【《纤维加筋路基填料的抗剪强度特性试验探究报告》6200字（论文）】

宿州学院2015届本科生毕业论文 纤维加筋路基填料的抗剪强度特性试验探究报告摘要纤维加筋路基填料是指在土体中加入一定量的合成纤维，将其通过物理的方法与土体充分结合，形成一种土工复合材料，这种土工复合材料的各项指标会得到提高。目前纤维加筋技术在路基上应用较为广泛，充满应用前景。虽然我们知道加入适量的纤维材料可以提高土的各项指标，但是具体的作用机理尚未可知，本文就是对纤维加筋土的抗剪特性做进一步的探究。本次探究用淤泥质黏土加入纤维做路基填土的抗剪方面的特性研究，试验共分为4组，分别在淤泥质土中加入含量为0%、0.1%、0.3%、0.5%的PVA纤维，分别在50kpa、100kpa、150kpa的围压下做试验，发现纤维量逐渐从0%到0.5%的过程中，其试块发生破坏时的偏应力随着纤维量的增长而继续增大，其破坏时所发生的的轴向应变也随着纤维量的逐步增加而增大。随着土体中的纤维量的增大，试验所测得的土体黏聚力不断增大，内摩擦角程波浪状变化，但呈上升趋势，经过分析认为，土体中加入纤维材料，主要提高的是黏聚力，在本次研究纤维从0%、0.1%、0.3%、0.5%的试验范围内，试件的抗剪强度的增大基本与纤维含量呈现一次线性函数，主要影响因素是黏聚力的作用。关键词：纤维加筋土；粘聚力；内摩擦角；抗剪强度；目录TOC\o"1-3"\h\u1绪论 11.1纤维加筋技术的应用前景 11.2国内外研究现状 21.3本文的研究内容 32纤维加筋路基土的理论 42.1纤维加筋技术简介 42.2纤维加筋土的基本原理 43纤维加筋路基填料的试验研究 63.1试验材料与设备 63.2试样的制备及试验方案设计 73.3试验结果分析 94结论 13参考文献 141绪论1.1纤维加筋技术的应用前景到达21世纪以后科技发展日益迅速，材料学科的不断发展，新型的工程建设对材料的性能要求也是随之变高，工程实际遇到的许多问题需要更多新的材料去满足工程建设，纤维加筋原理经过几十年的发展，新型的纤维材料在一定程度上，促进了纤维加筋技术的进步。在大范围内的的国家都应用了该技术，在公路铁路路基、公路铁路边坡、大坝等工程中应用十分广泛。如在混合砂中加入纤维，常常边坡工程中使用。用一些纤维材料加固措施用于软弱地基的处理。纤维加筋技术适用范围广泛，常常用于碎砾石土、砂黏性土、软土以及其它的地层条件。合成纤维来源十分广泛，大多是化工制品，能够较为容易按照人们的目标去创造满足工程需要的纤维加筋材料，合成纤维耐久性好，自身品质较好，但是由于人工合成可能会造成较长时间的污染。如在自然界存在的矿物纤维、动植物纤维等。天然纤维容易降解，在使用中可能几年之后就会被降解，所以使用起来比较环保，但是自身缺陷较大，使用时效性差。我国是一个多山地、丘陵的广袤地形，土体类型十分丰富，这就给工程施工中带来很多的问题，比如在不同的土体上修建铁路、公路，就要因地制宜，在修建铁路时是否要考虑修建铁路挡墙、在修建公路时根据当地的土质类型是否要修建公路挡墙、修建边坡时是否要进行加固，我国目前公路、高铁、房屋建设仍然较为火热，所以纤维加筋技术目前在我国有很大的发展空间极为广阔，工程应用充满前景。目前，工程建设应优先选用纤维加筋材料具有经济环保的特点，优良的天然纤维和合成纤维是未来纤维加筋技术应用的前提，但目前纤维加筋这个领域研究还是比较落后，因为纤维材料种类繁多，不同土体和不同材料之间的作用原理仍然没有明确，无法用现在所掌握的作用原理对工程中遇到的实际问题加以解决、指导。所以进行路基土的纤维加筋土的抗剪特性试验研究具有很大的实际意义。以给工程施工带来一定的理论指导。而且在工程实际中，为了解决填土不足的情况下，购买、运输又是一大成本。为了节约成本，可以采用在本地的防洪工程中清理河道沟渠淤泥土，从中挖出大量淤泥土，处理成本也十分高昂，例如土体的堆放，处理等。