馬　強(qiáng)， 邢文文， 李麗華， 胡　興

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430068)

0　引言

在土體中使用筋材加筋可以限制土體變形，增加土體的強(qiáng)度[1-2]，已有的加筋土研究側(cè)重筋材加筋效果.李金和等[3]總結(jié)了近20年國內(nèi)外纖維加筋土研究成果，介紹了研究纖維加筋土常用試驗(yàn)和理論方法.Wu等[4]對劍麻纖維加筋土進(jìn)行了三軸試驗(yàn)分析，璩繼立等[5]運(yùn)用直剪、無側(cè)限壓縮等試驗(yàn)方法研究得到了不同棕櫚尺寸和混合方式等情況下加筋黏土的強(qiáng)度特性.文獻(xiàn)[6]研究了隨機(jī)分布聚丙烯纖維加筋土的力學(xué)性能，鄧友生等[7]利用無側(cè)限壓縮試驗(yàn)研究了聚丙烯纖維對膨脹土強(qiáng)度的影響.盧浩[8]采用模擬試驗(yàn)研究了麥稈纖維加筋邊坡在降雨侵蝕下的力學(xué)特性，表明麥稈加筋提高了土體的抗剪強(qiáng)度，降低了坡面土體的滲透性.施利國[9]和劉芳[10]運(yùn)用三軸試驗(yàn)分別研究了聚丙烯纖維和玻璃纖維加筋土的特性及加筋效果.目前，天然纖維加筋尚缺少大范圍的試驗(yàn)研究，理論還不完善.張艷美等[11]試驗(yàn)研究了多因素影響的土工合成纖維土補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理.王磊[12]采用線彈性模型和劍橋模型，建立了纖維加筋土的本構(gòu)模型，得到加筋土應(yīng)力-應(yīng)變增量表達(dá)式，并結(jié)合三軸試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.吳燕開[13]對劍麻纖維加筋土進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)，研究了隨機(jī)分布劍麻纖維加筋土力學(xué)性能.文獻(xiàn)[14]研究了隨機(jī)分布劍麻纖維的加筋效果，試驗(yàn)表明劍麻纖維能夠增加土體的強(qiáng)度，提高土體的工程性質(zhì).綜上，棕麻纖維具有一定的強(qiáng)度和韌性，可作為加筋材料，目前關(guān)于棕麻纖維加筋的研究相對較少.

筆者通過控制纖維含量，開展不同圍壓條件下的室內(nèi)不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，研究棕麻纖維含量對棕麻纖維加筋土強(qiáng)度的影響規(guī)律，分析棕麻纖維加筋砂的力學(xué)特征，并揭示其工作機(jī)理.

1　試驗(yàn)材料和方法

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用砂的基本參數(shù)見表1.加筋材料為棕麻纖維，取自湖北工業(yè)大學(xué)校園內(nèi)棕麻樹，通過系列拉伸試驗(yàn)得到纖維軸向拉力-變形關(guān)系曲線，并對其進(jìn)行均值化處理，得到棕麻纖維基本參數(shù)見表2.

表1　砂土參數(shù)

表2　棕麻纖維均值化參數(shù)

1.2　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用TSZ-2型全自動三軸儀(南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn))開展不固結(jié)不排水(UU)三軸試驗(yàn)，加載速度為0.50 mm/min.通過控制纖維含量和圍壓來研究棕麻纖維加筋砂土的力學(xué)特性及棕麻纖維含量對加筋效果的影響.

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》所述擾動土樣的

制備程序制備試驗(yàn)土樣.所用加筋棕麻纖維直徑為0.1～0.6 mm，統(tǒng)一長度20 mm.棕麻纖維與砂土拌合均勻，加水?dāng)嚢?，使試樣含水率?0%，然后養(yǎng)護(hù)24 h，使其含水率穩(wěn)定.最后統(tǒng)一稱取150 g土樣，采用統(tǒng)一的擊實(shí)錘從相同高度進(jìn)行擊實(shí)，控制試樣的擊實(shí)度為90%，最終制得試樣尺寸為：Ф39.1 mm×70 mm.棕麻纖維取自然風(fēng)干狀態(tài)，以纖維含量作為加筋試樣的控制影響因素，棕麻纖維加筋含量為其質(zhì)量百分比，分別取0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%和1.6%.不同纖維含量下的各組試樣均在100、200和300 kPa進(jìn)行三軸試驗(yàn)，共進(jìn)行24組試驗(yàn).

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　主應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變(ε1)的關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果取試樣軸向應(yīng)變≤15%的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究.圖1為純砂和各棕麻加筋土的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線.

圖1　主應(yīng)力差值與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.1　(σ1-σ3) vs. ε1 of reinforced sand

由圖1可以看出：①試樣的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象；②在應(yīng)變<2%時(shí)，不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線很接近，但隨著應(yīng)變逐漸增加，不同圍壓下的試樣主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線的距離逐漸拉開且不斷增加,并在應(yīng)變大于10%后趨于穩(wěn)定，說明圍壓對于主應(yīng)力差的影響在應(yīng)變較大時(shí)較為顯著；③試樣峰值主應(yīng)力差值隨著棕麻纖維摻量的增加而有所提升，說明纖維含量影響加筋土的強(qiáng)度和抗變形能力；④與純砂相比，加入棕麻纖維后加筋土的強(qiáng)度均增加，且棕麻纖維加筋土的峰值主應(yīng)力差值隨著纖維含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；⑤棕麻纖維含量為1.2%時(shí)，加筋土的峰值主應(yīng)力差值提高最大，加筋效果達(dá)到最佳狀態(tài).

