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标题

纤维加筋对土体力学特性的影响

范文

吴会龙潘玲玲薛国强顾欢达朱宁王飞唐强

摘要：纤维加筋技术用于提升土体的强度和抗变形特性。本文分别选取两种不同纤维材料（工業聚丙烯纤维和天然麦秸秆），通过无侧限抗压强度试验来研究纤维种类、掺量及长度对于土体强度和变形的影响。试验结果表明：相较于未加筋土，聚丙烯纤维加筋土的峰值强度得到较大程度的提升，长度为12 mm、掺量为0.2%时加筋效果最好，强度可达到素土的2.2倍;麦秸秆纤维加筋后，尽管土体强度略低于未加筋土，但无论是掺加聚丙烯纤维还是麦秸秆纤维，纤维土的破坏应变均大于素土，且在峰值强度过后纤维土均表现出较大的残余强度，可见加入纤维可以明显改善土体的抗变形性能。主要是因为纤维与土颗粒之间的摩擦作用为土体提供了更大的摩擦力。

关键词：纤维;加筋土;强度;变形

中图分类号：U416.1文献标志码：A 文章编号：1006-8023（2018）06-0080-07

Effect of Fiber Reinforced Soil on Mechanical Properties

WU Huilong1， PAN Lingling2， XUE Guoqiang1， GU Huanda1*， ZHU Ning3， WANG Fei3， TANG Qiang2

（1. School of Civil Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215011; 2. School of Rail Transportation， Soochow University， Suzhou 215137; 3.Suzhou Rail Transit Group， Suzhou 215000）

Abstract： Fiber reinforced technology was applied to improve the strength and deformation resistance of soil. Two kinds of different fiber material （industrial polypropylene fiber and natural wheat straw） were selected， the effects of different fibers， content and length on soil strength and deformation were studied by unconfined compressive strength test.Experimental results show that compared with soil without fiber， polypropylene fiber reinforced soil have great improvement on the peak strength， the reinforcement effect with length of 12 mm and content of 0.2% is best and the peak strength can reach 2.2 times of soil without reinforcement. With wheat straw fiber reinforced， while the soil strength is slightly lower than soil without fiber， but whether it is mixed with polypropylene fiber or wheat straw fiber， the failure strain of fiber reinforced soil is greater than soil without any reinforced materials， and after peak intensity， the residual strength of fiber reinforced soil is higher.Therefore， we can draw a conclusion that fiber can improve the deformation resistance of soil obviously. The main reason is that the occlusion between fiber and soil particles provides soil with greater friction.

Keywords： Fiber; reinforced soil; strength; deformation

0 引言

20世纪80年代以来，纤维作为加筋材料逐渐引起了人们的重视[1]。常用于加筋的纤维主要分为人工合成纤维和天然纤维两大类。相较天然纤维而言，人工合成纤维的理化性质更好，加入土中也更易于拌合，是已被证实的良好的加筋材料。关于利用天然纤维进行加筋处理，已有诸多学者进行了研究。璩继立在粘土中加入棕榈丝进行无侧限抗压强度试验[2]，发现棕榈丝可以显著提高土体的强度和抗变形能力;李贝贝也采用棕榈丝作为加筋材料，得出了相似的结论[3];常志璐用椰丝加筋砂土[4]，结果表明椰丝纤维的长度和含量都对土体的无侧限抗压强度有较大的影响;钱叶琳研究了黄麻纤维加筋膨胀土的无侧限抗压强度[5]，发现黄麻纤维的加入在提高土体的抗压强度的同时，减小了土体破坏时产生裂缝的长度与宽度;张瑞敏对盐渍土分别进行了稻秸秆和麦秸杆的加筋研究[6]，结果表明在相同情况下，稻秸秆的加筋效果要优于麦秸杆，且纤维加筋的峰值强度均要大于未加筋土。

