聚丙烯纖維土受力性能試驗(yàn)研究

孫 舒,袁學(xué)鋒,李福林,王月華

（1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇泰州 225300；2.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇徐州 221006)

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聚丙烯纖維土受力性能試驗(yàn)研究

孫 舒1,袁學(xué)鋒1,李福林2,王月華1

（1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇泰州 225300；2.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇徐州 221006)

摘 要：為了解決由煤層采動(dòng)和重載車輛導(dǎo)致的路基砂土大變形問題,依據(jù)三軸壓縮試驗(yàn),研究了4種纖維長度和4種纖維摻量下砂土的強(qiáng)度和抗變形能力。結(jié)果表明:纖維土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似呈雙曲線關(guān)系,主要破壞形式為鼓脹破壞；纖維土的力學(xué)性能隨纖維摻量和長度的增加而增大,但對內(nèi)摩擦角影響很小。最后在試驗(yàn)基礎(chǔ)上通過1stOpt進(jìn)行多因素回歸分析得到黏聚力與纖維長度和摻量的擬合公式,并通過與實(shí)測值比較,認(rèn)為其能夠滿足工程需要。

關(guān)鍵詞：纖維土；路基砂土；變形性能；三軸壓縮試驗(yàn)；黏聚力

2016,33（02):71-73,79

1 研究背景

煤層開采和重型超載車輛會(huì)使采動(dòng)區(qū)公路產(chǎn)生非常嚴(yán)重的破壞。纖維加筋技術(shù)是通過在土體中隨機(jī)摻入離散的纖維絲或網(wǎng)片形成一種土工復(fù)合材料的方法。纖維均勻地分布在土體中,在各個(gè)方向上都能起到加筋作用,可顯著提高土體的強(qiáng)度和抗變形能力。李宏波等［1］認(rèn)為聚丙烯纖維的摻入可以提高粉砂土的抗剪強(qiáng)度。柴壽喜等［2］依據(jù)抗壓實(shí)驗(yàn)和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)研究不同長度和加筋率對鹽漬土力學(xué)性能的影響。王德銀等［3］從微觀的角度探討纖維的增強(qiáng)機(jī)理,認(rèn)為低含水率和高密實(shí)度條件有利于發(fā)揮纖維拉筋效果。沈圓順等［4］采用室內(nèi)試驗(yàn)分析了影響纖維土力學(xué)性能的主要因素。

本文擬采用聚丙烯纖維對砂土進(jìn)行改善力學(xué)性能的試驗(yàn)研究,通過控制纖維長度和摻量進(jìn)行三軸試驗(yàn)來分析對土強(qiáng)度的影響,以期為道路工程應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選用ISO標(biāo)準(zhǔn)砂,加筋纖維采用聚丙烯纖維絲,其物理力學(xué)性能參數(shù)分別見表1,表2。由擊實(shí)試驗(yàn)得出砂土的最佳含水量為9.2%,最大干密度為1.93 g/ cm3。

表1 ISO砂土的物理參數(shù)Table 1 Physical properties of ISO sand

表2 聚丙烯纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Physical and mechanical properties of polypropylene fibre

2.2 試樣的制備

按試驗(yàn)方案的纖維摻加比例和長度的要求,稱取所需要的纖維和標(biāo)準(zhǔn)砂在拌和機(jī)上干拌至均勻,再對標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行烘干,最后按規(guī)范要求在三軸儀上制作試樣,本次試驗(yàn)中試樣直接為101 mm,高度為200 mm。

2.3 三軸壓縮試驗(yàn)

為了比較纖維摻量（0.1%,0.2%,0.3%,0.5%)和纖維長度（5,10,15,20 cm)對砂土的影響,分17組試驗(yàn),每組4個(gè)試件。在96%壓實(shí)度的條件下,圍壓分別為50,100,150,200 kPa時(shí)進(jìn)行不固結(jié)不排水試驗(yàn)。試驗(yàn)應(yīng)變速率為0.828 mm/ min,破壞標(biāo)準(zhǔn)按照峰值強(qiáng)度或15%軸向應(yīng)變確定。試驗(yàn)設(shè)備選用TSZ30-2.0型三軸儀和配套TSW-3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 纖維對試件變形的影響

