纤维加筋土力学特性及电镜扫描分析

牛 雷 吴占君 毕苏红

（吉林建筑大学 土木工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

纤维加筋是将分散的纤维均匀掺入到土体之中，使土体的工程力学性能得到改善和提高[1-4]，已大量应用在土木工程中。纤维加筋土作为一种优良的岩土工程材料，研究其力学特性已成为岩土界重要的研究内容。纤维加筋具有良好的应用效果[5-7]。吴远成[8]等通过试验，发现聚丙烯纤维能有效地改良土体，起到良好的抗拉断裂的效果，在工程中的应用有着重要参考价值。胡其志等[9]的研究结果表明，黏土中掺加棕榈纤维后强度增加明显，在 12mm的筋材长度和0.8%的加筋量组合下加筋效果最优，与素土相比，加筋后强度提高27%。陈志波等[10]加入纤维可有效提高土体的抗剪强度，纤维加筋土的增强机理与纤维含量有关，较小的纤维含量对土体孔隙率影响不大，加筋土以土骨架为基础；当纤维含量较大时，孔隙率明显增大。赵佳愉等[11]通过试验证实不同长度椰丝纤维加筋土体的抗剪强度随着法向应力的增加呈线性增加趋势，符合摩尔-库伦定律的基本规律。Estabragh等[12]用随机分布的尼龙纤维来加固软土，通过三轴试验研究尼龙纤维含量的加筋效应，发现添加纤维可提升天然土壤的剪切强度和摩擦角，且随着纤维含量的增加，预固结压力降低并且膨胀和压缩系数增加。白琨等[13]通过试验得到玄武岩纤维最佳掺量下，加筋土的劈裂抗拉强度值相比水泥土增加了87%。周帅[14]等研究结果表明，苎麻纤维能很好地提高试样的无侧限抗压强度和抗剪强度。芦苇[15]等通过试验表明，纤维掺量和长度越大，浆体流动性越低，而纤维长度与收缩率无明显相关性。吴瑞潜[16]等通过试验发现随着净法向应力的增大，土体的剪应力-剪切位移曲线由软化型逐渐向硬化型转化，纤维长度L为12mm的加筋土样表现出的剪切硬化特性最明显。李骞[17]等发现与纯砂土相比，加入改性材料和秸秆纤维后，降低了土体渗透性，增加了土体的粘聚力，内摩擦角基本保持不变。

目前的研究大多集中在纤维土体的力学性能，对纤维在土体中的微观结构分析尚不充分。为此，本文将玻璃纤维掺入到长春地区低液限黏土（呈黄色）中，探究纤维对同一种土加固效果的影响规律；同时，通过电镜扫描对纤维在土体中的微观结构进行分析。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验用土取自吉林省长春市净月区某施工场地，土样呈黄色。风干土含水率为4.19%，液限为40.91%，塑性指数为24.84。玻璃纤维的主要性能指标如表1所示，纤维外观如图1所示。

图1 玻璃纤维

表1 纤维的主要性能指标

1.2 试验方案

将不同长度的玻璃纤维分别按不同质量比掺入到土中，纤维长度分别为3mm、6mm、9mm、12mm，质量比分别为0、0.10%、0.30%、0.50%和0.70%。

1.3 试样制备

试样制作采取分次制样方法，以确保纤维的均匀分布，试样用土拌制完成后密封养护24h，使土样中的水分充分与土融合。随后分次加入到压实模具中，从而得到高80mm，直径39.1mm的试样。

2 试验结果与分析

2.1 玻璃纤维掺量对无侧限抗压强度影响

不同长度的玻璃纤维加入土中均可提高土体强度，当长度相同时，纤维的不同掺量对土体强度的提高程度不同。不论是何种长度、何种掺量，与素土相比，强度均有提高，由此可得，掺加玻璃纤维可提高土体强度。

