纤维加筋土的强度特性及增强机制研究

张天佑

(重庆甲多公路设计咨询有限公司，重庆 400039)

0 引 言

建造在软弱土体上的建筑物或者构筑物在后续的使用过程中会出现一系列问题，如地基发生不均匀沉降导致结构开裂，甚至倾覆。传统的土体加固方法是采用石灰或者水泥等改良剂对土体进行化学加固，与这种传统的加固方法相比，纤维加筋土在环保以及经济性方面表现出很大的优越性[1]。目前针对纤维加筋土的研究成果表明：在土体中掺入的具有较高抗拉强度与延展性的纤维对土体的加固效果非常明显，尤其是在提高土体强度、降低压缩性以及脆性等方面有着明显的作用。本文通过对加筋土试样进行直剪试验得到其抗剪强度数据，探究纤维长度及含量与加筋土抗剪强度之间的关系，并对纤维加筋土强度增强的机制进行研究。

1 纤维加筋土的强度特性

1.1 试验方案

1.1.1 试验方法

利用直剪试验对土的抗剪强度的研究历史悠久，早在18世纪后期，法国物理学家库仑就利用直剪仪对土的抗剪强度进行了系统的研究[2]。直剪试验存在一定的缺陷，如剪切面被人为固定为剪切盒的接触面；剪切面上的应力变化复杂；应力和应变的变化不均匀，随着试验的进行，剪切面积越来越小；在试验过程中对土体的排水条件无法进行有效控制。但是由于试验简单，其在工程中的应用还是很广泛的。经过长久以来试验技术的不断发展，目前直剪试验采用的直剪仪为应变控制式电动直剪仪，如图1所示。以试样的固结以及排水条件为依据，可将直剪可分为固结慢剪试验、固结快剪试验以及快剪试验三种。本文通过对聚丙烯纤维加筋土试样进行快剪试验，对其抗剪强度特性进行研究分析。

图1 应变控制式电动直剪仪

1.1.2 试验材料

(1)聚丙烯纤维。作为聚丙烯高分子化合物，聚丙烯纤维具有低密度的特点，是目前所使用的树脂材料中质量最轻的一种，外观颜色通常为白色或者乳白色。其材料具有以下特点：熔点可达165℃，耐热性好；是一种非极性物质，具有极佳的绝缘性；作为一种环保材料，具有吸水性好、无毒、无味以及无臭的优点；化学性质稳定，当用于制作纤维加筋土时可与其他类型外加剂同时使用；抗拉强度高。本次试验中所采用的聚丙烯纤维的参数见表1。

表1 聚丙烯纤维物理力学参数

(2)试验用土。本次试验所采用的土为低液限粉质黏土，最佳含水率通过轻型击实试验进行获取，所测得的数据为19.2%。其物理参数见表2。

表2 试验用土的物理参数

1.1.3 试样制备

将试验所用土经风干碾碎之后过2 mm筛，将过筛后的土样混合均匀之后放入密封袋中保存。本次试验土样中掺加的聚丙烯纤维长度有1 cm、2 cm 与3 cm三种规格，纤维的掺入量分别为干土质量的0.05%、0.15%与0.25%。试样的制作过程如下：首先根据试验需要对聚丙烯纤维的长度进行裁剪，称取一定量的风干土样，然后根据纤维的掺入量与风干土样的重量确定需要加入的纤维重量，使用高精度电子天平对聚丙烯进行称取，为保证试样混合均匀，分次在风干土样中加入聚丙烯纤维，然后再进行手工拌和均匀。根据土样的含水率计算达到最佳含水率所需要加入的水量，将水均匀地洒入混合土样中，为使水分充分扩散至土样中，要将土样装在塑料袋中，袋口封闭放置足够的时间。根据用土样制作直剪试验所需的土样，使用应变控制式电动直剪仪，每组制作4个试样，依据直剪试验标准，在4种不同竖向压力下进行直剪试验，剪切速率控制为0.8 mm/min。

1.2 试验结果分析

对直剪试验的数据进行分析，每组试样的抗剪强度τ在每级竖向压力σ下的剪应力-剪切变形曲线上按以下标准获得：取曲线的峰值对应的剪应力为抗剪强度；若曲线无峰值，抗剪强度的取值为剪切位移为4 mm时所对应的剪应力。对试样的抗剪强度τ在每级竖向压力σ下的数据进行线性拟合，得到抗剪强度指标。

1.2.1 纤维含量对抗剪强度的影响

相同的竖向压力、土样中掺入的纤维长度相同的情况下，伴随着纤维含量的增加，抗剪强度发生正向的变化，在纤维含量增加到0.05%的过程中，抗剪强度发生很明显的增加，但是纤维含量继续增加，试样的抗剪强度的增加幅度却逐渐地减小。