2.2　加筋土的抗剪強(qiáng)度

在100、200和300 kPa的圍壓下分別進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)多組試驗(yàn)得其均值繪制均值摩爾應(yīng)力圓和相應(yīng)的應(yīng)力圓包線.圖2為棕麻纖維含量為0.6%的加筋土及純砂的摩爾應(yīng)力圓和強(qiáng)度包線.

圖2　加筋土及純砂的強(qiáng)度包線Fig.2　Mohr envelope of reinforced sand and pure sand

從圖2可以看出，棕麻纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度較純砂有所提高，棕麻纖維加筋土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均有所增加.

表3為不同棕麻纖維含量的土體黏聚力和內(nèi)摩擦角數(shù)值.與純砂相比，棕麻纖維加筋土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均有所提高，但黏聚力增加較大，內(nèi)摩擦角增加較小.

2.3　主應(yīng)力差(σ1-σ3)與棕麻纖維含量的關(guān)系

圖3為峰值主應(yīng)力差值與棕麻纖維含量關(guān)系曲線.由圖3可以看出,峰值主應(yīng)力差隨著棕麻纖維含量的增加先增加后減小，并且存在峰值，即存在最佳棕麻纖維含量，本次試驗(yàn)測得最佳棕麻纖維含量為1.2%.當(dāng)砂土中棕麻纖維含量較小時(shí)，隨著棕麻纖維含量的增加，纖維與砂土之間的

表3　抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

圖3　主應(yīng)力差值與棕麻纖維含量關(guān)系曲線Fig.3　Relationships between (σ1-σ3) and flax fiber

接觸面積不斷增加，它們之間的摩擦阻力也隨之不斷增加，棕麻纖維充分發(fā)揮其加筋作用,于是主應(yīng)力差值較純砂增加，并且該值隨著棕麻纖維含量的增加而增大，直到達(dá)到峰值.當(dāng)棕麻纖維含量超過峰值時(shí)，由于棕麻纖維含量過多，使得棕麻纖維在土體內(nèi)堆積，不能與砂土充分接觸從而發(fā)揮加筋作用，并且形成了一定的“隔斷層”，破壞了土體的整體性，從而表現(xiàn)出峰值主應(yīng)力差值增幅隨著棕麻纖維含量增加而下降的現(xiàn)象.

2.4　棕麻纖維加筋土補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理分析

棕麻纖維加筋砂土的補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理可結(jié)合彎曲交織機(jī)理和纖維在土中的狀態(tài)解釋[11]，圖4為彎曲與交織機(jī)理示意圖，圖5為棕麻纖維隨機(jī)分布示意圖.

圖4　彎曲機(jī)理與交織機(jī)理示意圖Fig.4　Bending intercrossing

試樣在擊實(shí)狀態(tài)下顆粒之間孔隙被壓縮，顆粒主要以面面接觸為主.當(dāng)原土中摻入棕麻纖維時(shí)，纖維加強(qiáng)了顆粒之間的粘結(jié)，有效約束了土顆粒的變形和位移，增加了加筋土的黏聚力，從而提高加筋土的抗剪強(qiáng)度.當(dāng)摻入量較低時(shí)，棕麻纖維在土中以圖5(a)和(b)形式較均勻分布，呈現(xiàn)

不相交或者局部相交的狀態(tài)，此時(shí)棕麻纖維加筋的效果主要表現(xiàn)為纖維加強(qiáng)了土體顆粒之間的粘結(jié)，纖維受拉增強(qiáng)加筋土的抗剪強(qiáng)度.當(dāng)摻入量在最佳摻入量附近時(shí)，棕麻纖維在土中以圖5(c)形態(tài)分布為主，此時(shí)纖維相互交錯，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步形成局部加強(qiáng)體，增加土樣的整體性，且纖維之間相互約束，交織處受到外力作用產(chǎn)生位移趨勢時(shí)，相鄰其它纖維可阻止這種趨勢，使得外力能夠在纖維之間疊加傳遞，各個(gè)方向的纖維都能承受拉力，實(shí)現(xiàn)力的分解，促進(jìn)試樣中內(nèi)力的重分布，充分發(fā)揮纖維的加筋作用.當(dāng)摻量超過最佳摻入量時(shí)，與之前的較低摻量相比，纖維在土體中的分布明顯變得不均勻，如圖5(d)所示，部分纖維在土體中局部集中，沒有跟土顆粒接觸，并且形成了一定的“隔斷層”，破壞了土體的整體性，從而降低抗剪強(qiáng)度.

3　結(jié)論

通過控制纖維含量，開展不同圍壓條件下的室內(nèi)不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，分析棕麻纖維含量對加筋土強(qiáng)度的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)棕麻纖維作為加筋材料，可以提高砂土的強(qiáng)度和抗變形能力，并且這種補(bǔ)強(qiáng)效果在軸向應(yīng)變較大時(shí)比較明顯；

(2)棕麻纖維加筋土的黏聚力和內(nèi)摩擦角較純砂都有所增加，但黏聚力增幅較大，內(nèi)摩擦角增幅較小，符合摩擦加筋理論和準(zhǔn)黏聚力理論；

(3)加筋土抗剪強(qiáng)度隨棕麻纖維含量的增加先增大后減小，并存在峰值，峰值對應(yīng)最佳纖維含量，筆者得到棕麻纖維最佳含量為1.2%；

(4)棕麻纖維與土體之間的摩擦阻力和纖維形成的纖維網(wǎng)格對土體的空間約束作用提高了加筋土的抗剪強(qiáng)度.

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