摘 要：为改善黏土遇水变形、失水收缩干裂和强度等不良特性，以满足目前的工程需要。以不同长度，不同掺量的苎麻纤维作为加筋材料加入到生土中，通过无侧限抗压和抗剪试验，研究分析加筋材料的长度和加筋率对苎麻纤维加筋土强度特性的影响。当纤维加筋率0．5%，纤维长度15mm时，苎麻纤维对土样的加筋效果最为显著。与素土相比，苎麻纤维加筋土的应力位移曲线一直持续增长，表现为明显的应变硬化特征；黏聚力值随着纤维掺量的增加而增加，这是因为苎麻纤维在土壤中相互交织、相互连接，形成一个三维空间网络结构，但过长的纤维会使有效纤维长度下降，弱化了加筋效果，苎麻纤维的加筋对土样内摩擦角的影响较小，可以忽略不计。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，为苎麻纤维加筋土的理论研究提供参考。
关键词：苎麻纤维；无侧限抗压试验；直剪试验；黏聚力
纤维加筋土技术就是将有高抗拉强度性质的材料按照一定的比例分散在土体中，组成一种新的复合材料，这种材料能显著提高土体的整体强度和稳定性，进而达到优化土体工程性能的作用。因而，纤维加筋土在我国有着很大的应用前景。李广信［1］等人研究纤维加筋黏土，结果表明纤维加固显著提高了纤维土的剪切强度、刚度和整体拉伸强度。刘军等［2］通过试验发现添加了谷莠子的生土土样的强度明显增加。阮波等［3］研究发现红土抗压强度的提升与玻璃纤维的混入有关，且纤维长度越长，抗压强度越大，纤维含量增加，抗压强度先变大后变小。M．Acheza等［4］将番茄和甜菜的茎部和根部现成的天然高分子复合材料结合起来，并通过相对强度测试证明，混合这些纤维可以提高抗压强度。还有王德银［5］、璩继立［6］、魏丽［7］等人都对植物纤维加筋土的强度特性进行了研究。
本文以苎麻纤维作为加筋材料对黏性生土进行改良，通过无侧限抗压强度试验和直接剪切试验得到相关数据，研究分析苎麻纤维掺量和纤维长度2个变量对纤维加筋土力学强度特性的影响，并分析其加筋机理，为今后苎麻纤维加筋土研究和工程实践提供参考。
1试验方案
1.1试验材料制备
（1）黏土：实验土样来自合肥蜀山区新西站站房工程项目基坑处，将现场取回的土样烘干碾碎至5mm过筛备用，过筛后土样如图1所示，其物理性质如表1所示。
图1 生土过筛
表1 试验用土样基本物理性质指标
（2）苎麻纤维：苎麻纤维来自安徽省六安市，将一定量的苎麻纤维剪成5、10、15、20mm4种不同长度备用，苎麻纤维如图2所示，其物理力学参数如表2所示。
图2 苎麻纤维
表2 苎麻纤维物理力学参数
1.2试样制备与试验方法
无侧限抗压强度试验土样的尺寸均为：70．7×70．7×70．7mm。苎麻纤维加筋率(苎麻纤维与试验风干土样质量百分比)分别为：0．1%、0．2%、0．3%、0．5%、0．7%、0．9%；苎麻纤维长度分别为：10、15、20mm。加筋土试件制作和养护过程与素土试块相同。每组试件做3个，一共做18组。试验采用分层击实法，为了保证纤维在土体内分布均匀，在加入土体前将交织在一起的撕成丝状，混合时充分搅拌。按照不同工况称取苎麻纤维和土样，按最佳含水率15．1%称取蒸馏水，边喷洒边搅拌以便均匀混合，调配好的土样密封静置24h，静置24h后取出土样分层倒入模具，击实到规定尺寸后静置一段时间用脱模机脱模，在室内湿度为30%～40%，温度为25℃～30℃的养护室养护24h。
直剪试验采用的是ZJ-1B型应变控制式直剪仪，选取长度为10mm的纤维，加筋率分别为0．1%、0．3%、0．5%的苎麻纤维丝在不同的垂直压力(50、100、200、400kPa)下掺入到素土中，进行直剪试验。环刀试样直径为61．8mm、高度为20mm，剪切速率为0．8mm/min。养护时间、养护条件与无侧限制抗压强度试验相同。
2无侧限抗压强度试验结果分析
为了研究苎麻纤维加固对黏土强度的影响，通过进行素土加筋土无侧限抗压试验，研究分析苎麻纤维长度和纤维掺量对纤维加筋土强度的影响，并确定了苎麻纤维加筋土的最佳纤维长度和纤维掺量，同时分析了加筋土的变形特性和影响加筋土强度的因素。
2．1抗压强度值
无侧限抗压强度试验是一种压缩试验，试样在零周围压力下承受轴向压力。本试验采用多功能路面材料强度试验仪施加竖向荷载，表3为不同纤维长度和纤维掺量下试样的无侧限抗压强度值。