如果用于路基的填土，房建路基的填土将是非常经济的方法，淤泥土用一些方法处理后，在淤泥土中加入适量的纤维材料，可以用来提高土体的强度，满足工程的使用。此外，纤维加筋土施工方法简单，在大多数土体中都适用，当运用物理的方法使纤维加筋材料与土体充分混合后，纤维加筋材料与土体作用，抑制土体变形。近些年人工合成纤维种类繁多，与以前相比，土体加筋材料有了更多的选择。根据众多的试验研究：在土体中加入适量的纤维后，例如压缩、剪切强度、抗拉能力、承载力得到增强，降低峰值强度损失[1-3]。1.2国内外研究现状上世纪60年代，在工程师HenriVidal[4]较早的纤维加筋土试验研究中，当试样受到纵向的垂直压力时，产生摩擦阻力限制土体的变形，而且加入适量的纤维材料后，土体的抗剪强度得到提高。上世纪80年代，Garry和Ohashi[5]在砂土中加入不同含量的纤维，然后进行直剪试验，分别对纤维的不同方向进行剪切，分析应力与应变的变化规律。20世纪70年代Giroud和Perfetti[6-8]提出“土工织物”和“土工膜”，往后到八十年代，许多的来自不同国家的学者对纤维加筋土的材料、填料、以及工程应用的方式方法做了大量的研究，但是对加筋土的一些其他性质研究发展仍然十分缓慢，例如在土体结构的基本形状以及计算的规范仍存在明显不足。在这个时间段，大多数学者认为纤维材料和材料的排布方式对土体的力学性能，对纤维筋的受力方式有影响。杜运兴[9]选用了CFRP材料，在试件中加入材料，加入的材料层数越多试件的强度就越高。保华富等[10]认为符合材料的受力变形对加筋碎石土有着影响，因此对加筋碎石土展开了较为细致的研究，研究表明，在碎石土中加入一定量纤维可以增强土体的强度和提高土体的变形能力。围压、轴向应变、加筋量、受力方式、加筋层的距离、土体类型都会对加筋碎石土的试验结果造成偏差。杨舒等[11]利用三轴试验，把PVC纤维利用物理的方法加入土样中。分析应力-应变曲线图的变化趋势，同时观察内摩擦角、黏聚力是如何发生变化的。何春光等[12]的研究表明：本世纪，各个国家的学者都做了大量研究，对于纤维加筋土的强度试验研究。但是加筋理论还是比较落后，目前在加筋土计算理论、施工方法、机理等方面进展很大。研究认为，我们在当今应首要解决的问题是提高加筋纤维材料的耐久性，完善加筋土的技术规范，完善计算相关的方法。1.3本文的研究内容经过阅读文献扩展思路，本次试验主要探究在一定含水率下、不同纤维量下、对纤维加筋路基土填料淤泥质土的抗剪强度的特性研究，设置四个组别，十二组试验，其中纤维含量为0%是对照组，通过加入0.1%、0.3%、0.5%含量的纤维做三轴压缩试验和对照组作对比，同时分析加入纤维的量对土体抗剪性能的影响。试验纤维加筋材料采用的是PVA纤维，12mm的PVA纤维，试验采用应变控制三轴仪。分析随着纤维量的变化，粘聚力如何变化，内摩擦角如何变化，进而分析路基填土纤维加筋的抗剪强度是由那些因素导致的，抗剪强度的增大是否由前人的试验所验证的是由粘聚力增大所导致的。主要研究步骤大致如下：第一步：试验已然确定土体类型，为淤泥质黏土，然后通过试验仪器测定淤泥质黏土的液限和塑限，测量一些基础数据，如含水率、密度、相对密度，为接下来的试验提供基础数据。第二步：做三轴试验，施加不同围压，在不同纤维含量下，应力应变图像如何变化。分析不同纤维量含量下，通过试验数据计算出粘聚力和内摩擦角，并作出图形，从图形中分析两者的变化，确定主要影响强度的因素，对抗剪强度的变化做一些分析，探究其变化的规律。第三步：对数据进行整理分析，是否和先前别人研究的试验数据是否大致符合，对自己的数据进行整合，得出结论。