不同掺量木质纤维土的抗剪强度分析

左 威，朱宇翔

(江西公路开发总公司，江西南昌 330013)

纤维加筋技术是一种将各类纤维掺入土中以提高土体的物理力学性能的土体改良技术。它是由上个世纪80年代左右由国外引入，近30a来，我国的纤维土发展得十分迅速，变得更加精确化、系统化，纤维加筋土也广泛应用在道路工程边坡防护等工程实践中。

木质纤维作为一种在自然界广泛存在而且价格合理的优质纤维，是一种适用的纤维加筋材料。从我国现阶段对于生态文明建设的大力推进，木质纤维在环保的角度具有较大的优势。而在纤维土的工程性能中，力学性能一直是作为工程实际应用的关注重点，其中土的抗剪强度又是土体力学性能的首要考虑因素。本文以木质纤维加筋砂土作为研究对象，通过三轴固结不排水实验，探讨了不同纤维掺量对于纤维土的应力应变曲线和抗剪强度的影响。

1 纤维土的补强机理

纤维土的补强机理是比较复杂的。其对土体的补强作用主要来源于纤维与土体之间的摩阻力或粘合力。其中补强机理主要可概括为弯曲机理和交织机理。

1.1 弯曲机理［1］

弯曲机理是指纤维在土中的分布形态是由无数个弯曲转折组成的，几乎没有直线段。当土体承受外力而使纤维受拉时，在纤维弯曲的凹侧就会产生纤维对土颗粒的压力N和摩擦力f，从而提高土体的抗剪强度。

1.2 交织机理［1］

交织机理是指由于土中无序分布的纤维存在着无数的交织点，如果在纤维的交叉处受到力的作用，从而有位移的趋势，就会遇到其它纤维阻止这种位移，即任何一段纤维的受力变形都会牵动与之交织的各个方向的纤维，从而形成空间的受力区，即土体受到整个纤维网络的空间约束作用，这样不仅提高了土的强度，而且减小了土体的侧向变形和竖向变形。

2 试验方案

2.1 试验材料

试验所用的土样经过测定为细粒砂土，砂的细粒含量为12.4%，砂的比重为2.59。经过室内重型击实试验测得砂土的最大干密度为通1.75g/cm3，最佳含水率为14.3%。试验时采用的压实系数为0.95，试件含水量控制在15% ～16%左右。所采用的木质纤维为灰白色纤维，纤维的平均长度为6mm左右，直径为2mm左右。

2.2 试验方法

试验采用三轴不排水剪试验(CU试验)，分别用原砂土以及掺入木质纤维为1‰、3‰、5‰的木质纤维土制取试件进行试验。制取土样试件尺寸为高110mm，直径50mm。试验采用的围压分别是σ3=50kPa、100kPa、200kPa。剪切应变速率控制在0.4%/min，当所有试样均剪切破坏或是轴向应变达到15%时停止。

3 试验数据及分析

3.1 纤维土的应力－应变关系

如图1～图3所示，其中图1为在围压50kPa的木质纤维土在不同纤维掺量的情况下和原砂土的应力应变曲线，图2为在围压100kPa的木质纤维土在不同纤维掺量的情况下和原砂土的应力应变曲线，图3为在围压200kPa的木质纤维土在不同纤维掺量的情况下和原砂土的应力应变曲线。反映了在相同围压下采用不同掺量的木质纤维土和原土样的应力应变特性。

图1 木质纤维土应力—应变曲线(σ3=50kPa)

图2 木质纤维土应力—应变曲线(σ3=100kPa)

图3 木质纤维土应力—应变曲线(σ3=200kPa)

根据实验数据显示，三类木质纤维土的应力应变曲线都在原砂土的应力应变曲线上方，当轴向应变不大时，不同掺量的木质纤维土和原砂土的应力应变曲线几乎是一致的，当轴向应变不断变大，4条曲线才逐渐分离。这说明在只有较小的应变的时候，木质纤维土主要是靠土体自身的强度起作用。当应变逐渐变大的时候，木质纤维土的纤维开始起作用。因为土体变形过小，所以传递到纤维的压力较小，两者之间摩擦力较小，随着压力增大，木质纤维所起的作用体现出来，对于木质纤维土来说粘聚力增大了。

从实验结果可以看出，在相同的围压作用下，3种木质纤维土的应力应变曲线随着木质纤维的掺入量的不同而变化，掺入量越高的纤维土的曲线在上方。这说明在同等围压的情况下，在一定的纤维掺入量的范围内，纤维土的强度确实随着木质纤维的掺入量增加而增加。但是同时我们可以看到，当围压为50kPa时，掺量为3‰和掺量为5‰的木质纤维土应力应变曲线相接近。而当围压增大到200kPa时，其中木质纤维掺量为1‰和掺量为3‰的应力应变曲线相接近，这说明，随着围压的增大。纤维在土体里面所起的作用就越大，因此在实际工程实践中，应适量使用纤维掺量，并不是掺入量越多越好。

3.2 纤维土的抗剪强度分析

对试验所得数据进行处理，并通过粘性土的计算公式(如下)算得纤维土的内摩擦角和粘聚力。

τ=c+σtanφ

式中:τ为土体抗剪强度，kPa;c为土体的粘聚力，kPa;σ为土体的主应力，kPa;φ为砂土内摩擦角，(°)。

将试验数据处理并计算，得到原砂土以及木质纤维土的抗剪强度指标整理如表1所示。

表1 砂土以及不同纤维掺量木质纤维土的抗剪强度指标表

根据计算得到的原砂土以及木质纤维土的抗剪强度指标，可以看到随着木质纤维掺入量的不断增大，土体的粘聚力是不断增大的。但是原砂土与掺入量为1‰时候的木质纤维土的粘聚力增量不是太大;当掺入量达到3‰时，木质纤维在土中与土体的接触非常紧密，咬合摩擦力有很大的提升，粘聚力增量发生突变。同时，木质纤维土的内摩擦角并不是随着纤维掺入量的变大而一直变大，但是均大于原砂土的内摩擦角。也就是说在砂土中掺入木质纤维能很大地提高砂土的粘聚力，使其具有一种粘性土的性质，且随着掺入量的增大这种效果就越明显。掺入纤维土中对内摩擦力的改变不是太大，但是仍有微弱的提升。

4 结语

通过对不同掺量的木质纤维土和原砂土的三轴CU试验，探讨了木质纤维掺入量对于应力应变关系和剪切强度的影响。试验结果表明，当土中掺入一定量的木质纤维以后，应力应变曲线会得到提升，只有应变量达到一定数值以后，木质纤维与土体接触密切，咬合作用变大。增大掺入量会提高土体的抗剪强度。

但是事实上，纤维的掺入量并不是影响纤维土抗剪强度的唯一因素。还应受纤维的细度，韧度和长度等参数的影响。在实际的工程实践中，也不是掺入量越多越好，应该进行更多的实验来提高木质纤维土的应用实践性。

［1］朱诗鳌.土工合成材料的应用［M］.北京:北京科学技术出版社，1994.

［2］GB/T50123－1999，土工试验方法标准［S］.

［3］刘红军，韩春鹏，等.土质土力学［M］.北京:北京大学出版社，2012.

［4］沈圆顺，刘玖壮，郭丽丽.纤维土作为路用材料的试验研究［J］.建筑材料学报，2010(4).

［5］赵莹莹，赵燕茹，李 驰，等.纤维土的三轴试验研究［J］.水利与建筑工程学报，2009(1).