纖維含量及長度對纖維加筋土強度的影響研究

胡小慶，洪 柳，徐光黎，楊 新，蔣國武

（1.中國地質大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074；2.建研地基基礎工程有限責任公司天津濱海新區分公司，天津 300061；3.湖北華亞建設工程有限公司，湖北 武漢 430080）

隨著工程建設的發展，鐵路、公路路堤穩定性越來越受到重視，工程實踐中人們開始注重對路堤土體承載力、抗剪強度和土壤滲透性等方面的改良。化學添加劑（如水泥或石灰）雖然能明顯提高土體的性能，但會使土壤具有高硬度和脆性。實踐證明，在土壤中添加纖維也是一種能改良土體性能的有效方法。如李云峰等［1］通過在水泥土中添加纖維來改善水泥土的抗拉性能；Temel等［2］研究表明纖維的加入能減少砂土的脆性，使殘余強度衰減較少。纖維加筋土路堤邊坡與傳統護坡相比，具有造價低廉、易于施工、對環境無污染的優點，加筋后的路堤邊坡可以適當提高邊坡坡度，節約了用地，也不影響后期邊坡的綠化，是一項值得推廣的技術。此外，與傳統土工材料相比，聚丙烯纖維具有隨機分布的特點，纖維分布的隨機性限制了某些軟弱破壞面的發展，因此其在路堤土體加固工程中的應用越來越受到重視。

關于纖維含量及長度對纖維加筋土強度影響方面的試驗，前人做了很多研究。如Tang等［3］對三種含量的聚丙烯短纖維對水泥土強度和力學作用機理進行了研究，結果表明纖維能提供無側限抗壓強度和抗剪強度；柴壽喜等［4］對稻草加筋鹽漬土抗壓強度、抗剪強度及應力應變進行了研究，并選擇適宜的加筋長度和加筋率；聶影等［5］研究了不同根系拌合長度和拌合量對根系復合土強度和變形的影響，結果都表明加筋含量和筋材長度對土體的延展性有一定的促進作用。但目前關于聚丙烯纖維加筋土的加筋設計方面的研究還較少見。鑒于此，本文選取纖維長度和纖維含量兩個參數進行無側限抗壓強度試驗和直剪試驗，以應力應變、無側限抗壓強度、抗剪強度和抗剪強度指標為考察指標，對不同纖維含量和纖維長度的土樣的加筋效果進行了對比，試圖從中找出最優纖維含量和加筋長度，為類似纖維加筋路堤邊坡工程設計提供依據。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗用原料土為粉質黏土，黃褐色，硬塑狀態，最大干密度為1.51g／cm3，容重為18.1kN／m3，塑性指數為15，最優含水量為19%。試驗采用的聚丙烯纖維直徑為0.018～0.065 mm，密度為0.91 g／cm3，抗拉強度大于450 MPa，彈性模量大 于3.5×103MPa。

1.2 制樣條件和試驗方法

1.2.1 試樣制備

根據李敏等［6］對稻草加筋土試驗研究得出的適宜加筋長度和纖維含量，選取纖維摻量a（也稱纖維含量）占風干土重量（纖維長度）分別為0.1%、0.2%、0.3%，加筋長度（纖維長度）分別為1.5cm、2cm、2.5cm，并制備不加筋原料土作為對照組。本試驗制備兩種規格土樣：一種用于無側限抗壓強度試驗，為高度8cm、直徑3.91cm 的土柱；另一種用于直剪試驗，為高度2cm、直徑6.18cm 的土餅。

1.2.2 試驗方法

無側限抗壓強度試驗軸向應變速度控制為每分鐘應變2%，每隔0.25%應變讀數一次。直剪試驗采用固結快剪法，分別在50kPa、100kPa、200kPa、300kPa 4種不同垂直應力下進行，并且以12r／min轉速勻速轉動手輪。

表1 各組土樣的纖維長度和纖維含量Table 1 Serial number and content of each soil sample

2 無側限抗壓強度試驗結果及分析

2.1 纖維對土體抗變形能力的影響

纖維加筋土樣和未加筋土樣的無側限抗壓強度試驗應力-應變曲線如圖1所示。圖1（a）、（b）、（c）中選取纖維長度L 分別為1.5cm、2.0cm、2.5cm，纖維含量a 分別為0%、0.1%、0.2%、0.3%，研究纖維含量對應力-應變曲線的影響。由圖1（a）、（b）、（c）可見，與未加筋土樣（a=0%）相比，加筋后的土樣抗變形能力得到很大提高，加筋土與原料土應力-應變曲線均呈應變軟化特征，但加筋后的土樣軟化特征得到明顯的改善，并且隨著纖維含量的增加，曲線的差別逐漸加大；當纖維長度L 為2.5cm時，基本已經逐漸接近應變硬化型［見圖1（c）］；當纖維含量a為0.2%和0.3%時，軸向最大應力相差不大。