無筋砂土在三軸試驗(yàn)中的破壞形式基本為局部變形,試樣破壞時(shí)存在較明顯的破裂面,與水平面夾角約在55°～70°之間。摻入聚丙烯纖維后試樣的破壞形式主要為鼓脹破壞,外形勻稱,纖維交織成網(wǎng)狀,纖維與砂土之間有良好的接觸,未發(fā)現(xiàn)有剪斷纖維。纖維網(wǎng)可以將砂土中的應(yīng)力分散到更大的范圍,達(dá)到更好的拉筋效果,具有更好的抗變形能力,能夠適應(yīng)采動(dòng)區(qū)大變形的要求［5］。

3.2 纖維對力學(xué)參數(shù)的影響

本次試驗(yàn)共進(jìn)行（4×13組)52次試驗(yàn),分別繪制每個(gè)試塊應(yīng)變與主應(yīng)力差關(guān)系曲線,如圖1所示。

圖1 砂土應(yīng)力變曲線Fig.1 Stress-strain curves of sandy soil

由圖1可知:無筋土和加筋砂土的最大主應(yīng)力差均發(fā)生在應(yīng)變3%～5%范圍內(nèi)；在應(yīng)變較?。?%～4%)時(shí),聚丙烯纖維加筋砂土應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系呈線性增長,為彈性變形階段；但隨著應(yīng)變增大,試樣進(jìn)入塑性變形階段并破壞。從圖1（c)和圖1（d)分別可以看出:在相同圍壓下,試樣的強(qiáng)度、塑性和承載力均隨纖維摻量和長度的增加而增大。

文獻(xiàn)［3］中認(rèn)為纖維的增強(qiáng)機(jī)理主要體現(xiàn)在2個(gè)方面:單根纖維拉筋作用和纖維網(wǎng)的三維拉筋作用。當(dāng)纖維摻量較低和長度較短時(shí),纖維無法形成有效的纖維網(wǎng),使得纖維土的黏聚力主要來自單根纖維的拉筋作用。而隨著纖維摻量的增加,纖維開始交織成網(wǎng),除了單根纖維的拉筋作用外,還要加上纖維網(wǎng)三維拉筋作用,從而導(dǎo)致纖維土的力學(xué)性能增加更加明顯［6］。

3.3 纖維對砂土抗剪強(qiáng)度的影響

根據(jù)破壞點(diǎn)的主應(yīng)力差計(jì)算出試塊破壞時(shí)的最大主應(yīng)力,然后繪制莫爾應(yīng)力圓。根據(jù)每組莫爾破損應(yīng)力圓包線可得出試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角,見表3。

表3 纖維土的黏聚力與內(nèi)摩擦角Table 3 Cohesions and angles of internal friction in fibre-reinforced soils

纖維砂土試樣的內(nèi)摩擦角規(guī)律如表3所示,隨著纖維摻量和長度增加變化不明顯,與其他學(xué)者的結(jié)果基本一致。但是通過圖2我們可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)摩擦角隨著摻量和長度的增加呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢?？赡茉蚴钱?dāng)纖維過多時(shí),纖維局部相互疊加,形成摩擦系數(shù)較小的軟弱面,使得加筋土的內(nèi)摩擦角變小。

圖2 纖維摻量和長度對內(nèi)摩擦角的影響Fig.2 Influences of fiber content and length on angle of friction

如圖3所示,黏聚力隨著纖維摻量的增加,長度的影響越加明顯,當(dāng)摻量為0.1%,黏聚力提升（19.4-6.72) /6.72＝188%；當(dāng)摻量為0.5%時(shí),黏聚力提升（85.7-27.7) /27.7＝210%。其主要原因是纖維土中纖維與土顆粒交織在一起,形成空間骨架結(jié)構(gòu),整體共同受力協(xié)調(diào)變形,從而使得黏聚力增大。但是當(dāng)纖維過長和比例過大時(shí)會(huì)帶來成本上升和拌合困難等問題。

圖3 纖維長度及摻量對黏聚力的影響Fig.3 Influences of fiber content and length on cohesion

3.4 1stOpt進(jìn)行黏聚力多因素回歸分析

參考文獻(xiàn)［4］,采用1stOpt數(shù)學(xué)軟件對纖維砂土黏聚力進(jìn)行回歸分析,假設(shè)纖維加筋土黏聚力與纖維長度、纖維摻量存在如下關(guān)系:

式中:k,m,p為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；c為加筋土的黏聚力（kPa)；l為纖維長度（mm)；n為纖維摻量；Pa為大氣壓強(qiáng),取100 kPa；d為纖維直徑（mm)。

采用麥夸特法＋通用全局優(yōu)化法對各參數(shù)進(jìn)行非線性迭代并估算參數(shù),式（1)的相關(guān)系數(shù)為0.981,其中k＝0.053 5,m＝0.836,p＝1.029,則