图2为加筋材料为玻璃时，不同纤维掺量下的无侧限抗压强度。图中曲线表示在特定的长度下，不同纤维掺量无侧限抗压强度变化规律的图形，通过图像及数据分析得：各纤维掺量的无侧限抗压强度与素土相比，在4种纤维掺量下，当纤维长度为3mm时，土体的无侧限抗压强度较素土分别增加了17.84%，13.83%，44.09%，31.03%。最大值发生在掺量0.5%，增幅达到了44.09%。当纤维长度为6mm 时，土体的无侧限抗压强度分别增加了50.30%，40.48%，60.92%，41.08%，最大值发生在掺量0.5%，增幅达到了60.92%。当纤维长度为9mm时，土体的无侧限抗压强度分别增加了79.96%，62.73%，83.77%，78.96%，最大值发生在0.5%，增幅达到了83.77%。当纤维长度12mm 时，土体的无侧限抗压强度分别增加了14.23%，11.42%，19.44%，13.23%，最大值发生在0.5%，增幅达到了19.44%，由此可以得出：当纤维长度一定时，加筋土的无侧限抗压强度随着纤维掺量的增加呈现先增大再减小再增大再减小的折线趋势，但加筋土始终大于素土，其中在纤维掺量为0.5%时，加筋土的无侧限抗压强度达到峰值，由此可见，当长度一定时，无侧限抗压强度在掺量0.5%时达到最优。

图2 不同纤维掺量加筋土强度变化规律曲线

2.2 玻璃纤维长度对无侧限抗压强度的影响

玻璃纤维加筋土不同长度的变化规律如图3所示。图3中曲线表示在特定的掺量下，不同纤维长度无侧限抗压强度变化规律的图形，通过图像及数据分析得：各纤维长度的无侧限抗压强度与素土相比，在4种纤维长度下，当纤维掺量为0.1%时，土体的无侧限抗压强度较素土分别增加了17.84%，50.30%，79.96%，14.23%，最大值发生在9mm时，增幅达到79.96%。当纤维掺量为0.3%时，土体的无侧限抗压强度分别增加了13.83%，40.48%，62.73%，11.42%。最大值发生在9mm 处，增幅达到62.73%。当纤维掺量为0.5%时，土体的无侧限抗压强度分别增加了44.09%，60.92%，83.77%，19.44%，最大值发生在9mm处，增幅达到83.77%，当纤维掺量0.7%时，土体的无侧限抗压强度分别增加了31.06%，41.08%，78.96%，13.23%。最大值发生在9mm处，增幅达到了78.96%。由此可以得出：当纤维掺量一定时，加筋土的无侧限抗压强度随着纤维长度增加呈现先增大后减小的趋势，但加筋土强度始终大于素土强度，其中在纤维长度为9mm时，加筋土的无侧限抗压强度达到峰值，超过9mm后出现下降，由此可见，当纤维掺量一定时，无侧限抗压强度在纤维长度9mm时达到最优。

图3 玻璃纤维长度对无侧限抗压强度的影响

2.3 玻璃纤维对土体抗剪强度的影响

以玻璃纤维9mm，掺量0.5%为例，得到不同垂直压力下，纤维加筋土与素土的抗剪强度对比曲线如图4所示。由图4可知，不论垂直压力大小，玻璃纤维加筋土的抗剪强度始终大于素土的抗剪强度，以此可验证玻璃纤维不论加入多少均可提高土体的强度。

图4 不同垂直压力下的抗剪强度

玻璃纤维加筋土与素土抗剪强度指标如表2所示。由表可知，加入纤维后，粘聚力增加，说明玻璃纤维可提高土体的粘聚力，内摩擦角降低，但降低较小，说明玻璃纤维加入与否对内摩擦角影响不大。

表2 抗剪强度指标

3 电镜分析

加筋土界面的抗剪强度由界面摩擦力和界面黏聚力构成，本文通过电镜扫描对纤维加筋土的微观结构进行分析。纤维在土体中的分布情况如图5所示。由图5可知，纤维在土中分布情况较为分散，由于纤维的强度远大于土体的强度，土颗粒紧紧包裹着纤维，土体本身强度加上纤维强度，增强了纤维加筋土的强度。但纤维若是掺量过多，试样中土体对纤维的包裹出现不均匀情况，纤维出现集束，增强效果出现下降，但始终大于素土强度。

图5 纤维分布情况

4 结束语

综上所述，本课题结论如下：

（1）玻璃纤维能提高土体的无侧限抗压强度，保持纤维长度不变，纤维加筋土的强度均随纤维掺量的增加而呈波浪式变化，有两个峰值，前峰值略小于后峰值，纤维最优掺量均为0.5%。

（2）掺入玻璃纤维，可提高土体的抗剪强度，无论在何种垂直压力下均可提高抗剪强度，在抗剪强度指标方面，纤维的加入可提高粘聚力但对内摩擦角无明显影响。

（3）通过电镜扫描可知，纤维在土体中分布均匀，土体包裹纤维，增强土体的强度，纤维掺量过多时，纤维在土体中会出现集束现象，使得纤维增强土体的效果下降，但纤维加筋土的强度始终大于素土强度。