宿州學院2015屆本科生畢業(yè)論文 纖維加筋路基填料的抗剪強度特性試驗探究報告摘要纖維加筋路基填料是指在土體中加入一定量的合成纖維，將其通過物理的方法與土體充分結(jié)合，形成一種土工復合材料，這種土工復合材料的各項指標會得到提高。目前纖維加筋技術(shù)在路基上應(yīng)用較為廣泛，充滿應(yīng)用前景。雖然我們知道加入適量的纖維材料可以提高土的各項指標，但是具體的作用機理尚未可知，本文就是對纖維加筋土的抗剪特性做進一步的探究。本次探究用淤泥質(zhì)黏土加入纖維做路基填土的抗剪方面的特性研究，試驗共分為4組，分別在淤泥質(zhì)土中加入含量為0%、0.1%、0.3%、0.5%的PVA纖維，分別在50kpa、100kpa、150kpa的圍壓下做試驗，發(fā)現(xiàn)纖維量逐漸從0%到0.5%的過程中，其試塊發(fā)生破壞時的偏應(yīng)力隨著纖維量的增長而繼續(xù)增大，其破壞時所發(fā)生的的軸向應(yīng)變也隨著纖維量的逐步增加而增大。隨著土體中的纖維量的增大，試驗所測得的土體黏聚力不斷增大，內(nèi)摩擦角程波浪狀變化，但呈上升趨勢，經(jīng)過分析認為，土體中加入纖維材料，主要提高的是黏聚力，在本次研究纖維從0%、0.1%、0.3%、0.5%的試驗范圍內(nèi)，試件的抗剪強度的增大基本與纖維含量呈現(xiàn)一次線性函數(shù)，主要影響因素是黏聚力的作用。關(guān)鍵詞：纖維加筋土；粘聚力；內(nèi)摩擦角；抗剪強度；目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 11.1纖維加筋技術(shù)的應(yīng)用前景 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3本文的研究內(nèi)容 32纖維加筋路基土的理論 42.1纖維加筋技術(shù)簡介 42.2纖維加筋土的基本原理 43纖維加筋路基填料的試驗研究 63.1試驗材料與設(shè)備 63.2試樣的制備及試驗方案設(shè)計 73.3試驗結(jié)果分析 94結(jié)論 13參考文獻 141緒論1.1纖維加筋技術(shù)的應(yīng)用前景到達21世紀以后科技發(fā)展日益迅速，材料學科的不斷發(fā)展，新型的工程建設(shè)對材料的性能要求也是隨之變高，工程實際遇到的許多問題需要更多新的材料去滿足工程建設(shè)，纖維加筋原理經(jīng)過幾十年的發(fā)展，新型的纖維材料在一定程度上，促進了纖維加筋技術(shù)的進步。在大范圍內(nèi)的的國家都應(yīng)用了該技術(shù)，在公路鐵路路基、公路鐵路邊坡、大壩等工程中應(yīng)用十分廣泛。如在混合砂中加入纖維，常常邊坡工程中使用。用一些纖維材料加固措施用于軟弱地基的處理。纖維加筋技術(shù)適用范圍廣泛，常常用于碎礫石土、砂黏性土、軟土以及其它的地層條件。合成纖維來源十分廣泛，大多是化工制品，能夠較為容易按照人們的目標去創(chuàng)造滿足工程需要的纖維加筋材料，合成纖維耐久性好，自身品質(zhì)較好，但是由于人工合成可能會造成較長時間的污染。如在自然界存在的礦物纖維、動植物纖維等。天然纖維容易降解，在使用中可能幾年之后就會被降解，所以使用起來比較環(huán)保，但是自身缺陷較大，使用時效性差。我國是一個多山地、丘陵的廣袤地形，土體類型十分豐富，這就給工程施工中帶來很多的問題，比如在不同的土體上修建鐵路、公路，就要因地制宜，在修建鐵路時是否要考慮修建鐵路擋墻、在修建公路時根據(jù)當?shù)氐耐临|(zhì)類型是否要修建公路擋墻、修建邊坡時是否要進行加固，我國目前公路、高鐵、房屋建設(shè)仍然較為火熱，所以纖維加筋技術(shù)目前在我國有很大的發(fā)展空間極為廣闊，工程應(yīng)用充滿前景。