陳 樂 ，劉志彬 ，周書中

（1. 東南大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京 210096；2. 東南大學(xué) 江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室，江蘇 南京 210096）

1 引 言

纖維加筋土是將連續(xù)的纖維絲或者一定長度的短纖維采用機械、氣壓或水壓等方式隨機摻入到土中形成的一種人工復(fù)合土體材料[1]，由于纖維的摻入，使加筋土體形成三維結(jié)構(gòu)，可使纖維與土顆粒有效接觸，破裂面上纖維可發(fā)揮其抗拉能力，阻止破裂面發(fā)展，提高了土體的抗剪強度，其抗沖刷性能也會得到加強。法國建筑師Henri Vidal在20世紀60年代成功地設(shè)計出第一個加筋構(gòu)筑物，我國70年代末和80年代初引進加筋土技術(shù)，如今這種技術(shù)已得到巨大的發(fā)展，被廣泛地運用到路基、擋墻、抗震、邊坡等領(lǐng)域[2]。近些年來，國內(nèi)外學(xué)者也先后圍繞纖維加筋土的工程性質(zhì)開展了一系列試驗和理論研究。唐朝生等[3]開展龜裂試驗發(fā)現(xiàn)，在土體中加入適量聚丙烯纖維能夠改變黏性土干縮裂縫的發(fā)展規(guī)律，降低土體裂隙率，提高土體結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性和防滲性能。Gumuser等[4]以不同含量的聚丙烯纖維摻入粉煤灰，試驗發(fā)現(xiàn)其“橋梁”作用能抑制土體的張拉裂縫和變形，并增加土體的承載力和韌性。Miller等[5]通過試驗得出，當纖維摻量介于0.4%～0.5%時，能減少約50%裂隙；當纖維摻量達到0.8%時，最多能減少約90%的裂隙。Harianto等[6]開展干燥試驗得出纖維的拉筋作用可以降低壓實試樣的體積收縮應(yīng)變和表面裂隙數(shù)量，其中纖維摻量為 0.2%時較無纖維土表面裂隙密度因子從2.75%降到了 0.2%。Manbeian[7]、Mohamed[8]、A等[9]以植物纖維為加筋材料，通過直剪試驗發(fā)現(xiàn)土體的抗剪強度明顯加強，且有一個最佳摻量。Muntohar等[10]開展了一系列不固結(jié)不排水三軸試驗和耐久性試驗發(fā)現(xiàn)，纖維能提高土的抗壓、抗拉和抗剪性能，從而進一步增強土體的穩(wěn)定性和耐久性，最佳纖維摻量為 0.4%～0.8%。吳景海等[11]進行直剪試驗和拉拔試驗，確定了各種國產(chǎn)土工合成材料與填料的界面作用特性。姚代祿等[12]進行剪切試驗及現(xiàn)場加筋拉拔試驗，分析得到土與加筋之間的剪切性質(zhì)可用摩爾-庫侖強度包線表示。Mirzababaei等[13]以廢棄地毯為加筋材料，通過試驗發(fā)現(xiàn)其能有效提高土體的無側(cè)限抗壓強度，并同時增加土體的韌性，在纖維摻量為5%時效果最明顯。Akbulut等[14]由無側(cè)限抗壓強度結(jié)果得到，當使用橡膠纖維時，最佳摻量在2%，最佳纖維長度為10 mm；當使用聚丙烯纖維時，最佳摻量在0.2%，最佳纖維長度為15 mm。

目前國內(nèi)外有關(guān)纖維加筋的研究主要是針對砂土、水泥、水泥土等，關(guān)于純素土的研究相對較少，現(xiàn)有研究工作主要側(cè)重于纖維加筋土的抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、脹縮干裂性能等，關(guān)于其固結(jié)滲透、壓縮特性等研究較少。實際上，作為防滲墊層材料，纖維加筋黏土在較大的工程荷載作用下必然產(chǎn)生一定的壓縮變形，將影響到上部排水導(dǎo)氣等系統(tǒng)的安全性，且墊層自身的防滲隔污性能也會隨之改變?；诖?，本文以聚丙烯纖維為加筋材料，對纖維加筋高嶺土開展了一系列一維固結(jié)壓縮試驗，旨在探討纖維摻量和纖維長度2個設(shè)計參數(shù)對纖維加筋土固結(jié)系數(shù)、壓縮模量以及壓縮指數(shù)的影響。

