公路軟土路基加筋土的力學性能研究

0 引言

路基改良對于提高其承載能力、防止凍融破壞、改善道路平整度并延長道路的使用壽命具有重要作用。通過改良路基，可以確保路基的穩定性，保障行車安全，減少地質災害的發生[。

目前，已有大量學者對路基改良土開展了研究。李曜等[2研究了鋼渣改良土的路用性能，通過擊實試驗、液塑限試驗、加州承載比試驗、無側限抗壓度試驗等，研究改良土的力學性能，結果發現經過鋼渣改良土體的性能較素土大幅度提高。馬新飛[3等研究了水泥改良粉質粘土的路用性能，結果發現水泥摻量的增加，抗壓度增大。汪新煒[4采用不同摻量的水泥、石灰改良高速公路中的粉土，結果發現當水泥摻量為 3% 時能夠有效提高路基土體的強度，滿足實際工程需求。

纖維作為土木工程中的新型加筋材料，不僅有較高的強度，而且它可以仿效石灰或水泥，均勻地融入土體之中。纖維具有一定的方向性和支撐力，它們分布在土體中會形成類似于鋼筋骨架的結構，增強了土體的整體穩定性和抗壓能力。本文以某公路路基中的軟黏土作為依據，采用聚丙烯纖維對黏土進行加筋，通過擊實試驗、滲透試驗、無側限抗壓強度試驗、直剪試驗、三軸試驗，研究不同聚丙烯纖維摻量下加筋土的力學性能。

1工程概況

本文以某地公路項目為研究對象，該公路全長340km ，設計車速為 100km/h ，路基寬度為 26m ，主體工程分為26個合同段，監理12個合同段，分離式立交30座，互通立交8座，天橋50座。經勘察發現，公路路基主要為軟黏土。

2試驗材料及試驗方法

2.1 試驗材料

試驗用土取自某公路路段，根據JTG3430—2020《公路土工試驗規程》對黏土進行室內土工試驗。黏土的參數見表1。試驗采用的纖維為聚丙烯纖維，纖維截面為圓形，顏色為白色，形狀為束狀單絲，試驗中采用纖維長度為9mm。

表1黏土基本性質

2.2 試驗方法

根據大量學者研究結果及本試驗土體的性質[5-6]，采用聚丙烯纖維摻量為0、 0.2% 1 0.4% 、 0.6% 、 0.8% 、1% ，對不同聚丙烯纖維摻量下的加筋土進行擊實試驗、滲透試驗、無側限抗壓強度試驗、直剪試驗、三軸試驗試驗方案見表2。

2.2.1 擊實試驗

試驗采用輕型擊實試驗。將風干黏土碾碎過 0.75mm 篩備用，土與聚丙烯纖維按規定質量稱量好。先將土體與聚丙烯纖維攪拌均勻，再加入水（取5個含水率，含水率梯度為 1% ），水、黏土、聚丙烯纖維攪拌均勻后裝入黑色塑料帶中悶料24h。悶料結束后將土樣分3層倒入擊實桶中，每層擊25次。

表2試驗方案

2.2.2滲透實驗

試驗為變水頭滲透試驗。按照最佳含水率將試樣制成高 40mm 、直徑 61.8mm 的環刀試樣。試驗前把試樣放入滲透儀中進行飽和，飽和時間為 12～24h 。若出水口有水流出則認為試樣達到飽和狀態。

2.2.3無側限抗壓強度試驗

試驗采用三軸儀，在圍壓為零的情況下進行試驗。按照最佳含水率將試樣制成高 100mm 、直徑 50mm 的圓柱形試樣。試驗加載速率為 1.2mm/min 。若曲線出限峰值，則峰值為試樣的無側限抗壓強度；若曲線未出現峰值，則取應變為 15% 時對應的應力為試樣的無側限抗壓強度。

2.2.4 直剪試驗

試驗采用應變式直剪儀。按照最佳含水率將試樣制成高 20mm 、直徑 61.8mm 的環刀試樣。試驗垂直壓力取100kPa、200kPa、 300kPa 、 400kPa ，加載速率為0.08mm/min 。若曲線出現峰值時，視為試樣破壞；若曲線未出現峰值，剪切位移達6mm時認為試樣破壞。

2.2.5 三軸試驗

試驗采用三軸儀，在不同圍壓下進行試驗。按照最佳含水率將試樣制成高 80mm 、直徑 39.1mm 的圓柱形試樣。圍壓采用100kPa、200kPa、 300kPa ，加載速率為0.8mm/min。若曲線出現峰值，則停止加載；若未出現峰值，則加載到應變到 20% 時。

3試驗結果分析

3.1擊實試驗結果

圖1為不同纖維摻量下加筋土干密度與含水率關系曲線。從圖1可以看到：隨著聚丙烯纖維的增加，加筋土最大干密度不斷下降，從 1.81g/cm³ 下降到 1.76g/cm³ 聚丙烯纖維摻量的增加，加筋土最佳含水率幾乎不變，在 16.9%～17.21% 之間。

3.2滲透試驗結果

圖2為不同纖維摻量下聚丙烯纖維加筋土滲透試驗結果。從圖2可以看到：隨著聚丙烯纖維摻量的增加，土體的滲透系數呈現增大的趨勢，但保持在同一量級。纖維摻量從0增加到 1% ，加筋土的滲透系數從2.41×10^-8cm/s 增加到 6.53×10^-8cm/s 。