目前，工程建設(shè)應(yīng)優(yōu)先選用纖維加筋材料具有經(jīng)濟環(huán)保的特點，優(yōu)良的天然纖維和合成纖維是未來纖維加筋技術(shù)應(yīng)用的前提，但目前纖維加筋這個領(lǐng)域研究還是比較落后，因為纖維材料種類繁多，不同土體和不同材料之間的作用原理仍然沒有明確，無法用現(xiàn)在所掌握的作用原理對工程中遇到的實際問題加以解決、指導。所以進行路基土的纖維加筋土的抗剪特性試驗研究具有很大的實際意義。以給工程施工帶來一定的理論指導。而且在工程實際中，為了解決填土不足的情況下，購買、運輸又是一大成本。為了節(jié)約成本，可以采用在本地的防洪工程中清理河道溝渠淤泥土，從中挖出大量淤泥土，處理成本也十分高昂，例如土體的堆放，處理等。如果用于路基的填土，房建路基的填土將是非常經(jīng)濟的方法，淤泥土用一些方法處理后，在淤泥土中加入適量的纖維材料，可以用來提高土體的強度，滿足工程的使用。此外，纖維加筋土施工方法簡單，在大多數(shù)土體中都適用，當運用物理的方法使纖維加筋材料與土體充分混合后，纖維加筋材料與土體作用，抑制土體變形。近些年人工合成纖維種類繁多，與以前相比，土體加筋材料有了更多的選擇。根據(jù)眾多的試驗研究：在土體中加入適量的纖維后，例如壓縮、剪切強度、抗拉能力、承載力得到增強，降低峰值強度損失[1-3]。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀上世紀60年代，在工程師HenriVidal[4]較早的纖維加筋土試驗研究中，當試樣受到縱向的垂直壓力時，產(chǎn)生摩擦阻力限制土體的變形，而且加入適量的纖維材料后，土體的抗剪強度得到提高。上世紀80年代，Garry和Ohashi[5]在砂土中加入不同含量的纖維，然后進行直剪試驗，分別對纖維的不同方向進行剪切，分析應(yīng)力與應(yīng)變的變化規(guī)律。20世紀70年代Giroud和Perfetti[6-8]提出“土工織物”和“土工膜”，往后到八十年代，許多的來自不同國家的學者對纖維加筋土的材料、填料、以及工程應(yīng)用的方式方法做了大量的研究，但是對加筋土的一些其他性質(zhì)研究發(fā)展仍然十分緩慢，例如在土體結(jié)構(gòu)的基本形狀以及計算的規(guī)范仍存在明顯不足。在這個時間段，大多數(shù)學者認為纖維材料和材料的排布方式對土體的力學性能，對纖維筋的受力方式有影響。杜運興[9]選用了CFRP材料，在試件中加入材料，加入的材料層數(shù)越多試件的強度就越高。保華富等[10]認為符合材料的受力變形對加筋碎石土有著影響，因此對加筋碎石土展開了較為細致的研究，研究表明，在碎石土中加入一定量纖維可以增強土體的強度和提高土體的變形能力。圍壓、軸向應(yīng)變、加筋量、受力方式、加筋層的距離、土體類型都會對加筋碎石土的試驗結(jié)果造成偏差。楊舒等[11]利用三軸試驗，把PVC纖維利用物理的方法加入土樣中。分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖的變化趨勢，同時觀察內(nèi)摩擦角、黏聚力是如何發(fā)生變化的。何春光等[12]的研究表明：本世紀，各個國家的學者都做了大量研究，對于纖維加筋土的強度試驗研究。但是加筋理論還是比較落后，目前在加筋土計算理論、施工方法、機理等方面進展很大。研究認為，我們在當今應(yīng)首要解決的問題是提高加筋纖維材料的耐久性，完善加筋土的技術(shù)規(guī)范，完善計算相關(guān)的方法。