纖維加筋黃土抗剪特性研究＊

2013-07-10 07:31:36蔡華南申俊敏趙建斌顧光斗胡幼常

交通科技 2013年3期

蔡華南申俊敏趙建斌顧光斗胡幼常

（1.武漢理工大學交通學院武漢 430063；

2.山西省交通科學研究院黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實險室太原 030006）

我國東北、西北、中西部等廣大地區普遍分布著黃土覆蓋層，因此這些地區大量采用黃土修筑公路等土工結構物，其中面臨的主要問題是黃土壓實困難，路堤填土的抗剪強度低，工后沉降大，容易造成路堤的破壞［1－2］。之所以如此，主要原因在于黃土顆粒細、松散。如果在黃土中加入纖維，則有望解決這一根本問題。基于此，筆者特對纖維加筋黃土（簡稱纖維黃土）的抗剪強度進行試驗研究，以期為工程建設服務。

將連續的纖維絲或者有一定長度的短纖維絲采用機械、氣壓或水壓等方式隨機地摻入到土體中，即可形成纖維土。纖維土是廣義上的加筋土，其作用機理也類似于加筋土，但與其他土工合成材料加筋形成的加筋土有所不同的是，纖維土具有一般加筋土沒有的近似各向同性的力學性質以及良好的工程性能［3］。目前，纖維土技術已應用于多種土木工程中，如擋土結構、路堤、以及路基的穩定結構等。

有關纖維土的研究和應用，始于20 世紀70年代。在1973～1976年，法國道橋中心和瑞士Battle學院合作，對短纖維與砂的混合物進行了研究。纖維土的試驗研究大多仍集中于砂土，關于黏性土的試驗較少［4］。但在實際工程應用中，考慮到工程造價問題，土料多就地取材，因此有必要擴大研究范圍。清華大學李廣信等［5］從80年代即開始對纖維加筋黏性土的力學性質進行了試驗研究，包括抗剪強度、抗拉強度、極限拉應變、斷裂韌度、抗水力劈裂、抗沖刷性等多個方面。張旭東等［6］研究了棉質纖維加筋砂黏土力學特性。唐朝生等［7］分析了聚丙烯纖維加固軟土的效果和機制。近年來長江科學院和華南理工大學對南水北調中線工程膨脹土的纖維加筋問題進行了試驗研究［8］。但是對于纖維黃土的研究還不多。

本文對纖維黃土進行了一系列直剪試驗，主要探討了纖維摻量、壓實度、含水率等對纖維黃土抗剪性能的影響規律。

1 試驗簡介

1.1 試驗材料

黃土取自內蒙古某高速公路工地，最大干密度為1.96g／cm3，最佳含水量為10.9%。采用聚丙烯短絲纖維，其抗拉強度561 MPa，彈性模量4133 MPa，斷裂伸長率46.3%，平均直徑34.57 μm，平均長度6mm。

1.2 試驗方案

為了研究纖維摻量對纖維黃土抗剪強度的影響規律，制作纖維含量分別為m＝0.1%，0.3%和0.5%，壓實度分別為K＝88%，92%和96%組合工況下的多組纖維黃土試樣。為了對比，還制作了相同條件下的素黃土試樣。上述所有試樣的含水率w 都等于黃土的最佳含水率10.9%。

同時為了探討含水率對纖維黃土抗剪強度的影響，還制作了壓實度K＝92%，含水率分別為w＝8.9%，10.9%和12.9%，纖維摻量均為m＝0.3%的3組纖維黃土試樣和相同情況下的素黃土對比試樣。

對上述所有試樣先后在直剪儀上完成了直剪試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 剪應力－剪位移關系

圖1是壓實度為88%的素黃土及纖維黃土的剪應力－剪位移曲線。

圖1 K＝88%，w＝10.9%剪應力－剪位移關系

圖1a）表明素黃土呈弱應變軟化特征；纖維摻量m＝0.1%的纖維黃土均表現為微應變軟化（圖1b）；m＝0.3%的纖維黃土，在低法向壓力下為微應變硬化（圖1c），而在高法向壓力下則為微應變軟化；m＝0.5%的纖維黃土恰好相反，在低法向壓力下為微應變軟化，而在高法向壓力下則表現出明顯的應變硬化特性（圖1d）。所以纖維摻量較高時，可以使黃土的抗剪特性發生根本性的變化，即從應變軟化型轉變為應變硬化型，這對于提高黃土的韌性，增強其抵抗大變形的能力是十分有利的。

2.2 纖維摻量和壓實度對纖維黃土抗剪強度指標的影響

按公路土工試驗規程［9］關于抗剪強度的取值規定，剪位移小于6mm 范圍內出現剪應力峰值的取該峰值作為其抗剪強度，否則取剪位移為6 mm 對應的剪應力作為其抗剪強度。由此得到不同條件下素黃土和纖維黃土的抗剪強度線如圖2所示。由圖2確定的素黃土及纖維黃土的粘聚力c和內摩擦角φ 見表1。

圖2 素黃土及纖維黃土的抗剪強度線

表1 不同工況下的抗剪強度指標

由表1可見，相同壓實度下，纖維的摻入以及摻入量的多少對黃土的內摩擦角影響規律性不強，影響也不明顯，但對黏聚力卻有較直觀的影響，這與大多數纖維加筋土的試驗結果相類似。當壓實度相等時，纖維黃土的黏聚力普遍高于素黃土，但纖維摻入量較低時（m＝0.1%），兩者的黏聚力相差并不大，說明摻入的纖維太少時，對黃土的抗剪強度影響不大。而當纖維摻入量達到0.3%之后，作用就很明顯。當纖維摻量從0增加到0.5%時，壓實度88%，92%和96%土樣的黏聚力分別提高了69.95%，64.29%和28.61%。

圖3反映了壓實度對素黃土及纖維黃土抗剪強度指標的影響規律，從中可以看出，素黃土和纖維摻量相同的纖維黃土的黏聚力和內摩擦角隨壓實度的提高都有顯著的增長。因此在實際工程中，應盡量提高素黃土或纖維黃土的壓實度。

圖3 抗剪強度指標與壓實度的關系

2.3 含水率對纖維黃土抗剪強度指標的影響

表2是根據試驗數據整理出的不同含水率下素黃土和纖維黃土（纖維摻量m＝0.3%）的粘聚力c和內摩擦角φ，圖4是這2個強度指標隨含水率的變化曲線。從表2和圖4可知，素黃土和纖維黃土的粘聚力c和內摩擦角φ 都因含水率的增大而明顯下降，而且下降的速率基本相同。說明素黃土和纖維黃土的強度對含水率都很敏感，二者對水的敏感度基本相同。

因此，當采用黃土或纖維黃土填修筑路基時，一方面應盡量提高其壓實度，使其孔隙體積減小，降低其飽和含水率，從而提高水穩性；另一方面必須做好路基路面排水防滲方案的設計，施工中盡早完成排水及防滲設備的施工，以盡可能地減少水滲入路基。