广州大学 广东广州 510006
摘要：采用加利福尼亚实验室承载比(CBR)试验研究了随机分布离散纤维覆盖软粘土加固砂芯的荷载-渗透行为。研究了纤维配筋量对纤维增强砂-软粘土体系承载力、刚度和延性的影响。试验结果表明，在填砂中加入纤维包裹体后，活塞的峰值载荷明显增加。纤维含量越高，加固效果越好。纤维增强对荷载-渗透曲线的初始刚度影响不大。随着纤维配筋量的增加，活塞载荷最大的穿透值趋于增大。此外，试验结果表明，增加纤维配筋量可以增加纤维增强砂-软粘土体系的脆性，从而使峰值后强度损失增大。
关键词：软土；纤维；承载力
1简介
通过在土体中加入连续的钢筋包裹体(如片材、带材或钢筋)，以一定的方式(如在土体中加入连续的钢筋包裹体)可以得到加固土。系统地加固土壤)或将离散纤维随机地与土壤填料混合(即，随机加筋土)。用天然纤维材料加固土壤的概念起源于古代，采用连续聚合细丝，而不是以专有名称“Texsol”与沙土随机混合的离散短纤维，是早期在挡土墙和护坡方面确立的一种方法(Leflaive, 1985)。然而，近年来随机分布的纤维增强土在许多岩土工程应用中受到越来越多的关注。与系统加固土相比，随机分布的纤维加固土具有一定的优越性。随机分布纤维增强土的制备模拟了外加剂对土壤的稳定作用。分散的纤维被简单地加入并与土壤混合，就像水泥、石灰或其他添加剂一样。随机分布的纤维提供了各向同性的强度，限制了与取向强化平行发展的潜在薄弱面。与系统加筋土不同，文献中关于随机分布的纤维加筋土的报道有限。然而，在过去的几十年里，越来越多的研究人员对这一课题进行了实验和数值研究。这些研究表明，随机分布的纤维增强土的应力-应变-强度特性也与纤维含量、纵横比、纤维表面摩擦以及土壤和纤维指数和强度特性有关。本研究的主要目的是确定纤维配筋量对软粘土地基纤维配筋填土承载力、刚度和延性的影响。在室内进行了一系列不同配筋率的加利福尼亚承重比(CBR)试验。
2实验研究
对覆盖在软粘土上的未加固和随机分布的纤维加固砂样进行了一系列实验室CBR试验。试验是在未浸泡状态下的改良的模具中进行的。模具为刚性金属圆柱，内径152mm，高178mm。载荷被仔细地记录为渗透到总渗透30mm以下的函数，以观察破坏后的行为。试验中，填土材料采用干净、烘干、均匀的石英河砂，路基材料采用高塑性无机粘土。为了制备模型软粘土路基，将烘干的粘土粉与所需的水分充分混合。经过多次试验发现，43%的成型含水率有利于条件粘土粉的混合和置换。含水的沙子在干的一面是最适宜的，被放置在两层顶部的模具。用聚丙烯纤维作为砂体中的增强夹杂物。加入的纤维完全手工混合，以达到相当均匀的混合。一旦纤维混合到沙子中，纤维就会出现分离或漂浮的趋势。要使纤维得到合理的均匀分布，需要十分小心。随着配筋量的增加，纤维掺入砂土的难度增加。然而，纤维-砂混合物在评价加固内容时表现出可接受的均匀性。第二组CBR试验是在相同的土壤和荷载条件下，对覆盖在软粘土上的土工格栅加筋砂试件进行的。将界面处除隔板外的第二张土工布片置于填砂体的不同埋深处作为补强。值得注意的是，CBR测试设备作为测试平台的选择给实验研究带来了一些固有的问题，CBR测试装置体积小，限制了纤维夹杂物的数量。
3结果与讨论
在填砂过程中，随机分布的纤维增强材料使活塞的峰值载荷显著增加。也可以看出，初始刚度(即，荷载-渗透曲线的初始斜率)未因加入纤维筋而发生显著变化。峰值荷载作用下的渗透值随配筋量的增加而增大。此外，试验结果表明，增加纤维配筋量可以提高体系的脆性，使峰后强度损失增大。可以看出，随着纤维含量的增加，配筋系统的峰值活塞荷载增大。