1.3本文的研究內(nèi)容經(jīng)過閱讀文獻擴展思路，本次試驗主要探究在一定含水率下、不同纖維量下、對纖維加筋路基土填料淤泥質(zhì)土的抗剪強度的特性研究，設(shè)置四個組別，十二組試驗，其中纖維含量為0%是對照組，通過加入0.1%、0.3%、0.5%含量的纖維做三軸壓縮試驗和對照組作對比，同時分析加入纖維的量對土體抗剪性能的影響。試驗纖維加筋材料采用的是PVA纖維，12mm的PVA纖維，試驗采用應(yīng)變控制三軸儀。分析隨著纖維量的變化，粘聚力如何變化，內(nèi)摩擦角如何變化，進而分析路基填土纖維加筋的抗剪強度是由那些因素導致的，抗剪強度的增大是否由前人的試驗所驗證的是由粘聚力增大所導致的。主要研究步驟大致如下：第一步：試驗已然確定土體類型，為淤泥質(zhì)黏土，然后通過試驗儀器測定淤泥質(zhì)黏土的液限和塑限，測量一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如含水率、密度、相對密度，為接下來的試驗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。第二步：做三軸試驗，施加不同圍壓，在不同纖維含量下，應(yīng)力應(yīng)變圖像如何變化。分析不同纖維量含量下，通過試驗數(shù)據(jù)計算出粘聚力和內(nèi)摩擦角，并作出圖形，從圖形中分析兩者的變化，確定主要影響強度的因素，對抗剪強度的變化做一些分析，探究其變化的規(guī)律。第三步：對數(shù)據(jù)進行整理分析，是否和先前別人研究的試驗數(shù)據(jù)是否大致符合，對自己的數(shù)據(jù)進行整合，得出結(jié)論。2纖維加筋路基土的理論2.1纖維加筋技術(shù)簡介纖維加筋路基土是指在土中加入一定量的纖維，三軸剪切試驗表明：在試樣中加入不同的纖維材料，加筋纖維含量不同的條件下，其所施加的圍壓、纖維加筋材料的層數(shù)、纖維加筋材料的剛度都會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。纖維加筋材料在工程應(yīng)用中分為兩類，一種是柔性材料，另一種是非柔性材料，兩者有很大的區(qū)別，柔性材料只需要考慮非柔性材料的抗拉強度所建立的復合土體內(nèi)的粘聚力和內(nèi)摩擦角，同時土的豎向沉降是建筑物受到破壞的一個因素。例如一些的地質(zhì)條件較差的區(qū)域，如在凍土、膨脹土、軟弱土體、濕陷性土條件下，要控制沉降量，是設(shè)計和施工所需要解決的一個問題。但是纖維土對于上述問題來說，是一種比較好的方法，在土中加入適量的纖維可以很好地控制土體變形。使用纖維加筋土能很好的解決上述工程問題。為了使工程更加經(jīng)濟合理，我們大多數(shù)情況下是就地取材，降低運輸成。纖維加筋技術(shù)可以用來改善土體的特性，使土體達到我們工程應(yīng)用中所能達到強度。目前纖維加筋技術(shù)在很多工程實踐中都有應(yīng)用，如在公路、鐵路路基上加入纖維加筋土，改善軟弱層的一些特性?？偠灾豪w維加筋技術(shù)就是運用物理的方法在土體中加入纖維，使得纖維與土體充分結(jié)合，充分發(fā)揮自身的特性，使土體的力學性能發(fā)揮得更加充足，滿足工程實際的應(yīng)用的要求。2.2纖維加筋土的基本原理土體按其種類不同，其本身的抗壓特性、抗剪特性也不相同，但絕大部分土體都有一個特點，那就是的抗拉強度較差。纖維加筋技術(shù)在近些年的發(fā)展迅速，這是由于纖維加筋土的施工較為方便、施工迅速、節(jié)約時間、取材方便、技術(shù)沒有難度、造價便宜、經(jīng)濟效益高、適用性和耐久性好。