2 試驗材料

本次試驗所用黏土為徐州夾河高嶺土礦生產(chǎn)的商業(yè)高嶺土，基本物理參數(shù)見表 1，測試方法參照《土工試驗方法標準》[15]。根據(jù)《土的工程分類標準》[16]，由于ωL<50且IP>0.73(ωL-20)，確定該高嶺土屬低液限黏土(CL)。試驗中采用的纖維材料直徑為0.048 mm的聚丙烯纖維絲，物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 高嶺土的物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of Kaolin

表2 聚丙烯纖維的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physico-mechanical parameters of polypropylene fiber

3 試驗設(shè)備與方法

本次試驗所用固結(jié)儀為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的WG型單杠桿固結(jié)儀。試驗參照《土工試驗方法標準》[15]，采用壓樣法制樣，控制土樣干密度為 1.5 g/cm3，含水率為17.4%，樣品直徑為61.8 mm，高20 mm。制樣時，先將干土與纖維充分攪拌，遇到纖維結(jié)團時手工將其撕開。然后將土與水拌和，確保纖維在土樣中均勻分散，控制含水率 17.4%，在塑料袋內(nèi)密封養(yǎng)護24 h。最后在環(huán)刀內(nèi)壓實成干密度為1.5 g/cm3的土樣。

試驗設(shè)計分為 2組：一組控制纖維的長度一定，改變土樣中纖維摻量，另一組控制纖維的摻量一定，改變土樣中纖維的長度。第一組試樣控制纖維長度為8 mm和10 mm兩種情況，摻量分別為0、0.1、0.15、0.2、0.3%。第二組試樣控制摻量0.3%，長度分別為 8、10、12、14 mm。固結(jié)試驗前，首先采用抽氣飽和法對試樣進行預(yù)飽和，再在固結(jié)儀上進行一維固結(jié)試驗。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 纖維摻量對加筋黏土固結(jié)壓縮特性影響

圖1為8 mm和10 mm兩種長度纖維的加筋高嶺土固結(jié)系數(shù)與纖維摻量間關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當纖維長度一定時，纖維加筋高嶺土的固結(jié)系數(shù)在各相同荷載級別下一般隨纖維摻量的增加表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。在各級荷載下，當纖維摻量為0.2%的時候，纖維加筋土的固結(jié)系數(shù)達到峰值，因此，纖維摻量在0.2%時纖維加筋土的固結(jié)速率最快。換言之，纖維摻量在 0%～0.2%之間時，纖維摻量的增大不僅有利于提高其抗剪強度和抗干裂性能，也會加速其排水固結(jié)；當摻量高于 0.2%后，固結(jié)系數(shù)會隨摻量的增大而降低。從圖1還可以看出，纖維長度為8 mm時，固結(jié)系數(shù)測試結(jié)果規(guī)律性相對較差，可能是由于相對較短的纖維在土樣中不易達到良好的拌和均勻性所致。相比之下，纖維長度為10 mm時，測試結(jié)果穩(wěn)定性明顯較好。此外，固結(jié)壓力高于400 kPa后，加筋土的固結(jié)系數(shù)受纖維摻量影響相對較弱，即在較高荷載下?lián)搅孔兓瘜咏钔恋墓探Y(jié)系數(shù)影響程度有限。

圖1 加筋高嶺土在不同纖維摻量時的固結(jié)系數(shù)Fig.1 Coefficients of consolidation of fiber-reinforced Kaolin with different fiber contents

圖2為8 mm和10 mm兩種長度纖維的加筋高嶺土壓縮模量與纖維摻量間關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當纖維長度一定時，纖維加筋高嶺土的壓縮模量在相同荷載下一般隨纖維摻量的增加表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。在各級荷載下，摻量為0.10%～0.15%的時候，纖維加筋土的壓縮模量達到峰值。當豎向壓力較大時（＞400 kPa），這一規(guī)律尤其明顯，即當纖維摻量為0.10%～0.15%的時候，相同壓力下纖維加筋土的壓縮性最小。從圖中還可以看出，當豎向壓力較小時（≤400 kPa），纖維長度對加筋高嶺土壓縮模量影響不明顯。另一方面，圖中還顯出高壓下的壓實作用對于纖維加筋高嶺土的壓縮模量提高有著重要作用，如0.2%摻量條件下纖維加筋高嶺土在400 kPa下的壓縮模量不足7.5 MPa，而在800 kPa時則增大至25 MPa左右。為保證現(xiàn)場條件下纖維加筋黏土的低壓縮性，應(yīng)當確保加筋土達到足夠高的壓實度標準。

