纤维加筋土无侧限抗压强度试验及数值分析

蒋志琳，王崇淦，肖伟，阮波

纤维加筋土无侧限抗压强度试验及数值分析

蒋志琳1，王崇淦1，肖伟1，阮波2

(1. 湖南中大设计院有限公司，湖南 长沙 410075；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

为探究玻璃纤维对红黏土的加固机理，通过室内无侧限抗压强度试验，并结合离散元技术进行数值分析，研究不同纤维含量下加筋土的力学特性。基于微裂纹演化过程探究各损伤阶段微裂纹与力学演化特征，并揭示加筋土细观损伤机理。研究结果表明：加筋土的单轴抗压强度大于红黏土，玻璃纤维含量为0.1%时加筋土单轴抗压强度最大。玻璃纤维能有效减缓土体中裂纹的快速扩展，导致加筋土抗压强度的增强。纤维含量越高加筋土所能承受的损伤程度越小，随着纤维含量的增加，加筋土易沿纤维面发生局部破坏，导致加筋土抗压强度随着纤维含量的增加而减小。

玻璃纤维加筋土；离散元方法；微裂纹；力学特性；机理

近年来，公路基础建设正朝着高标准、严要求的方向发展，对于一些高等级道路往往采取加固措施提高路基强度。对于一些区域，由于路基填料不佳，常从其他区域运送优质填料进行换填，这种方式成本高且工作量大[1]。若能通过某种技术手段使得路基的性能指标满足规范需求，可以大大减轻成本，便于就地取材，符合环保以及可持续发展的理念。加筋土技术是常用到的措施之一，例如古代劳动人民在修筑房屋、加固地基时，用稻草、树枝、麦秆加入到土体中，以增加稳定性和耐久性。新发展起来的纤维加筋土技术是把纤维添加到土中，两者彼此交错、连接，互成空间网络体系，表现出更大的整体性和更大的受力范围。卢凯等[2]研究发现在混凝土中添加纤维可改善混凝土的强度和韧性。邓林飞等[3]对聚丙烯纤维水泥粉质黏土的三轴试验进行研究，试验结果表明聚丙烯纤维水泥粉质黏土的黏聚力随纤维掺量的增加呈幂函数型增长，纤维掺量对聚丙烯纤维水泥粉质黏土内摩擦角影响不大；掺入聚丙烯纤维后，水泥土的破坏模式由脆性破坏转变为塑性破坏。Akulunt等[4]发现在纤维掺量为0.2%左右时，纤维土的无侧限抗压强度达到最大值。胡小庆等[5]通过无侧限抗压强度试验对比研究发现长度为2.5 cm和含量为2‰时，加筋效果明显。曾军等[6]研究发现纤维土增强土体韧性，在红黏土中掺入纤维可提高土体的无侧限抗压强度，增幅范围在1.18~2.54倍。Pradhan等[7]研究了聚丙烯纤维形态和掺量对黏土的影响，经纤维改善后黏土在4‰~8‰之间时，剪切峰值强度和残余强度、无侧限抗压强度以及CBR值提高效果显著。彭梁等[8]研究表明纤维含量高的土体承受的损伤就越小，抗压强度也越来也大。王亮[9]研究纤维土具有护坡功能，大大提高土体的抗冲刷能力。李岩等[10]研究发现纤维改良土加快了应力在路基深度方向的扩散速度，对路基沉降的控制效果较好。因此，纤维土对于土体强度的提高有着积极的效果，在路基改良和路基边坡的防护方面也有着极大的实用价值。上述学者均是通过室内宏观试验的研究纤维土的强度和影响强度因素，但从微观模型分析揭示纤维土加固机理的较少。本文结合室内无侧限抗压强度试验和采用离散元技术，研究不同纤维含量下纤维土的力学特性和纤维加筋土的加固机理。基于微裂纹演化过程分析加筋土细观损伤演化阶段，成果可为路基填土的改良提供新思路和参考价值。

1 室内试验研究

1.1 试验材料

试验所用土取自贵州某铁路工程的红黏土，其物理力学指标如表1所示，级配曲线图见图1。选取的纤维为玻璃纤维，其物理力学参数见表2。

表1 红黏土的物理力学性质

表2 玻璃纤维的物理力学参数

1.2 试验制备

室内试验分别在红黏土试样中掺入质量比分别为0%，0.1%，0.2%，0.3%和长度为3，6，9 mm长度的玻璃纤维。选取代表性的土样风干、碾碎、过2 mm筛，压实度选为94%。称取对应的干土、水和玻璃纤维的质量，并拌和均匀，避免纤维之间黏结成团，采用压样法分层将混合料制成直径为50 mm，高度为50 mm的圆柱体试样，层与层之间刮毛以增大上下层之间土样的摩擦咬合作用[11]。