表3 苎麻纤维加筋土的无侧限抗压强度峰值
从表3可以看出，当纤维加筋率不变时，纤维长度从0mm增加到15mm，加筋土的无侧限抗压强度呈现增长趋势，当纤维长度超过15mm时，抗压强度开始下降；当纤维长度保持不变时，纤维加筋率从0．1%增加到0．5%，加筋土的无侧限抗压强度呈现增长趋势；当纤维加筋率超过0．5%时，抗压强度开始下降。在不同的配比条件下，加筋土样的抗压强度均大于素土土样的抗压强度，说明掺入苎麻纤维对生土有着积极的改良作用。
2．2抗压强度影响因素分析
纤维加筋土的抗压强度随着纤维加筋率的增大先增大后减小，在纤维含量为0．5%时达到最大值，即193．7kPa；当纤维加筋率小于0．5%时，苎麻纤维加筋土的无侧限抗压强度随着纤维加筋率的增大而增大。这是因为当纤维长度一定时，随着纤维在土体中数量变多，纤维与土体相互接触的面积增大，从而让苎麻纤维与土颗粒之间的结合力变强，充分利用纤维自身的抗拉性抵抗土体的横向变形；其次，苎麻纤维在土体内随机分布，纤维加筋率的增大使得土体单位体积内苎麻纤维数量增加，这些纤维相互连接，在土体中形成一个类似网络的结构，进一步限制了土体在各个方向的变形，当纤维加筋率较小时，纤维在土体内部处于分散状态，无法形成完整的网状结构，也就对土体的变形很难起到较强的限制作用。当纤维加筋率大于0．5%时，抗压强度纤维加筋土强度开始逐渐下降，因为当土体内纤维含量过大时，在土体内部纤维与纤维之间会重叠堆积，而纤维本身是没有黏结性的，导致纤维聚集处形成软弱面，受到荷载时会很容易造成土体破坏，产生缝隙，降低了土体整体的抗压强度，限制了苎麻纤维对加筋土的改良效果。
图3 抗压强度随纤维加筋率变化规律
图4 抗压强度随纤维长度的变化规律
纤维加筋率一定时，纤维长度在10～20mm范围内苎麻纤维加筋土的抗压强度随着纤维长度的增加先增加后减少，加筋土的抗压强度在15mm纤维长度时达到最大值。纤维长度小于15mm时，纤维加筋土的抗压强度随着纤维长度的增大而增大。因为增加苎麻纤维长度可以增加纤维锚固的长度，所以苎麻纤维的抗拉强度得到很好的发挥，更有效的限制土体开裂和变形。纤维长度的增长也有利于分担土体受到的拉应力，提高了土样的抗压强度。纤维长度大于15mm时，纤维加筋土的抗压强度开始显著下降，这是由于在纤维加筋率不变的情况下，苎麻纤维长度增加的同时苎麻纤维数量也在减少，导致土体内单位体积的纤维数量减少，降低了苎麻纤维与土体的黏结能力。同时在试样内部过长的纤维更容易让纤维重叠和堆积在一起，使得土颗粒与苎麻纤维接触不充分，“有效纤维”数量下降，导致整体抗压强度下降，但仍然比素土试样有着更大的抗压强度。
图5 纤维长度15mm、加筋率0.5%素土土样破坏情况
在加载的初始阶段，试样的侧面没有出现裂纹；在接近弹性阶段，当载荷增加到最大载荷的50%左右时，试样的中间和底部出现小裂纹；随着荷载进一步增加，试样中间和底部的裂纹开始增加，试样的4个角出现裂纹，并且沿着受力方向发展为较为明显的竖向裂缝，由于试件没有满载，试件没有完全破坏；当荷载增加到最大时，试件中开始出现大量的垂直裂缝，试件在中部发生胀裂，试样4个角的土出现脱落；随着荷载的不断增加，裂缝不断出现并扩大；在初始加载阶段加筋土试件的表现和素土试件的表现相似，没有裂缝产生。在进行连续加载后，苎麻纤维加筋土试件试样中部出现了几条短的裂缝，裂缝方向主要沿着竖向荷载方向，在最大荷载时，裂缝继续扩大，延伸到现有的裂缝之外，并在其周围形成浅层裂缝，在中部发生轻微的鼓胀，荷载继续增加，直到试件被损坏。裂缝继续扩大，但没有形成贯穿土样的断裂。从素土试样和苎麻纤维加筋土试样的破坏过程可以看出，苎麻纤维的掺入较明显的限制了土的变形，对生土起到了很好的加固作用。
3直接剪切试验结果分析
3．1纤维对抗剪强度的影响
若剪切时没有出现峰值强度，则选取剪切位移为400mm时的抗剪强度为峰值强度。将竖向压力和抗剪强度进行线性拟合，得到粘聚力和内摩擦角，如图6所示。
图6 10mm长度不同纤维加筋率的应力位移曲线