相较于天然纤维，也有诸多学者对人工合成纤维进行了研究。邓友生、吴鹏等研究发现聚丙烯纤维可以明显地提高膨胀土的抗压强度[7]，但加入的纤维并不是越多越好;张小平、吴继玲对膨胀土进行聚丙烯纤维加筋，也得出类似的结论[8-10];Kumar等对聚酯纤维加筋软粘土进行了抗压强度试验和抗拉强度试验[11-12]，并计算了土体抗拉强度与抗压强度的比值，发现随着纤维掺量的增加，土体抗拉强度的提升幅度要高于抗压强度;璩继立、江海洋等对聚乙烯醇纤维加筋黏土进行抗压强度的研究[13]，得出最优加筋率为0.8%，相较素土而言，加筋土的抗压强度和抗变形能力都得到了较大程度的提高;郭瑞研究了聚乙烯醇纤维对于石灰土抗压强度的影响[14]，结果表明聚乙烯醇纤维可以有效提高土体的抗压强度，改善土体的韧性。

我国作为农业大国，每年因种植所产生的秸秆量巨大，虽然针对稻秸秆和麦秸杆已有诸多处理方法[15]，包括粉碎还田及生物发电等，但其比例仅占不到30%，大量的秸秆只能通过焚烧进行处理。而秸秆中含有大量的植物纤维，因此可以考虑利用秸秆作加筋材料来改善土体的强度和抗变形特性。综上所述，本文选取天然麦秸秆作为研究对象，对松散土体进行加筋处理，进行室内无侧限抗压强度试验，进而研究纤维种类、长度和掺量对于土体力学特性的影响，并结合体视镜及扫描电子显微镜（SEM）照片对加筋机理进行探讨。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用原料土是由商品高岭土和黄砂混合而成的人工制备土：其中高岭土为苏州市浒墅关产的阳山牌商品高岭土，黄砂为粒径小于1 mm的商品黄砂。表1及图1为高岭土和黄砂的主要物化特性和照片，从级配不难看出，两种材料属于不同粒径组，混合掺配用以模拟真实环境中的土体材料，从而使研究结论具有更为普遍的代表性。对混合土进行击实试验（JTG E40-2007），得到试验所用混合土的最优含水率为12%，最大干密度为1.98 g/cm3，本试验取实际含水率为12%，以最大干密度来控制试验所制土样的质量。

试验用纤维分别为市场上销售的聚丙烯以及天然纤维麦秸秆，麦秸秆取自江苏省宿迁市，为当季收割后密封置于阴凉处储藏备用。其中聚丙烯纤维选用3个长度值，分别为6 、12 、19 mm，麦秸秆则选用两个长度范围，分别为5～10 mm和10 ～ 20 mm，纤维掺量分别取0.05%、0.1%、0.2%、0.4%。以6 mm、0.2%掺量聚丙烯为例，记为6 mm，0.2%聚。聚丙烯和麦秸杆的物理力学参数见表2，图2、图3分别为试验用聚丙烯与麦秸杆的宏观及微观照片（扫描电镜500倍）。麦秸杆在使用前，先去除麦秸杆表层干枯的表皮层，剪成所取长度范围后用粉碎机进行粉碎，取上层长度符合设定的部分用于试验。

1.2 试样制备与试验方法

试样制备前，先将试验所用黄砂与高岭土放入烘箱中，在105 ℃条件下烘干至少24 h后取出放入干燥器中冷却至室温[16-17]。

将黄砂/高岭土按质量比7 ： 3称取指定量放入搅拌器，再用称量纸称取指定量的纤维加入搅拌器中搅拌均匀，按照试验方案设计好的含水率（即取最优含水率12%），称取指定量的去离子水，加入搅拌器，再次搅拌均匀[18-20]。最后将搅拌均匀的土样装入模具，采用静压压实法制成高10 cm、直径5 cm的圆柱体试样，脱模，称重。

无侧限抗压强度试验参照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）。试验所用仪器为YSH-2型石灰土压力仪，控制底座上升速率为1 mm/min，应变在3%以前，每0.5%应变记读百分表读数一次，应变达3%以后，每1%应变记读百分表读数一次。当百分表达到峰值或读数达到稳定，再继续剪3% ～ 5%应变值即可停止试验。如读数无稳定值，则轴向应变达20%时即可停止试验[21-23]。表3为本次试验的试验方案。

