聚丙烯纤维影响加筋土的力学性能的研究

摘要： 土建工程中为了增强土体的承载能力，常常采取纤维加固的方法对土体进行补强。但纤维的各特征值，如纤维长度、配合比、纤维韧度及细度等，对加筋土的强度有较大影响。本文以聚丙烯纤维为例，通过对素土和多组不同纤维含量的加筋土进行强度实验，以研究聚丙烯纤维的掺加量（配合比）对加筋土的力学性能的影响规律，最后以FLAC软件模拟实际纤维地基土加固以及填方路堤加固两种情形，按照不同的纤维掺加量建立力学分析模型，模拟荷载作用下土体的应力、应变及位移的变化情形，得到结论：纤维土强度随着纤维含量的增加可得到有效的提高；适当掺加纤维材料可以减小路堤边坡的水平和竖直位移，有利于边坡稳定性。

关键词： 聚丙烯纤维；加筋土；力学性能；数值模拟

The research on impact of polypropylene fibre to mechanical property of reinforcement soil

XU Yonghong1, PAN Hongke2

（1. Urban Architectural Design Institute Co., Ltd. Zhengzhou 450000, China;

2. School of Civil Engineering and Architecture, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China）

Abstract: In civil engineering, the method of fibre reinforcing is usually adopted to strengthen soil’s bearing capacity. But some eigenvalues of fibre, such as length, mixture ratio, toughness and fineness have rather great influence on the strength of reinforcement soil. Taking polypropylene fibre as an example, this paper studied the impact rule of the filling quantity of polypropylene fibre (mixture ratio) on mechanical property of reinforcement soil by doing intensity experiment to plain soil and several classes of reinforcement soil with different fibre content. In the end, this paper simulated the two situations of real fibre reinforcement to foundation soil and to fill embankment with FLAC software, and constituted mechanical model according to various fibre contents to analyze numerically the variation situation of stress and strain of soil under loading. The conclusions were: strength of fiber soils can be effectively improved with the increase of fiber content; filling fiber materials properly can decrease the horizontal and vertical displacement of embankment slope, which was conducive to slope stability. .

Key words: polypropylene fibre; reinforcement soil; mechanical property; numerical simulation

1. 引言

土建工程中常会遇到地基土不能满足强度要求的问题，需要对其进行加固，纤维加固法即是其中一种，加固后即可形成加筋土，因而所谓加筋土是指在土中埋设抗拉强度比较高的材料而形成的一种复合材料，其基本原理因为土与加筋材料之间存在着摩擦作用，此摩擦作用限制了土体的变形，从而提高了土体的抗剪强度。显然，土中加筋改变了土体的性质，提高了强度，因而它的出现，得到了像从前发明钢筋混凝土或预应力混凝土那样高的评价。

加固所用纤维又分为天然植物纤维和人工合成纤维。其中利用天然植物纤维加固土体的方法有较悠久的历史，研究也较多，而合成纤维对土体补强的研究与应用相对较晚[1-5]。同时由于土体特性的不同，纤维的补强过程也不同，本文主要研究沙质粉（粘）土中掺加现今应用较普遍的聚丙烯纤维进行补强的效果，以及合适的配比与补强方式。该类方法因材料取材容易、纤维用量低，工程费用一般大大低于其他加固方法，应用前景值得推广。

2. 实验研究

选取某深基坑工程的沙质粉土（北方地区常见的典型地基土壤），在实验室内获取其基本物理力学参数，并均匀添加不同配比的聚丙烯纤维，制成各种含量的纤维土试件（均为圆柱体形），养护后对各试件进行室内强度试验，以获得聚丙烯纤维对沙土的承载和变形性能改善的规律。

2.1 实验参数

所取土样的物理力学参数如表1所示，聚丙烯纤维的物理力学参数见表2。

表1 沙质粉土的基本物理力学参数

表2 聚丙烯纤维的基本物理力学参数

2.2 实验方法及过程

实验共制作4组（类）试件（试样）：素土、含0.1%、0.2%、0.3%纤维量的土样（百分比指相对于风干土重的比例）。上述试样每组各制作5个（共计20个试件）进行试验。制作过程采取先将土样粉碎风干，再配比好，按最佳含水量混合均匀，而后进行养护的方法，养护时间均为28d，（注：素土仅5天养护时间）。试件采用圆柱体形，圆柱体高度h为60mm，直径d为35mm。对各试件进行无侧限抗压强度试验和直剪强度试验。

试验过程均参考规范“GB/T 50123―1999 土工试验方法标准”所制定和规范的方法进行[6]。

2.3 实验结果及分析

无侧限抗压强度（UCS）试验和直剪强度试验的结果分别见表3和表4。

表3 无侧限抗压强度试验

表4 直剪强度试验

由上述实验结果可见，聚丙烯纤维可显著提高土样的无侧限抗压强度及剪切强度，也即可显著改善地基土的承载能力和抗变形能力，图中可见应力应变曲线明显更平缓、塑性更好、最大承载力点更高，甚至可能最终趋向应变硬化的情形。

