頭發(fā)纖維加筋上海黏土剪切強(qiáng)度試驗研究★

孫 飛

(上海理工大學(xué)，上海 200093)

0 引言

在公路建設(shè)中，經(jīng)常會遇到路基的土體強(qiáng)度不能直接滿足工程路基的設(shè)計要求。長三角地區(qū)天然公路路基土的結(jié)構(gòu)一般均較為松散，力學(xué)性能差，在附加應(yīng)力作用下，會發(fā)生固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降和側(cè)向塑形擠出，導(dǎo)致橫向或縱向明顯的沉降變形。

此時，土中加筋是較為理想的路基加固方式。柴壽喜等[1]認(rèn)為在濱海鹽漬土中加入稻草能解決由鹽脹和溶陷導(dǎo)致的鹽漬土低強(qiáng)度和大變形問題。陳輪和李廣信[2，3]在粘性土中加入聚酯纖維，試驗結(jié)果表明其能明顯改善粘性土的力學(xué)性能。吳燕開[4]發(fā)現(xiàn)適量的劍麻纖維可以有效提高粘性土的抗壓和抗剪強(qiáng)度。陳昌富等[5]通過室內(nèi)三軸試驗發(fā)現(xiàn)草根加筋土符合摩爾—庫侖準(zhǔn)則并提出了粘性土的準(zhǔn)粘聚力計算方法。G. Khosrow[6]等在土中加入椰殼纖維能有效提高土的抗壓和剪切強(qiáng)度。Maher MH和Ho YC[7]發(fā)現(xiàn)在高嶺土中加入聚丙烯纖維能有效提升土體的抗壓強(qiáng)度峰值、劈裂抗拉強(qiáng)度、彎曲韌性和延展性。Murielle Ghestem等[8]發(fā)現(xiàn)蓖麻、麻風(fēng)樹及鹽膚木的根系能提高土體的抗剪強(qiáng)度和抗變形能力。Adili等[9]發(fā)現(xiàn)紙莎草纖維的加入能夠明顯的提高土體的破壞偏應(yīng)力和直接剪切強(qiáng)度。

人體頭發(fā)纖維表面呈鱗片狀，其具有較好的抗拉強(qiáng)度、降解速度慢、保溫隔熱和彈性恢復(fù)好等特點(diǎn)。本文正是利用人體頭發(fā)纖維作為加筋長三角地區(qū)黏土的主要補(bǔ)強(qiáng)材料，對加筋土體進(jìn)行直接剪切試驗，研究人體頭發(fā)加筋土對黏土力學(xué)性能的影響，分析強(qiáng)度增強(qiáng)機(jī)理和力學(xué)特性，開發(fā)加筋土新技術(shù)，希望未來能應(yīng)用于本地的現(xiàn)場施工之中，如加固公路路堤和路基等。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗說明

試驗所需黏土均取自浦東區(qū)張江鎮(zhèn)某實(shí)際工程，試驗用土過2 mm篩，土的物理力學(xué)性能如表1所示。試驗用頭發(fā)纖維均來自理發(fā)店，對頭發(fā)按照要求進(jìn)行修剪成所需的長度，其基本物理力學(xué)性能見表2。

表1 土的基本性能指標(biāo)

表2 試驗纖維的基本性能指標(biāo)

1.2 試樣制作

本試驗主要研究黏土剪切強(qiáng)度的變化，在土中加入頭發(fā)纖維，并控制其質(zhì)量加筋率和長度。頭發(fā)纖維的長度分別為10 mm，15 mm和20 mm，質(zhì)量加筋率分別為1.0%，1.5%和2.0%。按以下方法制作土樣，黏土需保持在其最優(yōu)含水率和最大干密度之下，即為17.5%和1.70 g/cm3。為使纖維均勻分布在土體中，采用五層法，將土分成五份，土樣制備時分別將同一規(guī)格的頭發(fā)纖維均勻摻入一層土中攪拌均勻，再將五層纖維土混合攪拌以獲得試驗所需的加筋土體。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，將制作好的土樣進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，24 h后進(jìn)行直接剪切試驗。

