳配比為：纖維加筋率0．5%，纖維長度15mm。

3）對比素土，苧麻纖維加筋土的應(yīng)力位移曲線一直持續(xù)增長，表現(xiàn)為明顯的應(yīng)變硬化特征；黏聚力值隨著纖維摻量的增加而增加，這是因?yàn)槠r麻纖維在土壤中相互交織、相互連接，形成一個(gè)三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但過長的纖維會使有效纖維長度下降，弱化了加筋效果。苧麻纖維的加筋對土樣內(nèi)摩擦角的影響較小，可以忽略不計(jì)。

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