圖2 加筋高嶺土在不同纖維摻量時的壓縮模量Fig.2 Compression moduli of the fiber-reinforced kaolin with different fiber contents

圖3為8 mm和10 mm兩種長度纖維的加筋高嶺土的壓縮指數(shù)隨纖維摻量變化曲線。從圖中可以看出，當控制纖維長度一定的時，各級荷載下纖維加筋高嶺土的壓縮指數(shù)在0.18～0.26之間變化；隨著纖維摻量的增加，壓縮指數(shù)也相應(yīng)增大。但在纖維摻量為 0.15%～0.20%時有一谷值；纖維長度為8 mm的加筋土的壓縮指數(shù)較10 mm情況下更高。

圖3 加筋高嶺土在不同纖維摻量時壓縮指數(shù)Fig.3 Compression index of fiber-reinforced kaolin with different fiber contents

4.2 纖維長度對加筋黏土固結(jié)壓縮特性影響

根據(jù)已有文獻中常用的纖維摻量，該組試驗中纖維加筋高嶺土的纖維摻量選擇0.3%，選取的長度為8、10、12、14 mm。圖4為0.3%纖維摻量的加筋高嶺土固結(jié)系數(shù)與纖維長度間關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當纖維摻量一定時，纖維加筋高嶺土的固結(jié)系數(shù)在相同荷載級別下隨纖維長度的增加表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢。在各級荷載下，當纖維長度為10 mm時，纖維加筋土的固結(jié)系數(shù)達到一個極小值，即纖維長度為10 mm時纖維加筋土的固結(jié)速率較慢，表明工程中同一摻量條件下，纖維較長和較短時纖維加筋高嶺土的固結(jié)速率均比較快，但在某一中間長度時纖維加筋土的固結(jié)性能最差。

圖4 加筋高嶺土在不同纖維長度時固結(jié)系數(shù)Fig.4 Coefficients of consolidation of fiber-reinforced Kaolin with different fiber lengths

圖5為0.3%纖維摻量的加筋高嶺土壓縮模量與纖維長度間關(guān)系。從圖中可以看出，由于孔隙比減小，土樣變得越來越密實，加筋土的壓縮模量隨荷載的增加而變大。荷載水平較低時（<400 kPa），纖維長度對纖維加筋黏性土的壓縮模量影響不明顯；當荷載水平較高時(≥400 kPa)，隨著纖維長度增大加筋高嶺土的壓縮模量呈降低的趨勢。

圖5 加筋高嶺土在不同纖維長度下的壓縮模量Fig.5 Compression moduli of fiber-reinforced Kaolin with different fiber lengths

圖6為加筋高嶺土在不同纖維長度時壓縮指數(shù)。由圖中可以看出，總體上纖維加筋高嶺土的壓縮指數(shù)隨纖維長度的增大呈增大的趨勢，在纖維長度為10 mm的時候其壓縮指數(shù)為一谷值；加筋土的壓縮指數(shù)數(shù)值在0.203～0.233之間。

圖6 加筋高嶺土在不同纖維長度時壓縮指數(shù)Fig.6 Compression index of consolidation of fiberreinforced Kaolin with different fiber lengths

5 結(jié) 論

（1）控制土體干密度和纖維長度一定時，隨著纖維摻量的增加，加筋高嶺土的固結(jié)系數(shù)、壓縮模量均呈先增大后減小的規(guī)律。摻量為0.2%的時，固結(jié)系數(shù)達到峰值；摻量為 0.10～0.15%左右時，壓縮模量達到峰值；固結(jié)壓力超過400 kPa后，摻量變化對加筋土的固結(jié)系數(shù)影響不明顯，但此時荷載水平的提高對加筋土的壓縮模量提高顯著。此外，隨纖維摻量的增加，壓縮指數(shù)總體呈增大趨勢，但在纖維摻量為0.15～0.20%時有一谷值。