采用纖維長度20 cm、纖維摻量0.6%及纖維長度25 cm、纖維摻量0.2%檢驗(yàn)公式（1)的可靠性。試驗(yàn)值及預(yù)測值見表4,2組數(shù)據(jù)的預(yù)計(jì)值略大于實(shí)測值,誤差均在5%左右,能夠滿足工程要求。

表4 黏聚力實(shí)測值與預(yù)計(jì)值對比Table 4 Comparison of measured values and predictedvalues of cohesion

4 結(jié) 語

通過土三軸試驗(yàn)對砂土、纖維砂土工程力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了初步研究。由試驗(yàn)分析,主要結(jié)論如下:

（1)聚丙烯纖維加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似呈雙曲線關(guān)系,試樣主要破壞形式為鼓脹破壞。在相同密實(shí)條件下,纖維土的力學(xué)性能隨纖維摻量和長度的增加而增大。

（2)纖維對砂土內(nèi)摩擦角的影響不大,但是能夠明顯提高砂土的黏聚力,與纖維長度呈線性關(guān)系、與纖維摻量存在非線性關(guān)系。

（3)在試驗(yàn)基礎(chǔ)上,通過1stOpt進(jìn)行多因素回歸分析,得到黏聚力與纖維長度和摻量的擬合公式,并通過與實(shí)測值比較,認(rèn)為其能夠滿足工程需要。

由試驗(yàn)分析結(jié)果可以看出,將聚丙烯纖維摻入砂土中可以顯著改善土體的強(qiáng)度和塑性。纖維土作為路基填料在理論上可以提高其抗變形能力,但是對其實(shí)際抗變形能力和施工工藝還需要進(jìn)一步研究。

［1］ 李宏波,底國民,賈 彪.纖維水泥粉砂土受力性能試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑,2010,（11):60-63.

［2］ 柴壽喜,石 茜.加筋長度和加筋率下的稻草加筋土強(qiáng)度特征［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012, 13（6):646-650.

［3］ 王德銀,唐朝生,李 建,等.纖維加筋非飽和黏性土的剪切強(qiáng)度特性［J］.巖土工程學(xué)報(bào),2013,35（10): 1933-1940.

［4］ 沈圓順,劉玖壯,郭麗麗.纖維土作為路用材料的試驗(yàn)研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào),2010,13（4):545-549.

［5］ 韓 曉,張孟喜,李嘉洋等.高強(qiáng)土工格室加筋砂土地基模型試驗(yàn)研究［J］.長江科學(xué)院院報(bào),2014,31（3): 27-31.

［6］ 宋金巖,孫 紅,葛修潤,等.玻璃纖維加筋土強(qiáng)度特征試驗(yàn)研究［J］.中外公路,2012,32（10):261-264.

（編輯:趙衛(wèi)兵)

Mechanical Properties of Polypropylene Fibre-reinforced Soil

SUN Shu1, YUAN Xue-feng1,LI Fu-lin2,WANG Yue-hua1
（1.School of Civil Engineering, Taizhou Polytechnic College, Taizhou 225300, China；2.School of Mechanics＆Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221006, China)

Abstract:In order to solve the problem of excessive deformation of sandy soil at road foundation caused by mining and automobile with heavy duty, we study the strength and deformation resistance of sandy soil under four different fiber lengths and blending amounts through triaxial compression test.Results show that the stress-strain relation of fiber-reinforced soil is approximately a hyperbolic function, in which the main failure form is swollen failure. With the increase of blending proportion and length of fibre, the mechanical properties of fibre-reinforced soil strengthen, but the angle of internal friction is barely affected. Finally, a fitting formula of cohesion vs. fiber length and mixing amount is obtained by multivariate regression analysis based on the 1stOpt experiment and the results meet the requirement of actual projects by comparison with measured data.

Key words:fiber-reinforced soil；sandy soil of subgrade；deformation properties；triaxial compression test；cohesion

作者簡介：孫 舒（1983-),男,江蘇連云港人,講師,碩士,主要研究方向?yàn)榻ㄖ鼗录夹g(shù)應(yīng)用,（電話)13961042107（電子信箱)116258624@ qq.com。

基金項(xiàng)目：2013年國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51308533)；2015年泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)基金項(xiàng)目（TZYK153)

收稿日期：2014-09-29;修回日期：2015-02-11

doi:10.11988/ ckyyb.20140843

中圖分類號：TU441

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)02-0071-03