纖維加筋土的強(qiáng)度特性及增強(qiáng)機(jī)制研究

張?zhí)煊?/p>

(重慶甲多公路設(shè)計(jì)咨詢有限公司，重慶 400039)

0 引 言

建造在軟弱土體上的建筑物或者構(gòu)筑物在后續(xù)的使用過程中會出現(xiàn)一系列問題，如地基發(fā)生不均勻沉降導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂，甚至傾覆。傳統(tǒng)的土體加固方法是采用石灰或者水泥等改良劑對土體進(jìn)行化學(xué)加固，與這種傳統(tǒng)的加固方法相比，纖維加筋土在環(huán)保以及經(jīng)濟(jì)性方面表現(xiàn)出很大的優(yōu)越性[1]。目前針對纖維加筋土的研究成果表明：在土體中摻入的具有較高抗拉強(qiáng)度與延展性的纖維對土體的加固效果非常明顯，尤其是在提高土體強(qiáng)度、降低壓縮性以及脆性等方面有著明顯的作用。本文通過對加筋土試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)得到其抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)，探究纖維長度及含量與加筋土抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，并對纖維加筋土強(qiáng)度增強(qiáng)的機(jī)制進(jìn)行研究。

1 纖維加筋土的強(qiáng)度特性

1.1 試驗(yàn)方案

1.1.1 試驗(yàn)方法

利用直剪試驗(yàn)對土的抗剪強(qiáng)度的研究歷史悠久，早在18世紀(jì)后期，法國物理學(xué)家?guī)靵鼍屠弥奔魞x對土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[2]。直剪試驗(yàn)存在一定的缺陷，如剪切面被人為固定為剪切盒的接觸面；剪切面上的應(yīng)力變化復(fù)雜；應(yīng)力和應(yīng)變的變化不均勻，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，剪切面積越來越小；在試驗(yàn)過程中對土體的排水條件無法進(jìn)行有效控制。但是由于試驗(yàn)簡單，其在工程中的應(yīng)用還是很廣泛的。經(jīng)過長久以來試驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前直剪試驗(yàn)采用的直剪儀為應(yīng)變控制式電動直剪儀，如圖1所示。以試樣的固結(jié)以及排水條件為依據(jù)，可將直剪可分為固結(jié)慢剪試驗(yàn)、固結(jié)快剪試驗(yàn)以及快剪試驗(yàn)三種。本文通過對聚丙烯纖維加筋土試樣進(jìn)行快剪試驗(yàn)，對其抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行研究分析。

圖1 應(yīng)變控制式電動直剪儀

1.1.2 試驗(yàn)材料

(1)聚丙烯纖維。作為聚丙烯高分子化合物，聚丙烯纖維具有低密度的特點(diǎn)，是目前所使用的樹脂材料中質(zhì)量最輕的一種，外觀顏色通常為白色或者乳白色。其材料具有以下特點(diǎn)：熔點(diǎn)可達(dá)165℃，耐熱性好；是一種非極性物質(zhì)，具有極佳的絕緣性；作為一種環(huán)保材料，具有吸水性好、無毒、無味以及無臭的優(yōu)點(diǎn)；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，當(dāng)用于制作纖維加筋土?xí)r可與其他類型外加劑同時(shí)使用；抗拉強(qiáng)度高。本次試驗(yàn)中所采用的聚丙烯纖維的參數(shù)見表1。

表1 聚丙烯纖維物理力學(xué)參數(shù)

(2)試驗(yàn)用土。本次試驗(yàn)所采用的土為低液限粉質(zhì)黏土，最佳含水率通過輕型擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行獲取，所測得的數(shù)據(jù)為19.2%。其物理參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)用土的物理參數(shù)