圖1 纖維長度和纖維含量對土樣應力-應變曲線的影響Fig.1 Impacts of fiber length and fiber content on the stress-strain curve of the soil samples

圖1（d）中選取纖維含量a 為0.2%，纖維長度L 分別為1.5cm、2.0cm 和2.5cm，當軸向應變為1.5%時，未加筋土樣的曲線開始出現轉折，而加筋土樣隨著軸向應變增大，軸向應力繼續增長，當纖維加筋土樣達到峰值強度后，軸向應變均為2%，隨著軸向應變繼續增大，3個加筋土樣應力-應變曲線幾乎保持平行。這說明只有在軸向應力達到一定程度時，纖維的加筋效果才得以發揮。隨著纖維長度的增加，土樣的峰值強度和殘余強度增大幅度相同，均能使土體保持較高的殘余強度。

該應力-應變曲線很好地驗證了纖維對土體力學性能的改良效果。對于加筋土樣，其應力-應變規律均表現為當軸向應變達到2%時曲線開始衰減，說明纖維含量對加筋土樣承受最大軸向應力時的軸向應變沒有影響；隨著軸向應變的增加，加筋土樣的軸向應力出現小幅度衰減，而未加筋土樣軸向應變達到1.5%時軸向應力即開始衰減，曲線基本呈拋物線型。這是因為纖維的加入延緩了裂縫的發展，限制了土體的變形，含量較高、長度較長的纖維起到了連接土體各個部分的作用，防止局部裂縫的發展，從而提高了土體強度。

2.2 纖維對土體抗壓強度的影響

圖2 纖維含量對土樣無側限抗壓強度的影響Fig.2 Impact of fiber content on of the unconfined compressive strength of soil samples

圖3 纖維長度對土樣無側限抗壓強度的影響Fig.3 Impact of fiber length on the unconfined compressive strength of soil samples

對于加筋土樣取軸向應變2%所對應的軸向應力作為無側限抗壓強度，原料土取軸向應變1.5%所對應的軸向應力作為無側限抗壓強度進行無側限抗壓強度試驗，纖維含量和纖維長度對土體無側限抗壓強度的影響見圖2和圖3。由圖2可見，隨著纖維含量的增加，土樣無側限抗壓強度的增長幾乎呈拋物線，當纖維含量為0.2%時，其抗壓強度達到最大值，纖維含量超過0.2%后，曲線基本與坐標軸平行，這說明纖維含量在0.2%以內加筋效果明顯。由圖3 可見，不加筋土樣無側限抗壓強度為190 kPa，隨著纖維長度的增加，土樣無側限抗壓強度呈線性增加，加纖維后的土樣抗壓強度得到明顯提高，并且隨著纖維長度的增加，土樣無側限抗壓強度還能進一步提高。

3 直剪試驗結果及分析

3.1 纖維對土體抗剪強度的影響

本試驗選取剪應力峰值作為抗剪強度，將抗剪強度與垂直壓力的關系進行擬合（見圖4），得到土樣的內聚力c和內摩擦角φ，見圖5和圖6。

纖維長度和纖維含量對提高纖維加筋土的抗剪強度有重要作用［7］。由圖4可知，與未加筋土樣抗剪強度對比，加筋后土樣抗剪強度得到明顯提高。圖4（a）中，當纖維長度較短（L=1.5cm）時，同一垂直壓力下不同纖維含量的土樣抗剪強度增長較小，擬合直線間差別較小；圖4（b）中，當纖維長度較長（L 為2.5cm）時，加筋土樣與未加筋土樣抗剪強度增長較明顯，同一垂直壓力下不同纖維含量的土樣抗剪強度差別較大，這說明對提高土體抗剪強度而言，只有當纖維長度達到一定值時，纖維的加筋效果才明顯；圖4（c）為纖維含量a為0.1%時，不同纖維長度加筋土樣與未加筋土樣垂直壓力與抗剪強度的關系，可見纖維長度L 為1.5cm 與L 為2.0cm 的差別不大，當L 為2.5cm 時，土樣的抗剪強度大幅度增長，加筋效果明顯，并且這種差別隨著纖維含量增加而逐漸增大［見圖4（d）］。