1.3 試驗步驟與設(shè)備

首先選取10 mm規(guī)格的頭發(fā)纖維，分別按質(zhì)量加筋率1.0%，1.5%和2.0%加入土樣，制備試樣養(yǎng)護(hù)，同樣方法分別選取15 mm和20 mm規(guī)格的頭發(fā)纖維加筋制樣養(yǎng)護(hù)。24 h后進(jìn)行直接剪切試驗，垂直荷載分別取100 kPa，200 kPa和400 kPa。本試驗所用儀器為EDJ-1型電動等應(yīng)變直剪儀，制造公司為浙江土工儀器制造有限公司。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 頭發(fā)纖維對軟黏土剪切強(qiáng)度的影響

由表3可知，在垂直應(yīng)力為100 kPa時，10 mm頭發(fā)纖維加筋率為1.0%，1.5%，2.0%下的加筋土體的剪應(yīng)力峰值相對于素土，分別增加了19.3%，27.26%，20.44%；在垂直應(yīng)力為200 kPa時，分別增加了5.6%，9.3%，6.4%；在垂直應(yīng)力為400 kPa時，分別增加了11.5%，17.26%，16.37%。由此可以看出，頭發(fā)纖維的加入能夠一定程度上的提高土體的剪切強(qiáng)度，在加筋率為1.0%，1.5%和2.0%時，三種垂直應(yīng)力下的剪切強(qiáng)度的提高幅度平均為12.13%，17.94%和14.40%，即可得加筋率為1.5%的加筋效果優(yōu)于加筋率為2.0%，加筋率為2.0%的加筋效果優(yōu)于1.0%。

同樣，當(dāng)頭發(fā)纖維的長度為15 mm和20 mm時，土體加筋效果呈現(xiàn)出與10 mm時一樣的規(guī)律，即1.5%為最優(yōu)加筋率。

2.2 頭發(fā)纖維對軟黏土粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響

由表4可知，與素土相比，加筋率為1.0%，1.5%，2.0%的10 mm頭發(fā)纖維加筋土的粘聚力分別提高了17.60%，24.70%，8.80%，內(nèi)摩擦角分別提高了7.5%，11.8%，14.2%。由此表明，頭發(fā)纖維加筋土的粘聚力要明顯優(yōu)于素土，在加筋率為1.5%時達(dá)到了24.70%，且內(nèi)摩擦角隨著纖維含量的增加而增加。

同樣，當(dāng)頭發(fā)纖維的長度為15 mm和20 mm時，土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化呈現(xiàn)出與10 mm時一樣的規(guī)律，土體的粘聚力得到了明顯提高。

表3 頭發(fā)纖維加筋土峰值剪切強(qiáng)度 kPa

表4 頭發(fā)纖維不同加筋率下上海黏土的剪切強(qiáng)度指標(biāo)

3 頭發(fā)纖維加筋作用機(jī)理

從宏觀角度來講，在加入纖維以后，在抗壓方面，由于纖維與土顆粒間的相互作用，會增強(qiáng)土體在剪切時的承受力[10]，同時一小部分剪切應(yīng)力可被纖維材料所吸收；在抗拉方面，土體和纖維本身具有抗拉性能，這也約束了土的變形，使得加筋土的摩擦面增大。

黏土的剪切能力得到增強(qiáng)，可能還由于纖維在土體中的分布呈現(xiàn)各向異性，所以當(dāng)受到剪切力時，各方向的纖維會相互交錯并連接為一個整體，從而共同阻止土體的變形。

由本文的實(shí)驗結(jié)果，可知在一定比例下，土體中加入纖維，能夠提升土體的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)超過這個比例后，土體的抗剪強(qiáng)度不會繼續(xù)提升，甚至?xí)霈F(xiàn)下降的情況。這是因為過多的纖維不能與土體混合，從而土體的整體性[11]受到破壞，不能得到預(yù)期的效果。

4 結(jié)語

1)黏土中加入頭發(fā)纖維，能有效提高其剪切強(qiáng)度，當(dāng)取1.5%質(zhì)量加筋率時得到的試驗效果最好。

2)頭發(fā)纖維能使黏土的粘聚力和內(nèi)摩擦角得到提升，粘聚力的提升效果較大。

3)頭發(fā)纖維加筋上海地區(qū)黏土能提升土體的剪切強(qiáng)度、延性和抗形變能力。運(yùn)用于路基加固可以改善公路路基土的抗剪性能，減小路段兩側(cè)不均勻沉降，且成本較低。