2纤维加筋路基土的理论2.1纤维加筋技术简介纤维加筋路基土是指在土中加入一定量的纤维，三轴剪切试验表明：在试样中加入不同的纤维材料，加筋纤维含量不同的条件下，其所施加的围压、纤维加筋材料的层数、纤维加筋材料的刚度都会对试验结果产生影响。纤维加筋材料在工程应用中分为两类，一种是柔性材料，另一种是非柔性材料，两者有很大的区别，柔性材料只需要考虑非柔性材料的抗拉强度所建立的复合土体内的粘聚力和内摩擦角，同时土的竖向沉降是建筑物受到破坏的一个因素。例如一些的地质条件较差的区域，如在冻土、膨胀土、软弱土体、湿陷性土条件下，要控制沉降量，是设计和施工所需要解决的一个问题。但是纤维土对于上述问题来说，是一种比较好的方法，在土中加入适量的纤维可以很好地控制土体变形。使用纤维加筋土能很好的解决上述工程问题。为了使工程更加经济合理，我们大多数情况下是就地取材，降低运输成。纤维加筋技术可以用来改善土体的特性，使土体达到我们工程应用中所能达到强度。目前纤维加筋技术在很多工程实践中都有应用，如在公路、铁路路基上加入纤维加筋土，改善软弱层的一些特性。总而言之：纤维加筋技术就是运用物理的方法在土体中加入纤维，使得纤维与土体充分结合，充分发挥自身的特性，使土体的力学性能发挥得更加充足，满足工程实际的应用的要求。2.2纤维加筋土的基本原理土体按其种类不同，其本身的抗压特性、抗剪特性也不相同，但绝大部分土体都有一个特点，那就是的抗拉强度较差。纤维加筋技术在近些年的发展迅速，这是由于纤维加筋土的施工较为方便、施工迅速、节约时间、取材方便、技术没有难度、造价便宜、经济效益高、适用性和耐久性好。摩擦加筋原理：在加筋土中任取一段微元,如图下图所示，在竖向方向施加应力大小为σ，在侧向受力为T1与T2之和。设摩擦系数为μ，筋带宽度如下图所示为b,在水平拉力下作用力为dT,dT=T1-T2,设dF是筋与土颗粒之间的摩擦。则摩擦力为：dF=2•σ•μ•b•dl有平衡公式可得：若dT>df则筋土之间不会发生错动，能保持稳定，否则将会发生错动。图2.1摩擦加筋受力正视图图2.2摩擦加筋原理受力图侧面图准黏聚力原理：在众多的前人研究中，认为纤维加筋土是一种各向异性的材。土与纤维之间相互作用产生的摩擦阻力，纤维加筋材料抗拉力共同组成强度。维达尔等人的试验表明，例如土体不加纤维时的抗剪强度、土体之中加入纤维后，两者之间的的摩擦阻力、纤维加筋材料布置参数、纤维加筋材料的布置方式、纤维加筋材料的含量等，都会影响土体的强度。3纤维加筋路基填料的试验研究3.1试验材料与设备如图3.1所示，本试验选用的土体为淤泥质粘土，其基本物理指标为：含水率w=58.9%～61.2%、密度=1.62g/mm3、相对密度Gs=2.72、液塑限分别为45.3%和24.7%。石灰采用路基专用Ⅲ级石灰粉（如图3.2所示），纤维采用长度为12mm的PVA纤维如图3.3所示。图3.1试验用土图3.2石灰图3.3PVA纤维所有纤维加筋土抗剪强度的测试在如图3.4所示的应变控制三轴仪上完成。图3.4应变控制三轴仪3.2试样的制备及试验方案设计为了模拟现场工况，严格按照《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）制备如图3.4所示的直径39.1mm，高度80mm的三轴剪切试样。所有试样在剪切前均在标准条件下养护24h然后用饱和缸进行抽真空饱和使其饱和度超过95%。图3.4纤维加筋土三轴试样制备过程图3.5纤维加筋土三轴试样本文主要探究固定纤维长度（12mm）条件下，纤维掺量对路基土体在不同围压下三轴抗剪强度的影响，具体方案设计如表3.1所示。表3.1试验方案固结围压，p/kPa纤维掺量,w/%500,0.1,0.3,0.51000,0.1,0.3,0.51500,0.1,0.3,0.53.3试验结果分析分析图3-6（a）纤维含量为0%，对应力-应变曲线图分析发现，其横轴的应变在围压50kpa下，当应变值为自身长度的2.4%，偏应力值达到最高点，认为整个试件已经发生破坏。