1.2.2 纤维长度对抗剪强度的影响

相同的竖向压力、土样中掺入的纤维含量相同的情况下，伴随着纤维长度的增加，试样的抗剪强度会先增大，当抗剪强度增大到一定程度之后，就会出现明显减小的现象。纤维长度并不是越长越好，它有个最佳值，在最佳值处对抗剪强度的增加效果最好，当超过这个值之后就会起到反作用。

1.2.3 纤维含量对抗剪强度指标的影响

纤维含量对抗剪强度指标的影响表现为：试样的黏聚力随着纤维含量的增加而增加，但是伴随着纤维含量的增加，黏聚力的增强幅度在逐步变小。而内摩擦角受到纤维含量的影响并不明显，未发生明显变化，且无明显规律可循。

1.2.4 纤维长度对抗剪强度指标的影响

纤维含量对抗剪强度指标的影响表现为：当纤维含量相同时，随着纤维长度的增加，黏聚力会出现先增强，当增加到一定程度之后会出现明显减小的现象。纤维长度在黏聚力的增强效果上存在最佳值，超过这个最佳值之后会出现反作用。而内摩擦角受到纤维长度的影响并不明显，未发生明显变化，且无明显规律可循。

2 纤维加筋土抗剪强度的增强机制

纤维加筋土的强度特性与纤维在土中的分布方式有着密切关系，本文以纤维在土中的分布方式为出发点，对纤维与土颗粒之间的作用方式进行了总结，对其增强机制进行分析，从理论上对纤维含量与长度对加筋土抗剪强度的影响进行分析。

2.1 纤维与土颗粒的作用方式

土体中的纤维为均匀分布，受到外部荷载的作用，土体强度的来源除了土颗粒之间的相互作用，还存在纤维与土颗粒之间的相互作用。由于纤维在土体中存在方式的不同，因此导致了纤维与土颗粒之间的作用方式也出现不同，主要有接触作用、弯曲作用以及交织作用三种[3]。

(1) 接触作用：纤维与土颗粒的接触处会由于受到外部荷载的影响形成摩擦力，对土颗粒的滑移起到约束作用，由于力的作用是相互的，受到土颗粒的反作用，纤维处于受拉状态，纤维内部出现拉力。

(2) 弯曲作用：土体中的纤维发生弯曲，弯曲处的土颗粒受到纤维的包裹，当受到外部荷载的作用时，土颗粒的移动受到限制。

(3) 交织作用：土体中的纤维通过互相之间发生交织而形成网络，这种网络能够限制土体受到外部荷载时发生移动，纤维之间的相互牵扯能够使外部荷载分布到更广泛的区域，使单位土体中所承受到的外部荷载的作用力显著下降。

2.2 纤维含量对加筋土抗剪强度的影响分析

当土体中纤维含量较少时，由于单位土体中纤维的含量密度低，纤维与土颗粒的接触面积小，对部分区域的土颗粒加固效果不明显，因此对土体的抗剪强度的增强效果是有限的；当纤维含量较大时，土体中的纤维密集，部分纤维不能与土颗粒充分的接触，对土体的加固效果无法全部发挥，因此伴随着纤维含量的增大，其对土体的抗剪强度的增强效果逐渐减弱。

2.3 纤维长度对加筋土抗剪强度的影响分析

当纤维长度较短时，纤维对土颗粒的约束不强，互相之间的摩擦力较小，在外部荷载的作用下，纤维容易被拔出；同时，由于纤维长度短，无法在土体中形成弯曲对土颗粒进行包裹，纤维之间不能形成网络，因此对土体抗剪强度的增强作用有限。当纤维的长度增加时，纤维与土颗粒之间的接触面增大，接触作用明显，而且弯曲作用与交织作用也会明显，但是当纤维长度超过最佳值之后，纤维之间会相互缠绕，对其与土颗粒的接触产生不利影响，当受到外部荷载作用时，土体产生一定应变之后才会使缠绕在一起的纤维相互分离，充分发挥其作用，由于在直剪试验中试样发生的应变不足以使纤维互相发生分离，因此才会出现随着纤维长度的增加试样的抗剪强度降低的现象。

3 结 论

加筋土由于对土体强度的加强效果明显，加之其在环保性与经济性方面的优异表现，在未来的工程实践中应用会越来越多。本文以聚丙烯加筋土的直剪试验为基础，对纤维含量与长度对加筋土的抗剪强度的影响规律进行研究，发现纤维含量和长度对加筋土抗剪强度均有明显的增强，但是纤维长度存在一个最佳值，超过最佳值之后则会出现反作用，导致抗剪强度降低。由于篇幅有限，本文对加筋土的抗压强度并未进行研究；同时，由于试验所采用的试样尺寸过小，只能对纤维含量与长度对加筋土抗剪强度的增强进行定性分析，无法进行精确的定量分析，以上问题会在以后继续进行研究。