3.2 纖維對土體抗剪強度指標的影響

本文對土體抗剪強度指標（內聚力c和內摩擦角φ）隨纖維含量的變化規律采用多項式進行擬合，其擬合結果見圖5和圖6。

由圖5可見，纖維含量對加筋土樣的內聚力影響較大，隨著纖維含量的增加，土樣內聚力c值逐漸增加。當纖維長度L 為1.5cm、纖維含量a 為0.1%時，比未加筋土樣內聚力c值增加了30%，而當纖維含量從0.1%增加到0.2%時，c 值增加了14.6kPa，纖維含量從0.2%增加到0.3%時，c值增加了6.4kPa，可見纖維含量為0.2%時加筋土樣內聚力c值增加最明顯。纖維長度對加筋土樣的內聚力也產生很大影響，當纖維含量為0.2%，纖維長度從1.5cm 增加到2cm 時，內聚力c 值增加了6 kPa，纖維長度從2cm 增加到2.5cm 時，內聚力c值增加了15.6kPa，顯然纖維長度為2.5cm 時加筋土樣內聚力c值增加最明顯。

圖4 土樣抗剪強度與垂直壓力的關系圖Fig.4 Relationship between the shear strength of soil samples and vertical pressure

由圖6可見，纖維含量和纖維長度對加筋土樣內摩擦角的影響較小。當纖維長度L 為1.5cm、纖維含量a為0.1%時，加筋土樣與未加筋土樣相比，僅使其內摩擦角增加了1.6°，隨著纖維含量的增加，加筋土樣的內摩擦角變化幅度為4%～5%。

圖5 土樣內聚力c隨纖維含量a 的變化曲線Fig.5 Variation curves of cohesion with fiber contents

圖6 土樣內摩擦角φ隨纖維含量a 的變化曲線Fig.6 Variation curves of internal friction angle with fiber contents

綜上可見，纖維含量對土體抗剪強度指標內聚力影響較大，而對內摩擦角影響不大，基本符合準內聚力原理［8］。隨著纖維含量的增加，土體內聚力會逐漸增加，當纖維含量為0.2%時，土體內聚力的增長幅度最大，此時的加筋效果最好，因此0.2%為纖維的最優含量。可見，對土體抗剪強度而言，纖維長度越長，纖維含量的影響也越明顯。由圖5可知，纖維長度為2.5cm 時，對土體內聚力的增長效果最明顯，因此纖維最優長度為2.5cm。

4 結論

纖維含量和纖維長度對土體抗壓強度、應力應變和抗剪強度均有影響。本文通過開展纖維加筋土無側限抗壓強度試驗和直剪試驗，得到如下結論：

（1）纖維對限制土體側向變形有抑制作用，土體加筋后峰值強度和殘余強度均有提高。纖維含量越高，土體殘余強度衰減越小，應力-應變曲線越趨于應變硬化型；而纖維長度對應力-應變曲線基本形狀沒有影響。

（2）纖維含量為0.2%時，土體抗壓強度增長幅度最大；纖維含量超過0.2%時，土體抗壓強度隨纖維含量增加不發生變化。纖維長度為2.5cm 的加筋土的抗壓強度最大，隨著纖維長度的增加土體抗壓強度還能進一步增長。

（3）纖維的加入對土體內聚力的影響較大，對內摩擦角的影響較小，符合準內聚力原理。纖維含量為0.2%、纖維長度為2.5cm 時，土體內聚力的增長效果最顯著。

（4）纖維長度和纖維含量對土體抗剪強度均有影響，纖維長度越長，纖維含量對土體抗剪強度的影響越明顯，兩者對土體抗剪強度共同發揮加筋作用。纖維長度對纖維加筋土的加筋效果將在后續試驗中進行研究。

［1］李云峰，李志國，鄭剛.纖維水泥土力學性能試驗研究［J］.建筑科學，2004（6）：56-60.

［2］Temel Y，Omer S.A study on shear strength of sands reinforced with randomly distributed discrete fibers［J］.Geotextiles and Geomembranes，2003，21：103-110.

［3］Tang C，Shi B，Gao W，et al.Strength and mechanical behavior of short polypropylene fiber reinforced and cement stabilized clayey soil［J］.Geotextiles and Geomembranes，2007，25：194-202.

［4］柴壽喜，石茜.加筋長度和加筋率下的稻草加筋土強度特征［J］.解放軍理工大學學報（自然科學版），2012（6）：646-650.

［5］聶影，陳曉紅，付征耀，等.生態護坡根系纖維土強度和變形特性實驗研究［J］.鐵道工程學報，2011（7）：6-8.

［6］李敏，柴壽喜，王曉燕，等.以強度增長率評價麥秸稈加筋鹽漬土的加筋效果［J］，巖土力學，2011，32（4）：1051-1056.

［7］吳燕開，牛斌，桑賢松.隨機分布劍麻纖維加筋土力學性能試驗研究［J］.水文地質工程地質，2012（6）：77-81.

［8］歐陽仲春.現代土工加筋技術［M］.北京：人民交通出版社，1991.