2 试验结果与讨论

2.1 无侧限抗压强度

纤维掺量和纤维长度对土体抗压强度的影响如图4所示。从图4（a）可以看出，在土中加入聚丙烯可以提高土体的抗压强度，且随着聚丙烯纤维掺量的增加，土体的抗压强度呈现出先增大后减小的趋势，在纤维掺量为0.2%处，土体表现出最大的抗压强度。这表明聚丙烯与土颗粒相互接触产生的摩擦力可以在一定程度阻碍土颗粒的相对移动，在纤维低于一定掺量时，纤维丝之间也会相互产生一个拉拽作用，从而增大了土体的强度;而当纤维掺量过高时，纤维丝本身在土体中发生堆积，土颗粒之间的摩擦力要大于纤维丝之间的摩擦力，所以引起了强度的下降[24]。胡小庆在粉质粘土中加入聚丙烯纤维进行了无侧限抗压强度试验[25]，也得出了最优加筋率为0.2%;唐朝生则发现土体的抗压强度随纤维掺量的增加而增加[26];而在土中加入麦秸秆纤维时，则发现不同掺量麦秸秆加筋土之间的峰值强度差异并不大。但是无论加入的麦秸杆纤维掺量是多少，其无侧限抗压强度的峰值均小于未掺加纤维的土体，一方面可能是由于加入的麦秸秆吸收土中的水分，从而降低了自身的性能;另一方面可能是麦秸秆纤维的分散性远不及聚丙烯纤维，且所用麦秸秆的体积要远大于聚丙烯纤维丝，因而麦秸秆在土中的均匀性不是太理想，致使麦秸秆纤维在土中的连系作用不够明显。

圖4（b）呈现的是土体的无侧限抗压强度随纤维长度的变化关系。从图4（b）可以看出，加入聚丙烯纤维的长度并非越长越好，12 mm聚丙烯的加筋效果要明显好于较短的6 mm和较长的19 mm聚丙烯的加筋效果，土体表现出更大的抗压强度，最高可达0.54 MPa，约为素土的2.2倍。这是因为过短的纤维可能会避开土体中的裂纹，所以不能很好地发挥到加筋作用，而过长的纤维则容易在土体形成薄弱面，反到影响了土体的整体性，从而降低了强度[2]。孙皓也得出12 mm聚丙烯的加筋效果最好[27];胡小庆则得出纤维越长，土体的峰值强度越高的结论，其试验结果见图4（b）第三条折线[24]，究其原因可能为该学者所取纤维最短长度本来就较长，且长度差不大，从而致使研究结果有差异性。而在土中加入麦秸秆纤维，则可以发现加入5 ～ 10 mm麦秸秆的土体所表现出的抗压强度要高于掺加10 ～ 20 mm麦秸秆的土体，但其强度差别并不太大。魏丽对石灰固化盐渍土进行麦秸杆加筋的无侧限抗压强度研究[28]，则发现10 mm的麦秸杆加筋效果最好。

2.2 变形模量与破坏应变

变形模量是无侧限条件下压应力与相应应变的比值，用于表征材料抵抗弹塑性变形的能力。由于试验所用土体为非线性变形，故用E50（峰值应力的50%所对应的割线模量）来表征材料的变形特性。图5给出了不同纤维长度及掺量土体的变形模量，从图5（a）可以看出随着纤维掺量的增加土体的变形模量均呈现先增大后减小的趋势，刘建龙对棉纤维加筋土进行了研究[29]，也得出相同的结论;而张小平则发现不同纤维含量的变形模量是趋于一致的[9]。聚丙烯对土体变形模量的影响较显著，对应最优的纤维掺量为0.2%，而麦秸杆加筋纤维土的变形模量均小于未加筋土，且各掺量纤维加筋土间的变形模量差别并不大。12 mm聚丙烯纤维的提升效果要明显高于其他长度，5～10 mm的麦秸杆纤维的加筋效果则要略好于较长的麦秸杆。而刘建龙则认为加筋长度对平均变形模量的影响较小[28]。结果表明聚丙烯纤维通过与土颗粒的摩擦以及纤维丝之间的拉拽作用可以明显地改良土体的抗变形能力，而麦秸杆因为未经防腐处理，吸水后强度得到较大程度的弱化，对土体则未表现出较好的改良作用。对比上面的图5，可以发现纤维对变形模量的影响与对强度的影响基本上是趋于一致的。