分析認為，在摻入的聚丙烯纖維作用下，土體內部展現出纖維的連續彎曲與錯綜交織的形式，這些纖維相互貫穿并構建起復雜的網絡結構。此網絡不僅能在土體中生成多樣化的接觸界面，而且有效促進了土顆粒的重新排列與分布，使土顆粒與纖維之間形成了一定孔隙。纖維和土之間存在著較小的間隙，為水的滲透提供了更好的通道。在滲透過程中，土體中的水分趨向于沿纖維與土顆粒的交界面遷移，表現出纖維對水分遷移通道的引導。

圖1加筋土干密度與含水率關系曲線

圖3為不同纖維摻量下聚丙烯纖維加筋土無側限抗壓強度試驗結果圖。從圖3可以看到：聚丙烯纖維摻量的增加，加筋土的應力逐漸增加，曲線未出現明顯的峰值，但出現應變硬化現象。當纖維摻量為 1% 時，加筋土的無側限抗壓強度最大，為 768.53kPa ，是素土強度的2.53倍。

3.3無側限抗壓強度試驗結果

分析認為，加入的纖維在土體里面相互搭接、交織，形成空間網狀結構，連接土體，使土體不易變形，提高了其強高。當土體受力時，纖維與土顆粒界面產生摩擦力，有效分擔了試樣形變所引發的部分拉伸應力，抑制了土體內裂縫的形成以及試樣變形，進而提升了試樣韌性。

圖2不同纖維摻量下加筋土滲透試驗結果

圖3不同纖維摻量下加筋土無側限抗壓強度試驗結果

3.4直剪試驗結果

圖4為不同纖維摻量下聚丙烯纖維加筋土直剪試驗圖。從圖4可以看到：在垂直壓力相同的情況下，土體摻入纖維的剪應力遠大于未摻入纖維的剪應力。當垂直壓力為 400kPa 、纖維摻量為 1% 時，聚丙烯纖維加筋土的剪應力最大，為321.44kPa;當垂直壓力 100kPa 、纖維摻量為0時，土體的剪應力最小，為73.32kPa。

分析認為，纖維的加入在土體中相互交織，當剪切力作用于破壞面時，其引發的側向位移會立即遭遇周圍纖維的強力阻礙。單根纖維受外力作用發生形變，會引起其他纖維共同作用，形成一個三維的應力分布區域。剪切面纖維數量越多，加筋土強度越高。

從圖4還可以看到：在相同纖維摻量下，隨著垂直壓力的增加土體的剪應力逐漸增加。當纖維摻量為 1% 且垂直壓力100kPa時，聚丙烯纖維加筋土的剪應力為160.86kPa；在垂直壓力200kPa時，聚丙烯纖維加筋土的剪應力為 224.85kPa ；在垂直壓力 300kPa 時，聚丙烯纖維加筋土的剪應力為 275.68kPa ；在垂直壓力 400kPa 時，聚丙烯纖維加筋土的剪應力為321.44kPa。

3.5 三軸試驗

圖5為不同纖維摻量下加筋土三軸試驗結果。從圖5可以看到：在圍壓相同情況下，土體中摻入纖維應力大于未摻入纖維的應力。當圍壓為 100kPa 、纖維摻量為 1% 時，加筋土的應力最大，最大值為1173.83kPa。這主要是由于土體與纖維之間在受力時產生摩擦咬合力。當土顆粒相互碰撞時，會產生一定的剪切應力，而這種應力剛好被纖維絲所提供的黏結力所平衡。這個過程中，纖維作為增強材料，不僅能夠傳遞荷載并抵抗破壞力，還能促進顆粒間的粘合效果。聚丙烯纖維的加入有效改善了土體的性質，從而在工程應用中發揮著積極作用。

從圖5還可以看到：在相同纖維摻量下，隨著圍壓的增加土體的應力逐漸增加。這種現象的根本原因在于，隨著圍壓的增加，土體與加筋材料之間的接觸更加緊密，從而增強了加筋土的整體強度。在高圍壓工況下，土體的各部分承受更大的壓力和剪切力，因此它的結構更加堅固，抵抗變形和破壞的能力也相應提高。

圖4不同纖維摻量下加筋土直剪試驗結果

圖5不同纖維摻量下加筋土三軸試驗結果

4結論

本文以某公路路基中的黏土作為依據，采用聚丙烯纖維對軟黏土進行加筋，通過擊實試驗、滲透試驗、無側限抗壓強度試驗、直剪試驗、三軸試驗，研究不同聚丙烯纖維摻量下加筋土的力學性能。得到如下結論：

1）隨著聚丙烯纖維的增加，加筋土最大干密度不斷下降，從 1.81g/cm³ 下降到 1.76g/cm³ 。隨著聚丙烯纖維摻量的增加，加筋土最佳含水率幾乎不變，始終保持在16.9%～17.21% 之間。

2）隨著聚丙烯纖維摻量的增加，土體的滲透系數呈現增大的趨勢，但保持在同一量級。纖維摻量從0增加到 1% ，加筋土的滲透系數從 2.41×10^-8cm/s 增加到6.53×10^-8cm/s 。

3）隨著聚丙烯纖維摻量的增加，加筋土的應力逐漸增加，抗壓強度逐漸增加。曲線未出現明顯的峰值，但出現應變硬化現象。加筋土的最大無側限抗壓強度為素土強度的2.53倍。

4）在垂直壓力或圍壓相同的情況下，土體摻入纖維的剪應力遠大于未摻入纖維的剪應力。在相同纖維摻量下，隨著垂直壓力、圍壓的增加土體的應力均增加。

參考文獻

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