1.1.3 試樣制備

將試驗(yàn)所用土經(jīng)風(fēng)干碾碎之后過2 mm篩，將過篩后的土樣混合均勻之后放入密封袋中保存。本次試驗(yàn)土樣中摻加的聚丙烯纖維長度有1 cm、2 cm 與3 cm三種規(guī)格，纖維的摻入量分別為干土質(zhì)量的0.05%、0.15%與0.25%。試樣的制作過程如下：首先根據(jù)試驗(yàn)需要對聚丙烯纖維的長度進(jìn)行裁剪，稱取一定量的風(fēng)干土樣，然后根據(jù)纖維的摻入量與風(fēng)干土樣的重量確定需要加入的纖維重量，使用高精度電子天平對聚丙烯進(jìn)行稱取，為保證試樣混合均勻，分次在風(fēng)干土樣中加入聚丙烯纖維，然后再進(jìn)行手工拌和均勻。根據(jù)土樣的含水率計(jì)算達(dá)到最佳含水率所需要加入的水量，將水均勻地灑入混合土樣中，為使水分充分?jǐn)U散至土樣中，要將土樣裝在塑料袋中，袋口封閉放置足夠的時(shí)間。根據(jù)用土樣制作直剪試驗(yàn)所需的土樣，使用應(yīng)變控制式電動直剪儀，每組制作4個(gè)試樣，依據(jù)直剪試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在4種不同豎向壓力下進(jìn)行直剪試驗(yàn)，剪切速率控制為0.8 mm/min。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對直剪試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，每組試樣的抗剪強(qiáng)度τ在每級豎向壓力σ下的剪應(yīng)力-剪切變形曲線上按以下標(biāo)準(zhǔn)獲得：取曲線的峰值對應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度；若曲線無峰值，抗剪強(qiáng)度的取值為剪切位移為4 mm時(shí)所對應(yīng)的剪應(yīng)力。對試樣的抗剪強(qiáng)度τ在每級豎向壓力σ下的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

1.2.1 纖維含量對抗剪強(qiáng)度的影響

相同的豎向壓力、土樣中摻入的纖維長度相同的情況下，伴隨著纖維含量的增加，抗剪強(qiáng)度發(fā)生正向的變化，在纖維含量增加到0.05%的過程中，抗剪強(qiáng)度發(fā)生很明顯的增加，但是纖維含量繼續(xù)增加，試樣的抗剪強(qiáng)度的增加幅度卻逐漸地減小。

1.2.2 纖維長度對抗剪強(qiáng)度的影響

相同的豎向壓力、土樣中摻入的纖維含量相同的情況下，伴隨著纖維長度的增加，試樣的抗剪強(qiáng)度會先增大，當(dāng)抗剪強(qiáng)度增大到一定程度之后，就會出現(xiàn)明顯減小的現(xiàn)象。纖維長度并不是越長越好，它有個(gè)最佳值，在最佳值處對抗剪強(qiáng)度的增加效果最好，當(dāng)超過這個(gè)值之后就會起到反作用。

1.2.3 纖維含量對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

纖維含量對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響表現(xiàn)為：試樣的黏聚力隨著纖維含量的增加而增加，但是伴隨著纖維含量的增加，黏聚力的增強(qiáng)幅度在逐步變小。而內(nèi)摩擦角受到纖維含量的影響并不明顯，未發(fā)生明顯變化，且無明顯規(guī)律可循。

1.2.4 纖維長度對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

纖維含量對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響表現(xiàn)為：當(dāng)纖維含量相同時(shí)，隨著纖維長度的增加，黏聚力會出現(xiàn)先增強(qiáng)，當(dāng)增加到一定程度之后會出現(xiàn)明顯減小的現(xiàn)象。纖維長度在黏聚力的增強(qiáng)效果上存在最佳值，超過這個(gè)最佳值之后會出現(xiàn)反作用。而內(nèi)摩擦角受到纖維長度的影響并不明顯，未發(fā)生明顯變化，且無明顯規(guī)律可循。

2 纖維加筋土抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)機(jī)制

纖維加筋土的強(qiáng)度特性與纖維在土中的分布方式有著密切關(guān)系，本文以纖維在土中的分布方式為出發(fā)點(diǎn)，對纖維與土顆粒之間的作用方式進(jìn)行了總結(jié)，對其增強(qiáng)機(jī)制進(jìn)行分析，從理論上對纖維含量與長度對加筋土抗剪強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析。

