膨胀土纤维加筋的强度特性实验研究

王冰，于炎成，陈朝阳

（1.中铁四局集团第二工程有限公司，江苏 苏州 215131；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 前言

膨胀土广泛分布于多个国家[1]，因其“三性”问题（胀缩性、裂隙性、超固结性）[2]的存在，给工程建设带来巨大的危害。一直以来土体改良技术都是岩土工程领域的重大课题，通常有力学加固法、物理加固法、传统化学加固法、非传统型固化剂改良法等[3]。

纤维加筋提高土的强度[4-5]。各国学者对纤维加筋土进行了一定的研究[6-7]。目前用于土体加固的纤维主要有人工合成纤维和自然纤维两种[8]。自然纤维由于其易降解、易掺加、成本低和对环境友好等优点近年来得到研究人员的广泛关注[9-10]。

本文在江淮分水岭地区膨胀土中以不同的角度和掺加量将黄麻纤维掺入，通过不固结不排水三轴实验来探究其对土体强度及变形方面的影响，研究结果对于江淮分水岭地区膨胀土的处治问题具有一定的借鉴意义。受制条件因素，对邻水基坑围护结构变形和内力特性有待进一步研究。

1 实验材料与方法

1.1 膨胀土的性质

试验中膨胀土取自江淮分水岭。土样成因为洪积而成，土样颜色为褐黄色，含有大量的铁锰结核，裂隙发育，中间夹有少量的砂土。土样运送至土力学试验室后进行密封处理，根据《公路土工实验规程》（JTG E40—2007）[11]对所取土样进行各种基本土工实验，所获得膨胀土的各基本物理性质参数指标如表1所示。自由膨胀率为66.12%，根据《膨胀土地区建筑技术规范》（GB 50112—2013）[12]可知，该土样为中潜势膨胀土，颗粒级配曲线存在较为明显的平缓段，故该土样为缺粒级配。

1.2 黄麻纤维的性质

试验用加筋材料为黄麻纤维，纤维的长度可以达到1～4 m。如表2所示，黄麻纤维中含有较高含量的纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素含量最高(高达60%～70%)。纤维素是一种大分子多糖化合物，可以提高黄麻纤维的抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度。从表3中可以看出，黄麻纤维的断裂伸长率为1.5%～1.9%，相对其他加筋纤维来说较大，这使得其在与土体作用的过程中使筋土复合体的韧性加大，抑制了土体中裂缝的产生，加筋效果明显好于其他加筋纤维。

1.3 实验方法

把长度为10 mm黄麻纤维以不同的含量和角度掺入到膨胀土中，利用三轴不固结不排水试验探究其在不同的围压下对膨胀土的改良效果。黄麻掺加量分为0.2%、0.5%和0.8%三种，黄麻掺加角度分为随机、0o、30o、60o、90o，具体掺加方式如图 1 所示。

图1 黄麻纤维分布方式图

2 试样制备与三轴实验

2.1 制作三轴试样

试验中黄麻纤维长度取10 mm。纤维在土体中随机均匀分布时，将纤维与干土手工拌合，使其尽量分布均匀，喷入重量为按最优含水率计算得到的水分，

膨胀土的基本物理力学性质 表1

黄麻纤维化学成份表 表2

黄麻纤维基本物理力学性质表 表3

焖料24h使水分充分扩散均匀后进行击实。黄麻纤维在土中呈角度分布时，击实的过程中均按纤维0o排列进行击实，在三轴试样制作的过程中再切割出纤维定向排列的试样。黄麻纤维的添加过程与击实过程同时进行，纤维分三次掺入，每次放入前将下面击实土样进行拉毛处理，纤维摆放位置如图2所示。本次试验中所采用的击实过程按《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）中轻型I-1击实法进行，锤质量2.5 kg，锤底直径5 cm，落高30 cm。

图2 0°击实过程中纤维摆放位置示意图

2.2 三轴实验

天然状态下膨胀性黏土一般含水量较高，渗透性差，不易排水，故本次实验采用不固结不排水的方式进行。剪切前对试样加围压后即开始剪切，在剪切的过程中（垂直压力施加的过程中）关闭排水阀门不允许试样进行排水。实验步骤参照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007），当轴向应力出现峰值时，剪切应继续进行至超过5%的轴向应变为止，当无峰值时，剪切应进行到轴向应变为15%～20%时停止。

本次实验中素土呈现出剪切破坏，出现明显的剪切面，加入黄麻纤维试样的破坏形态均呈现出塑性破坏。破坏时中间向四周鼓出而两端较小，可以得出，黄麻纤维的存在抑制了土体的变形，使土体由剪切破坏变为压缩破坏。

3 三轴试验结果

将三轴实验获得的数据进行整理，把每组结果的（σ1-σ3）峰值点作为该组试样的破坏点，如果没有峰值点，则取轴向应变为15%时所对应的点为破坏点。在直角坐标图上以法向应力σ为横坐标（kPa），剪应力τ为纵坐标（kPa）绘制剪切破坏图，图中在横坐标上以(σ1f-σ3f)/2 为半径，(σ1f+σ3f)/2 为圆心（f注脚为破坏）进行绘制半圆，不同围压下(100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa)所得数据分别绘制，做所有圆的公切线，该切线即为强度破坏包线。素土的绘制结果如图3所绘制的σ—τ图中强度破坏包线的斜率和截距分别为不排水内摩擦角φu和黏聚力cu。

图3 素土强度包线图

图4 纤维掺加量对黏聚力的影响

可以发现，纤维的掺入对膨胀土黏聚力的影响范围要大于对土体内摩擦角的影响范围。

4 结论

本文以江淮分水岭地区广泛分布的膨胀土为研究对象，把长度为10 mm的黄麻纤维以不同的分布角度和掺加量掺入其中对土体进行改良。通过不固结不排水三轴试验对所制得的64个试样进行剪切试验，对收集的数据进行详细的整理绘图和分析，本次试验过程中主要的出了下述结论：

①在膨胀土中掺加入黄麻纤维可以改变土体的强度特性和变形特性，有效的提高膨胀土的抗剪强度和抗剪强度指标。黄麻纤维的掺入对黏聚力的提高幅度较大（由72 kPa到95 kPa）；对加筋膨胀土的内摩擦角的影响范围较小。

②改变黄麻纤维在膨胀土中的分布角度，可以看出不同程度的提高土体的抗剪特性。综合来看，黄麻纤维在土中呈不同角度分布的加筋效果从高到低依次为 0°、30°、随机均匀分布、60°、90°。

③黄麻纤维的掺加量对纤维加筋土的抗剪强度有一定的影响。总体上来说，纤维对膨胀土抗剪强度的增强效果随着纤维增加量的增加先增大后减小，试验中当黄麻掺加量为0.5%时土体的抗剪强度增加最多，掺加量为0.2%和0.8%时的加筋效果均要低于0.5%时的加筋效果。结果表明，纤维掺加量存在一个最优值，最优值下加筋效果达到最大。