值得注意的是，加强型系统的活塞峰值负荷大约是未加强型系统的5倍。结果与第二组CBR试验结果进行比较。可以看出，随机加少量纤维包裹体的砂体的荷载-渗透行为与土工布系统加筋的砂体具有一定的规律。Consoli等人(1998)进行了三轴压缩试验，结果表明纤维加固增加了峰值和残余强度，但降低了刚度。结果还表明，纤维包裹体对粘聚截距的影响较小。Gray和Ohashi(1983)根据直剪试验结果表明，纤维配筋提高了峰值抗剪强度，限制了峰值后抗剪强度的降低。在他们的研究中，没有观察到纤维-砂复合材料刚度的增加。Yetimoglu和Salbas(2003)对砂土进行了直接剪切试验，结果表明，砂土的峰值抗剪强度和初始刚度不受随机分布的离散纤维的显著影响。他们还报道加筋后，砂土的残余抗剪强度角有增大的趋势。Ranjan et al.(1996)在三轴试验和统计分析的基础上，认为纤维的加入导致峰值抗剪强度的增加和峰值后应力损失的减少。Gray和Al-Refeai(1986)对砂土进行了三轴压缩试验，结果表明，随机分布的离散纤维提高了极限强度，但在低应变(小于1%)下导致抗压刚度损失。他们还表明，纤维增强在破坏时增加了轴向应变，并在大多数情况下减少了峰后强度损失。Michalowski和Zhao(1996)基于三轴试验结果指出，钢纤维导致剪切应力峰值增加，并在达到破坏前增加刚度。他们还报道了聚酰胺纤维在大围压下产生的剪切应力峰值增加，但这种影响与破坏前刚度的大量损失和破坏应变的大量增加有关。Kumaretal.(1999)对随机分布的聚酯纤维增强的粉砂和粉煤灰试件进行了实验室研究，发现纤维增强后试件的峰值抗压强度、CBR值、峰值摩擦角和延性均有所提高。他们还报道了粉砂和池灰的最佳纤维含量约为干容重的0.3-0.4%。Kaniraj和Havanagi(2001),进行无侧限抗压强度测试纤维增强飞灰土混合物,得出的结论是,面向随机的聚酯纤维夹杂物生飞灰土的强度增加标本作的标本和韧性行为改变了他们脆弱的行为。Santonietal(2001)在实验室对随机定向离散纤维加固的砂土试样进行无侧限压缩试验的基础上，得出纤维包裹体显著提高砂土试样的无侧限压缩强度的结论。他们还报告说，在纤维含量为0.6%至1.0%干重的情况下，可以获得最大的性能，报告结果的不一致是由于材料性能和测试条件的不同造成的。
4结论
通过室内CBR试验，研究了随机分布的纤维增强砂体在软粘土路基上的荷载-渗透行为。研究了纤维配筋量对纤维增强砂-软粘土体系承载力、刚度和延性的影响。本研究得出以下结论。填充体中随机分布的纤维夹杂物使活塞峰值载荷显著增加。纤维包裹体对初始刚度的影响不显著。随着配筋量的增加，活塞载荷最大的贯入值趋于增大。增加纤维配筋量可以增加体系的脆性，使峰后强度损失增大。此外，还发现纤维增强对系统荷载-渗透行为的影响与土工织物增强相似。应当指出,由于土壤的工程性质的影响和强化的规模对承载力的影响纤维增强，粘土体系尚未充分研究,随机分布的实际行为纤维增强对软粘土砂填充还不是众所周知的。
参考文献
[1] Bauer, G.E., Oancea, A., 1996. Triaxial testing of granular soils reinforced with discrete polypropylene fibers. Proceedings of the First European Geosynthetic Conference, Maastricht, Netherlands. In: De Groot, M.B., Den Hoedt, G., Termaat, R.J. (Eds.), Geosynthetics: Applications, Design and Construction. A.A. Balkema, Rotterdam, pp. 407–410.
作者简介
李晨(1997-)，女，汉族，江西鹰潭人，广州大学硕士研究生，研究方向：岩土工程。