2.1 纖維與土顆粒的作用方式

土體中的纖維為均勻分布，受到外部荷載的作用，土體強(qiáng)度的來源除了土顆粒之間的相互作用，還存在纖維與土顆粒之間的相互作用。由于纖維在土體中存在方式的不同，因此導(dǎo)致了纖維與土顆粒之間的作用方式也出現(xiàn)不同，主要有接觸作用、彎曲作用以及交織作用三種[3]。

(1) 接觸作用：纖維與土顆粒的接觸處會由于受到外部荷載的影響形成摩擦力，對土顆粒的滑移起到約束作用，由于力的作用是相互的，受到土顆粒的反作用，纖維處于受拉狀態(tài)，纖維內(nèi)部出現(xiàn)拉力。

(2) 彎曲作用：土體中的纖維發(fā)生彎曲，彎曲處的土顆粒受到纖維的包裹，當(dāng)受到外部荷載的作用時(shí)，土顆粒的移動受到限制。

(3) 交織作用：土體中的纖維通過互相之間發(fā)生交織而形成網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)能夠限制土體受到外部荷載時(shí)發(fā)生移動，纖維之間的相互牽扯能夠使外部荷載分布到更廣泛的區(qū)域，使單位土體中所承受到的外部荷載的作用力顯著下降。

2.2 纖維含量對加筋土抗剪強(qiáng)度的影響分析

當(dāng)土體中纖維含量較少時(shí)，由于單位土體中纖維的含量密度低，纖維與土顆粒的接觸面積小，對部分區(qū)域的土顆粒加固效果不明顯，因此對土體的抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效果是有限的；當(dāng)纖維含量較大時(shí)，土體中的纖維密集，部分纖維不能與土顆粒充分的接觸，對土體的加固效果無法全部發(fā)揮，因此伴隨著纖維含量的增大，其對土體的抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效果逐漸減弱。

2.3 纖維長度對加筋土抗剪強(qiáng)度的影響分析

當(dāng)纖維長度較短時(shí)，纖維對土顆粒的約束不強(qiáng)，互相之間的摩擦力較小，在外部荷載的作用下，纖維容易被拔出；同時(shí)，由于纖維長度短，無法在土體中形成彎曲對土顆粒進(jìn)行包裹，纖維之間不能形成網(wǎng)絡(luò)，因此對土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用有限。當(dāng)纖維的長度增加時(shí)，纖維與土顆粒之間的接觸面增大，接觸作用明顯，而且彎曲作用與交織作用也會明顯，但是當(dāng)纖維長度超過最佳值之后，纖維之間會相互纏繞，對其與土顆粒的接觸產(chǎn)生不利影響，當(dāng)受到外部荷載作用時(shí)，土體產(chǎn)生一定應(yīng)變之后才會使纏繞在一起的纖維相互分離，充分發(fā)揮其作用，由于在直剪試驗(yàn)中試樣發(fā)生的應(yīng)變不足以使纖維互相發(fā)生分離，因此才會出現(xiàn)隨著纖維長度的增加試樣的抗剪強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

加筋土由于對土體強(qiáng)度的加強(qiáng)效果明顯，加之其在環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)異表現(xiàn)，在未來的工程實(shí)踐中應(yīng)用會越來越多。本文以聚丙烯加筋土的直剪試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對纖維含量與長度對加筋土的抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)纖維含量和長度對加筋土抗剪強(qiáng)度均有明顯的增強(qiáng)，但是纖維長度存在一個(gè)最佳值，超過最佳值之后則會出現(xiàn)反作用，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低。由于篇幅有限，本文對加筋土的抗壓強(qiáng)度并未進(jìn)行研究；同時(shí)，由于試驗(yàn)所采用的試樣尺寸過小，只能對纖維含量與長度對加筋土抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)進(jìn)行定性分析，無法進(jìn)行精確的定量分析，以上問題會在以后繼續(xù)進(jìn)行研究。