图5同样描述了破坏应变与纤维掺量及长度的关系图，显而易见，相较素土而言，所有加入纤维的工况都表现出更大的破坏应变，基本为素土破坏应变的1 ～ 2倍，其中加入0.4%掺量聚丙烯土样的破坏应变最大，约为素土破坏应变的4 ～ 5倍。而胡小庆则得出不同纤维掺量加筋土的破坏应变趋于一致[26]。由图5（b）可以看出，加入的聚丙烯长度越长，土样的破坏应变越小，而加入麦秸杆却恰好相反。是因为不论是聚丙烯还是麦秸杆，依靠与土体的连接作用，都可以抑制土体裂缝的产生与发展，从而提高土体的抗变形能力。

2.3 应力-应变曲线

图6为不同长度以及不同掺量的麦秸杆纤维和聚丙烯加筋土的应力-应变曲线，总体上都呈现出应变软化的态势。由图6（a）可以明显地看出，相较于未加筋土，加入麦秸秆纤维后，土体的强度在达到峰值后并没有出现急剧的下降，表明土体的抗变形能力得到了明显地提升，这恰好也说明了纤维在土体中发挥了连系作用，尤其是在土体强度到达峰值后，纤维的连系作用抑制或者减少了裂缝的产生，从而使得土体保持着较大的残余强度。此外，虽然不同长度麦秸秆的峰值强度有差异，但其破坏后的残余强度却是趋于一致的。从图6（b）上可以看出，聚丙烯纤维在掺量为0.2%时，无论时峰值强度还是残余强度，均明显高于其他掺量的土体;未加筋土达到破坏后表现出明显的下降趋势，而所有掺量加筋土的应力-应变曲线在达到峰值后都表现的较平缓，残余强度均要高于未加筋土，其中0.4%掺量的聚丙烯加筋土的应力-应变曲线则呈现出应变硬化的态势。胡小庆、唐朝生同样得出聚丙烯纤维可以明显地提高土体的抗裂性和残余强度[26-27];其中12 mm聚丙烯的加筋效果最好，其次是19 mm聚丙烯，6 mm聚丙烯最差。璩继立同样认为纤维长度并非越长越好[2]。这说明了对于加筋材料的选择，存在一个最优的长度和掺量，与麦秸秆纤维对比可以发现对于不同的纤维加筋材料，其对应最优的长度和掺量未必相同。图7为未加筋土、麦秸秆纤维加筋土和聚丙烯纤维加筋土的破坏照片，可以看出纤维在土中起到了明显的连接作用，从而抑制土体的变形。

3 结论

（1）在土中加入纤维会影响土体的抗压强度，当在土中加入聚丙烯纤维时，相较于未加筋土体，土体中纤维与土颗粒咬合产生的摩擦力致使加筋土体的峰值强度和残余强度均有所提升，同时变形模量和破坏应变也得到了提高，减小了裂缝的产生与扩大，表现出更好的强度特性和抗变形特性，且在聚丙烯长度为12 mm，掺量为0.2%时，加筋效果最好;

（2）当加入麦秸秆纤维时，所有工况下土体的抗压强度均小于未加筋土，变形模量也相应程度的减小，原因可能是麦秸秆的分散性不够好，与土颗粒的接触较少，也可能是麦秸秆吸收土中的水分同时降低自身的性能，所以没能提高土体的强度和变形模量;但麦秸杆加筋可以一定程度上使土体保持较高的残余强度，减小裂缝的出现与发展，提高土体的抗变形能力。因而当采用天然纤维进行加筋时，有必要先对纤维进行防腐处理。

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