图1 红黏土累计级配曲线图

1.3 试验结果及分析

无侧限抗压强度试验试验应变速率控制在1 mm/min，试验过程中记录每个试样破坏时的最大压应力及峰值强度对应的应变，绘制应力−应变曲线图，试验结果如表3所示。

表3 纤维土无侧限抗压强度汇总表

从表3可看出，纤维的掺入可以提高土体的无侧限抗压强度。无侧限抗压强度呈现出随着纤维长度的增加而增加，随着纤维掺量的增加先增加而增加。纤维掺量对红黏土的补强作用存在一个最优值，当掺量超过1‰后，强度随着掺量的增加而减小。从宏观角度可发现，纤维细小，比表面积大，随机分布到红黏土中，可以在其内部形成一种空间网状的随机支撑体系，起到类似“锚杆”“桥梁”加固作用。但纤维掺量超过最优值后，纤维在土体的空间网状的桥梁纽带作用就会削弱。分布越多，纤维的定向分布以及它们之间叠加，聚体或抱团就会明显，纤维提高强度的能力反而下降。

(a) 0%纤维含量；(b) 0.1%纤维含量；(c) 0.2%纤维含量；(d) 0.3%纤维含量

2 离散元数值试验

2.1 试验方案

由于试样尺寸较小，数值试验主要研究纤维掺量的影响，分别在3组红黏土试样中掺入质量比分别为0.1%，0.2%与0.3%，长度为6 mm的玻璃纤维，观察模型破坏后的形态特点。

2.2 数值模型的建立和参数的选择

1) 在50 mm×50 mm的圆柱体范围内随机生成宽为11 μm，长为6 mm的长方形geometry，根据geometry生成4个facet的封闭墙体代表玻璃纤维。在试样模型范围内根据土体级配随机生成相应级配的颗粒。

2) 检测所有土体颗粒，若该土体颗粒与其他颗粒重叠，则缩小该颗粒半径为原半径寸0.9倍，若该颗粒没有与其他颗粒发生接触，则增大颗粒半径为原半径1.1倍，并计算一定步数后再次检测，直至没有土体颗粒与其他颗粒重叠或无接触。纤维加筋土模型见图2。

图3 纤维加筋土数值模型

3) 由于模拟中需要的一些细观参数(如刚度和黏结强度等)难以从实验中直接获取，研究中往往通过材料的宏观力学参数来反演其细观参数，参数选取见表4。

4) 将数值模型试验和室内试验数据汇总于一张图形中，对比两者的差异，详见图3。从图3可知所选取细观参数合理反映了该红黏土的力学特性。

2.3 试验过程

在模型建立并赋予相应细观参数后，赋予所有颗粒0.1的阻尼系数，给试验体上、下墙体赋予0.5 mm/s的速度对试验体进行压缩试验。试验过程中监测试样所受轴向应力及轴向应变，当监测到试样轴向应力达到最大值u后下降至0.7u时停止试验。

表4 玻璃纤维与土体颗粒细观参数

图4 红黏土无侧限单轴抗压应力应变曲线

2.4 试验结果

将数值试验得到的不同纤维含量的试样的抗压强度与室内试验进行对比，如图5所示，当纤维含量为0.3%时，数值试验得到的结果与室内试验偏差最大，这是由于在室内试验中当纤维含量较高时玻璃纤维会有一定程度的缠绕，会在一定程度上提高加筋土的强度，而数值试验中无法考虑如此复杂的情况，与室内试验存在某些偏差，但数值试验得到的强度仅比室内试验得到的强度低2%，故可以认为该数值模拟能合理的反应加筋土的力学特性。

图5 不同纤维含量加筋土无侧限抗压强度

数值试验得到的规律与室内试验结果基本一致，加筋土强度大于红黏土本身，说明玻璃纤维起到了较好的加筋作用，增强了红黏土的强度。当纤维含量为0.1%时加筋土的无侧限单轴抗压强度最大，随着纤维含量的继续增加，加筋土的强度反而有所下降。结合不同纤维含量加筋土应力−应变关系曲线，详见图6，分析加筋土变形破坏过程力学特性。

1) 随着纤维含量的增加，加筋土初始弹性模量增加，这是由于在变形初期加筋土内部没有损伤发生，由于纤维材料的刚度远大于土体刚度，故加筋土整体刚度随着纤维含量的增加而增加。

2) 加筋后的土体抗压强度相比红黏土有明显增长，说明玻璃纤维对红黏土起到了较好的加筋作用。当纤维含量为0.1%时，加筋土抗压强度最大，较土体增长22.7%。随着纤维含量的继续增加，加筋土峰值抗压强度逐渐减小，纤维含量为0.3%时加筋土抗压强度较纤维含量为0.1%时下降7.9%。

3) 红黏土在达到峰值压应力后，轴向应力随着应变快速下降。而加筋土特别是纤维含量为0.3%时，由于土体破坏后纤维可以有效阻止加筋土进一步的破坏，轴向应力达到峰值后下降速率有明显减缓。