摩擦加筋原理：在加筋土中任取一段微元,如圖下圖所示，在豎向方向施加應(yīng)力大小為σ，在側(cè)向受力為T1與T2之和。設(shè)摩擦系數(shù)為μ，筋帶寬度如下圖所示為b,在水平拉力下作用力為dT,dT=T1-T2,設(shè)dF是筋與土顆粒之間的摩擦。則摩擦力為：dF=2?σ?μ?b?dl有平衡公式可得：若dT>df則筋土之間不會發(fā)生錯動，能保持穩(wěn)定，否則將會發(fā)生錯動。圖2.1摩擦加筋受力正視圖圖2.2摩擦加筋原理受力圖側(cè)面圖準黏聚力原理：在眾多的前人研究中，認為纖維加筋土是一種各向異性的材。土與纖維之間相互作用產(chǎn)生的摩擦阻力，纖維加筋材料抗拉力共同組成強度。維達爾等人的試驗表明，例如土體不加纖維時的抗剪強度、土體之中加入纖維后，兩者之間的的摩擦阻力、纖維加筋材料布置參數(shù)、纖維加筋材料的布置方式、纖維加筋材料的含量等，都會影響土體的強度。3纖維加筋路基填料的試驗研究3.1試驗材料與設(shè)備如圖3.1所示，本試驗選用的土體為淤泥質(zhì)粘土，其基本物理指標為：含水率w=58.9%～61.2%、密度=1.62g/mm3、相對密度Gs=2.72、液塑限分別為45.3%和24.7%。石灰采用路基專用Ⅲ級石灰粉（如圖3.2所示），纖維采用長度為12mm的PVA纖維如圖3.3所示。圖3.1試驗用土圖3.2石灰圖3.3PVA纖維所有纖維加筋土抗剪強度的測試在如圖3.4所示的應(yīng)變控制三軸儀上完成。圖3.4應(yīng)變控制三軸儀3.2試樣的制備及試驗方案設(shè)計為了模擬現(xiàn)場工況，嚴格按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTGE40-2007）制備如圖3.4所示的直徑39.1mm，高度80mm的三軸剪切試樣。所有試樣在剪切前均在標準條件下養(yǎng)護24h然后用飽和缸進行抽真空飽和使其飽和度超過95%。圖3.4纖維加筋土三軸試樣制備過程圖3.5纖維加筋土三軸試樣本文主要探究固定纖維長度（12mm）條件下，纖維摻量對路基土體在不同圍壓下三軸抗剪強度的影響，具體方案設(shè)計如表3.1所示。表3.1試驗方案固結(jié)圍壓，p/kPa纖維摻量,w/%500,0.1,0.3,0.51000,0.1,0.3,0.51500,0.1,0.3,0.53.3試驗結(jié)果分析分析圖3-6（a）纖維含量為0%，對應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖分析發(fā)現(xiàn)，其橫軸的應(yīng)變在圍壓50kpa下，當應(yīng)變值為自身長度的2.4%，偏應(yīng)力值達到最高點，認為整個試件已經(jīng)發(fā)生破壞。在圍壓100kpa下，應(yīng)變?yōu)?.8%時，偏應(yīng)力值達到最高點，認為整個試件發(fā)生破壞，在圍壓150kpa下，軸向應(yīng)變?yōu)?.8%時，試件軸向應(yīng)變超過5%后，所有試件在50kpa、100kpa、150kpa的圍壓下均認為發(fā)生了破壞。w=0分析圖3-6（b），在纖維含量為0.1%時，與圖（a）對比發(fā)現(xiàn)曲線水平軸對應(yīng)曲線的最高點應(yīng)變在7%～12%范圍內(nèi)，橫軸數(shù)據(jù)向后推移幾個百分點，分別在軸向應(yīng)變達到7.1%、8.6%、11.3%達到應(yīng)力極限，發(fā)生破壞，當應(yīng)變超過12%后，認為試件發(fā)生破壞。