（2）當控制土體干密度和纖維摻量一定時，纖維加筋高嶺土的固結(jié)系數(shù)隨纖維長度的增加先減小后增大，當纖維長度 10 mm時固結(jié)系數(shù)達到最小值；固結(jié)壓力較小時（＜400 kPa），纖維長度對加筋土的壓縮模量影響不明顯，但當壓力較高時（≥400 kPa），隨纖維長度的增大加筋土的壓縮模量呈減小趨勢；纖維加筋高嶺土的壓縮指數(shù)隨纖維長度的增大總體表現(xiàn)為增大的趨勢；在纖維長度為10 mm的時候其壓縮指數(shù)為一谷值。

[1]包承綱, 丁金華. 纖維加筋土的研究和工程運用[J]. 土工基礎(chǔ), 2012, 26(1): 80－83.BAO Cheng-gang, Ding Jin-hua. Researches and applications of fiber reinforced soils[J]. Soil Engineering and Foundation, 2012, 26(1): 80－83.

[2]HEJAZI S M, SHEIKHZADEH M, ABTAHI S M, et al.Shear modeling of fiber reinforced soil composite on the base of fiber pull-out test[J]. Fibers and Polymers, 2013,14(2): 277－284.

[3]唐朝生, 施斌, 劉春, 等. 影響?zhàn)ば酝帘砻娓煽s裂縫結(jié)構(gòu)形態(tài)的因素及定量分析[J]. 水利學(xué)報, 2007, 38(10):1186－1193.TANG Chao-sheng, SHI Bin, LIU Chun, et al. Factors affecting the surface cracking in clay due to drying shrinkage[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2007,38(10): 1186－1193.

[4]GUMUSER C, SENOI A. Effect of fly ash and different lengths of polypropylene fibers content on the soft soils[J].International Journal of Civil Engineering, 2014,12(2B): 167－178.

[5]MILLER C J, RIFAI S. Fiber reinforcement for waste containment soil liners[J]. Journal of Environmental Engineering, ASCE, 2004, 130(8): 891－895.

[6]HARIANTO T, HAYASHI S, DU Y J, SUETSUGU D.Effects of fiber additives on the desiccation crack behavior of the compacted Akaboku soil as a material for landfill cover barrier[J]. Water, Air, and Soil Pollution,2008, 194(1－4): 141－149.

[7]MANBEIAN T. The influence of soil moisture suction,cyclic wetting and drying, and plant roots on shear strength of cohesive soil[D]. Berkeley: University of California, 1973.

[8]MOHAMED A E M K. Improvement of swelling clay properties using hay fibers[J]. Construction and Building Materials, 2013, 38: 242－247.

[9]AL A A, AZZAM R, SPAGNOLI G, SCHRAER J.Strength of soil reinforced with fiber materials(papyrus)[J]. Soil Mechanics and Foundation Engineering, 2012, 48(6): 241－247.

[10]MUNTOHAR A S, WIDIANTI A, HARTONO E, et al.Engineering properties of silty soil stabilized with lime and rice husk ash and reinforced with waste plastic fiber[J]. Journal of Materials in Civil Engineering,2013, 25(9): 1260－1270.

[11]吳景海, 陳環(huán), 王玲娟, 等. 土工合成材料與土界面作用特性的研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2001, 23(1): 89－93.WU Jing-hai, CHEN Huan, WANG Ling-juan, et al.Study on soil interaction characteristics of geosynthetics[J].Chinese Journal Geotechnical Engineering, 2001,23(1): 89－93.

[12]姚代祿, 張光羽. 加筋土擋墻中加筋與土之間的摩擦性質(zhì)初探[J]. 巖土工程學(xué)報, 1989, 11(1): 49－54.YAO Dai-lu, ZHANG Guang-yu. Study on fraction character between soil and reinforcement in reinforced earth retaining wall[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1989, 11(1): 49－54.

[13]MIRZABABAEI M, MIRAFTAB M, MOHAMED M,et al. Unconfined compression strength of reinforced clays with carpet waste fibers[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2013, 139(3): 483－493.

[14]AKBULUT S, ARASAN S, KALKAN E. Modification of clay soils using scrap tire rubber and synthetic fibers[J].Applied Clay Science, 2007, 38(1-2): 23－32.

[15]南京水利科學(xué)研究院. GB/T 50123－1999 土工試驗方法標準[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1999.

[16]南京水利科學(xué)研究院. GB/T 50145－2007 土的工程分類標準[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2008.