2.5 加筋土强度提升和损伤机理

加筋土的抗压强度较红黏土有明显提高，通过对比0.1%纤维含量加筋土与红黏土的细观变化过程，详见图6和图7，分析加筋后抗压强度提高的细观机理。

图6 不同纤维含量应力-应变曲线

(a) 应力峰前80%Pu；(b) 应力峰值；(c) 应力峰后80%Pu

(a) 应力峰前80%Pu；(b) 应力峰值；(c) 应力峰后80%Pu

从图8可知，当应力达到峰前80%u时，加筋土主要在纤维附近土体发生损伤，而红黏土中发生的损伤程度较小，仅有极少微裂纹随机分布。当应力达到峰值时，加筋土中的微裂纹仍主要分布在纤维附近并向周边土体扩展，没有明显的破坏产生；而红黏土中的微裂纹沿着一定的方向快速扩展并已有局部破坏发生，说明在初始损伤阶段加筋土中的纤维有效阻止了土体裂纹的快速扩展。当应力达到峰后80%u时，红黏土中已形成一条贯穿土体的宏观剪切裂纹，裂纹与水平夹角56°，而此时加筋土只有局部发生破坏，由于纤维的阻碍仍没有贯穿土体的裂纹产生。

图9 微裂纹数−轴向应力关系曲线

对比加筋土与红黏土微裂纹演化过程(图9)可知：在达到峰值强度前，加筋土与红黏土微裂纹数均随着轴向应力的增加而增加，但加筋土内微裂纹随轴向应力的增长速率低于红黏土。当轴向压力相同时，红黏土内产生的微裂纹明显多于加筋土，这是由于在初始损伤阶段玻璃纤维有效减缓了土体中微裂纹的快速扩展。达到峰值强度时，加筋土与红黏土内产生的微裂纹数基本一致，说明当土体达到一定的损伤程度时0.1%纤维含量加筋土与红黏土才会进入破坏阶段，由于玻璃纤维有效减缓了土体中裂纹的快速扩展，故加筋土达到峰值强度所需的轴向应力大于土体，进而导致加筋土抗压强度的增强。

3 结论

1) 采用离散元数值技术建立了加筋土数值模型，结合室内试验发现加筋土的单轴抗压强度大于土体，当玻璃纤维含量为0.1%时加筋土单轴抗压强度最大；随着纤维含量的继续增加，抗压强度逐渐减小。而根据离散元数值模型发现，当土体达到一定的损伤程度时0.1%纤维含量加筋土与红黏土才会进入破坏阶段，因纤维有效减缓了土中裂纹的扩展，在峰值强度前，加筋土的微裂纹随轴向应力增长速率低于红黏土，使得加筋土抗压强度增强。

2) 基于微裂纹演化过程划分了加筋土细观损伤演化阶段：压缩阶段，初始损伤阶段与破坏阶段。压缩阶段土体内没有发生损伤，微裂纹于初始损伤阶段开始产生并逐渐扩展，当轴向应力达到峰值时加筋土进入破坏阶段，微裂纹快速发展。

3) 纤维颗粒与土体颗粒在相对运动过程中会产生较大的摩擦力，导致玻璃纤维周边的土体产生的微裂纹以剪切裂纹为主；土体在变形过程中主要受到压缩方向的主应力，从而导致土体中产生的微裂纹以拉裂纹为主。

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Laboratory investigation and numerical simulation of unconfined compressive strength of glass fiber reinforced soil

JIANG Zhilin1, WANG Chonggan1, XIAO Wei1, RUAN Bo2

(1. Hunan Zhongda Design Institute Co., Ltd, Changsha 410075, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to investigate the mechanism of the glass fiber to reinforce the red clay, numerical simulations were performed using the discrete element method. The mechanical properties of reinforced soils with different levels of fiber content were studied from laboratory tests. The meso-damage stages of reinforced soil were divided based on the evolution of meso-crack, and the evolution of mechanical properties and meso-crack characteristics were investigated in different stages. The meso-damage mechanism of reinforced soil was revealed. The results show that the unconfined compressive strength (UCS) of reinforced soil is greater than the unreinforced red clay. The UCS of reinforced soil is the largest when the content of glass fiber is 0.1%. The UCS of reinforced soil increases, because the glass fiber effectively obstructs the rapid growth of meso-cracks in the soil. The degree of damage that the reinforced soil can withstand is less when the fiber content is higher. As the fiber content increases, the reinforced soil is more prone to localized damages along the fiber interface, thus resulting in decreased UCS of reinforced soil.

glass fiber reinforced soil; discrete element method; meso-cracks; mechanical properties; mechanism

U411

A

1672 − 7029(2020)06 − 1404 − 07

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200074

2020−01−22

蒋志琳(1972−)，男，江苏南京人，高级工程师，从事岩土工程方面的研究；E−mail：154232127@qq.com

(编辑 蒋学东)