w=0.1%分析圖3-6（c）、3-6（d）,當纖維含量為0.3%、0.5%時，圖像的曲線已經(jīng)沒有最高點了，在軸向應(yīng)變0%到15%遞增的過程，當橫軸的軸向應(yīng)變值15%時，認為試件發(fā)生破壞。w=0.3%w=0.5%圖3.6纖維加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在圖3.7下，加入相同含量的纖維材料，如上面四種顏色的線段，摻量從0%、0.1%、0.3%、0.5%過程，圍壓從50kpa、100kpa、200kpa的，出現(xiàn)了抗剪強度與圍壓基本關(guān)系呈現(xiàn)一次函數(shù)的四條直線，在圍壓為50kpa、100kpa、200kpa的情況下，豎向分析，抗剪強度最大時，圍壓和纖維量都是最高值，所以從公式來講σ和w在本次實驗中取得最大值，則剪應(yīng)力就越大。圖3.7不同纖維摻量下土體抗剪強度與圍壓的關(guān)系在圖3.8（a）下，纖維從含量從零到0.1%，材料的黏聚力c變化不大，可能是由于纖維含量過少，未能達到充分作用的閾值，使得纖維未能與土體充分作用。纖維從含量0.1%到0.3%，可能是由于纖維含量達到一定程度，達到了充分作用的閾值，使得黏聚力增加的很快，對黏聚力的增長起到一定的促進作用。但含量從0.3%到0.5%，黏聚力又變化很小，這可能是快達到了最優(yōu)纖維含量的值，可能纖維含量在0.5%以后的一個值就達到了黏聚力的最大值，此后粘聚力會繼續(xù)減小。粘聚力c在圖3.8（b）的情況下，在w為0%、0.1%、0.3%、0.5%時，內(nèi)摩擦角在20.0～27.5/°的范圍內(nèi)波動，且波動的范圍不大。所以在纖維量增長的過程中，總體認為內(nèi)摩擦角是變化不大的,但是對最終的結(jié)果有影響。(b)內(nèi)摩擦角圖3.8不同纖維摻量下土體的三軸抗剪強度指標4結(jié)論在圖3.6（a）、3.6（b）中發(fā)現(xiàn)曲線的峰值點，但是峰值點對應(yīng)的w為0.1%應(yīng)變值大于w為0%的試樣，而且在圖3.6（c）、3.6（d）中，纖維含量繼續(xù)增加，而且曲線已經(jīng)沒有明顯的峰值，試樣的應(yīng)變也在提高，說明加入一定量的PAV纖維確實可以限制土體的變形。在相同的圍壓下，如50kpa、100kpa、150kpa下，其最大值都是在遞增的，說明在本次的試驗范圍內(nèi)，加入纖維量越多越好。任何纖維含量的試樣都隨著圍壓的的增大呈一次函數(shù)形式增加，在相同的圍壓下進行實驗，抗剪強度是增大的，在圍壓相同，纖維含量為0.1%增加到0.3%，抗剪強度值增加達到最大。說明此時纖維量對試樣的作用最大。黏聚力在PAV纖維含量0%，0.1%，變化不大，是由于土體中的纖維過少未能充分發(fā)揮其效應(yīng)，但是纖維含量加到0.3%是粘聚力增大就變得特別明顯。而且粘聚力數(shù)值變化并不大。由公式τf=σtan+c可知，在σ值為一定值，且認為不變化不其剪切強度主要由黏聚力c來決定。但是本次實驗中變化范圍還是挺高的，所以不能忽略內(nèi)摩擦角的變化。通過計算后發(fā)現(xiàn)，加入PVA纖維后，土體的各項指標均有顯著增強，所以適當加入纖維是可以提高土體的抗剪強度。總的來說纖維加筋技術(shù)應(yīng)用在路基填料是一種可行的辦法，運用新型的性能高的、廉價纖維材料加入土體從而提高土體各項指標，降低工程造價，從而更好地迎中到工程建設(shè)中來。參考文獻[1]張洪東,李海峰,李賀勇,等.棕櫚纖維加筋土強度特性試驗研究[J].礦產(chǎn)勘查,2021,012(0