从图6中可以看出，素土试样在较低的垂直荷载(50、100kPa)作用下，应力位移图显示一个强度峰值，剪切位移继续增大，曲线则开始变平缓。直剪试验过程中试件达到峰值强度的情况通常出现在2～3cm之间。当垂直荷载继续增大达到300、400kPa时，剪切应力与剪切位移的曲线没有出现一个最大强度，而是持续增长，表现出明显的加工硬化特征。产生这种现象的原因是随着苎麻纤维含量的增加，苎麻纤维与土颗粒的接触面积变大，更多的纤维与土颗粒之间相互接触、相互摩擦，摩阻力增大，横向约束力也就变大，其抗剪强度得到了提高。
纤维对土的加固作用不仅是由于纤维与土颗粒之间的摩擦，还跟其形成的均匀、多向、相互交织的纤维网络结构的空间约束作用有关。当试件被切割时，纤维和土壤都会在切割处受到剪切应力，纤维在剪切面的任何方向的变形都会影响相邻的纤维，进而在土体内形成一个三维受力区，三维受力区的形成将使得纤维加筋黏土具有更大的抗剪强度和延展性，并且纤维含量增加时，即剪切断面上的受拉纤维数量增加，加筋土抗剪强度提升会更加明显。综合以上实验结果可知，纤维掺量对加筋土的抗剪强度有显著影响。
3.2纤维对抗剪强度指标的影响
通过对素土和纤维加筋土线性拟合分析得到抗剪强度线性表达式为y=ax+b，a为内摩擦角正切值，b为粘聚力值，如图7所示。
图7 10mm纤维抗剪强度与竖向压力关系
根据表4绘制纤维掺量对粘聚力和内摩擦角的影响关系曲线，如图8～9所示。
表4 抗剪强度与垂直压力的关系
图8 纤维含量对黏聚力的影响
图9 纤维含量对内摩擦角的影响
从图8～9可以看出，土体黏聚力随着纤维含量的增加而增加，素土的黏聚力为12．696kPa，纤维含量从0增加到0．1%、0．3%、0．5%时，黏聚力值分别为18．061、22．304、23．217kPa，分别提高了42．26%、75．68%、82．87%；纤维含量不同，增加的幅度也不同，随着苎麻纤维加筋率的逐渐增大，黏聚力值增加的幅度随着苎麻纤维的增加呈下降的趋势。当纤维含量较低时，纤维间距过大，无法形成有效的纤维网络结构，纤维对改良土的黏聚力的影响主要是由于纤维密度随纤维含量的增加而增加。更多的纤维与土壤接触，开始交织形成一个三维网络，纤维对剪切应力的分担能力变强，此时，纤维对黏聚力的贡献已经不仅仅是一维的拉筋效应，还有了三维的拉筋效应。因此，随着纤维含量的增加，黏聚力有增加的趋势，同时由于纤维的交织和聚集效应，纤维的有效作用会降低，在高纤维含量范围内黏聚力的增加并不明显。苎麻纤维加筋率对土样黏聚力的影响与苎麻纤维加筋率对土样抗剪强度的影响相似。
矿物成分、颗粒形状和分布、黏土的离子型、胶结型以及加载速率和应力状态等是试件内摩擦角的影响因素。而苎麻纤维加筋属于物理作用，苎麻纤维的掺入并不会改变土体本身属性与外部环境作用，不能增加土颗粒间的咬合力，因此苎麻纤维加筋土内摩擦角没有发生明显变化。从图9可以看出，苎麻纤维加筋率对纤维加筋土的内摩擦角的改变很小，并且没有规律，相比素土，角度变化范围大约为3°。但总体而言，纤维加筋土样的内摩擦角要略高于素土，主要原因是苎麻纤维的加入填补了土壤颗粒中的孔隙，增加了它们的紧密性，这也有利于土壤颗粒之间黏聚力的增强，使得内摩擦角变大。
4结论
1）素土试样的破坏形式为贯通试件的剪切破坏、土样胀裂，而加筋土试样则为多条没有贯通试件的小破坏面，表面轻微鼓胀，表明苎麻纤维的掺入能很好地限制土体变形，提高土样抗压强度。
2）纤维加筋率变化范围在0．1%～0．9%时，试样无侧限抗压强度随纤维加筋率先增大后减小；纤维加筋率为0．5%时，试样的抗压强度达到最大值193．7kPa。纤维长度变化范围在10～20mm时，纤维长度增加，纤维加筋土的抗压强度先增大后减小；纤维长度为15mm时，加筋土抗压强度达到最大值。可以发现苎麻纤维加筋土存在最佳配比，其最佳配比为：纤维加筋率0．5%，纤维长度15mm。
3）对比素土，苎麻纤维加筋土的应力位移曲线一直持续增长，表现为明显的应变硬化特征；黏聚力值随着纤维掺量的增加而增加，这是因为苎麻纤维在土壤中相互交织、相互连接，形成一个三维空间网络结构，但过长的纤维会使有效纤维长度下降，弱化了加筋效果。苎麻纤维的加筋对土样内摩擦角的影响较小，可以忽略不计。
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文章摘自：周帅，华建兵.苎麻纤维加筋土的强度特性分析[J].兰州工业学院学报，2023，30(04)：43-48.