在围压100kpa下，应变为3.8%时，偏应力值达到最高点，认为整个试件发生破坏，在围压150kpa下，轴向应变为4.8%时，试件轴向应变超过5%后，所有试件在50kpa、100kpa、150kpa的围压下均认为发生了破坏。w=0分析图3-6（b），在纤维含量为0.1%时，与图（a）对比发现曲线水平轴对应曲线的最高点应变在7%～12%范围内，横轴数据向后推移几个百分点，分别在轴向应变达到7.1%、8.6%、11.3%达到应力极限，发生破坏，当应变超过12%后，认为试件发生破坏。w=0.1%分析图3-6（c）、3-6（d）,当纤维含量为0.3%、0.5%时，图像的曲线已经没有最高点了，在轴向应变0%到15%递增的过程，当横轴的轴向应变值15%时，认为试件发生破坏。w=0.3%w=0.5%图3.6纤维加筋土的应力-应变曲线在图3.7下，加入相同含量的纤维材料，如上面四种颜色的线段，掺量从0%、0.1%、0.3%、0.5%过程，围压从50kpa、100kpa、200kpa的，出现了抗剪强度与围压基本关系呈现一次函数的四条直线，在围压为50kpa、100kpa、200kpa的情况下，竖向分析，抗剪强度最大时，围压和纤维量都是最高值，所以从公式来讲σ和w在本次实验中取得最大值，则剪应力就越大。图3.7不同纤维掺量下土体抗剪强度与围压的关系在图3.8（a）下，纤维从含量从零到0.1%，材料的黏聚力c变化不大，可能是由于纤维含量过少，未能达到充分作用的阈值，使得纤维未能与土体充分作用。纤维从含量0.1%到0.3%，可能是由于纤维含量达到一定程度，达到了充分作用的阈值，使得黏聚力增加的很快，对黏聚力的增长起到一定的促进作用。但含量从0.3%到0.5%，黏聚力又变化很小，这可能是快达到了最优纤维含量的值，可能纤维含量在0.5%以后的一个值就达到了黏聚力的最大值，此后粘聚力会继续减小。粘聚力c在图3.8（b）的情况下，在w为0%、0.1%、0.3%、0.5%时，内摩擦角在20.0～27.5/°的范围内波动，且波动的范围不大。所以在纤维量增长的过程中，总体认为内摩擦角是变化不大的,但是对最终的结果有影响。(b)内摩擦角图3.8不同纤维掺量下土体的三轴抗剪强度指标4结论在图3.6（a）、3.6（b）中发现曲线的峰值点，但是峰值点对应的w为0.1%应变值大于w为0%的试样，而且在图3.6（c）、3.6（d）中，纤维含量继续增加，而且曲线已经没有明显的峰值，试样的应变也在提高，说明加入一定量的PAV纤维确实可以限制土体的变形。在相同的围压下，如50kpa、100kpa、150kpa下，其最大值都是在递增的，说明在本次的试验范围内，加入纤维量越多越好。任何纤维含量的试样都随着围压的的增大呈一次函数形式增加，在相同的围压下进行实验，抗剪强度是增大的，在围压相同，纤维含量为0.1%增加到0.3%，抗剪强度值增加达到最大。说明此时纤维量对试样的作用最大。黏聚力在PAV纤维含量0%，0.1%，变化不大，是由于土体中的纤维过少未能充分发挥其效应，但是纤维含量加到0.3%是粘聚力增大就变得特别明显。而且粘聚力数值变化并不大。由公式τf=σtan+c可知，在σ值为一定值，且认为不变化不其剪切强度主要由黏聚力c来决定。但是本次实验中变化范围还是挺高的，所以不能忽略内摩擦角的变化。通过计算后发现，加入PVA纤维后，土体的各项指标均有显著增强，所以适当加入纤维是可以提高土体的抗剪强度。总的来说纤维加筋技术应用在路基填料是一种可行的办法，运用新型的性能高的、廉价纤维材料加入土体从而提高土体各项指标，降低工程造价，从而更好地迎中到工程建设中来。参考文献[1]张洪东,李海峰,李贺勇,等.棕榈纤维加筋土强度特性试验研究[J].矿产勘查,2021,012(0