3. 工程数值分析研究

为进一步分析和验证纤维掺加量对实际工程土体力学性能的影响关系，分别对各种纤维掺量的实际工程土体建立力学分析模型，模拟其在各种作用下的内力、应变（或裂缝）的发展过程，以此比较不同纤维掺量的土体的承载力及变形的差异。在前述实验基础上，可以得到纤维土的各种物理力学参数及应力应变本构关系曲线。因为纤维与土充分混合均匀，从整体力学性状看，可视其为各向同性体；从应力应变关系看又可视为非线性。考虑到FLAC软件对土体及地下岩土工程问题模拟的科学合理和便利，此处采用该大型商业软件进行数值分析和计算。下面主要考虑纤维土用于地基加固和用于填方路堤两类工程的情形分别进行建模和数值模拟。

3.1 地基纤维加筋土

3.1.1 模型建立

模拟聚丙烯纤维加固地基土的情形，为简化计，以平面应力问题分析一个长方形纤维土块的情形，模型范围为8*8m,其中上部1.5米为纤维土，地表超载为100kpa，按拉应力屈服模式考虑。四种土样分别选取的模型参数为：

素土：E=15Mpa，ν=0.3，ρ=21KN/m3，屈服应力fy = 15 Kpa，C=0.0472 Mpa, φ=25.2。；

纤维土0.1%：E=36Mpa，ν=0.26，ρ=20KN/m3，fy = 22 Kpa，C=0.0597 Mpa, φ=28.6。；

纤维土0.2%：E=48Mpa，ν=0.23，ρ=20KN/m3，fy = 25 Kpa，C=0.0616 Mpa, φ=30.8。；

纤维土0.3%：E=65Mpa，ν=0.20，ρ=19KN/m3，fy = 28 Kpa，C=0.0632 Mpa, φ=32.5。。

3.1.2 计算机模拟结果

分步施加荷载对各模型进行数值计算，得到其内力和变形的变化云图如图1～图4所示。

由模拟结果可得：随着纤维含量的不同，各纤维土在出现屈服点时的应力、应变、位移及荷载施加步等皆不同，反映各类纤维土的承载能力和变形能力的不同，显然聚丙烯纤维含量的增加能有效改善地基土的力学性能。

ydis 图syy 图 竖向位移矢量图

图1 素土模型的应力、应变及位移模拟云图

ydissyy竖向位移矢量图

图20.1%纤维土模型的应力、应变及位移模拟云图

Ydissyy竖向位移矢量图

图30.2%纤维土模型的应力、应变及位移模拟云图

Ydis Syy竖向位移矢量图

图4 0.3%纤维土模型的应力、应变及位移模拟云图

3.2 填方路堤纤维加筋土

3.2.1 模型建立

考虑到路堤相对于路堤宽度来说可以认为无限长，故对其进行了简化处理，取路堤下的一个典型断面进行模拟，建立平面应变数值模型。其基本尺寸参考某高速公路加宽段实例选取，考虑到其影响范围在建立模型时水平方向(X方向)取加宽部分一侧选取20米。竖直方向（Y方向）为上部荷载影响的范围，选取路堤5米，路基10米，整个模型做对称处理。在建模过程中作了一些假设：①土体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型；②考虑到纤维加筋土的复杂性，将加筋土按复合材料观念来处理，采用薄层制样法，即纤维与粘土隔层铺设建立模型；③按照纤维层加设多少来区别纤维加筋土性质的变化。本文仅做一些定性分析，在分析中仅通过纤维层加设多少来研究纤维加筋土对边坡沉降变形的影响。其基本的网格划分及其计算模型图5所示。

图5 有限差分模型示意图

3.2.2 数值模拟结果

通过改变加筋土的掺量，得到路堤沉降（垂直位移）、水平位移和XX方向及YY方向的应力等值线图。因篇幅所限，此处仅给出部分等值线图如下（图6和图7）。

从各等值线图可以看出，适当掺加纤维材料可以改变路堤沉降和减小路堤边坡的水平位移，当掺量合适时，可以降低路堤边坡坡脚的沉降量和减小边坡的水平位移，有利于增强边坡稳定性。此外，加筋土材料的掺量对路堤边坡竖直方向的应力没有大的影响。

(a)没有加筋土的路堤沉降（垂直位移）等值线图

(b)加筋土达到1/4时的路堤沉降（垂直位移）等值线图

(c)加筋土达到3/4时的路堤沉降（垂直位移）等值线图

图6路堤垂直位移(沉降)等值线图

(a) 没有加筋土的路堤YY方向应力等值线图

(b) 加筋土达到1/4时的路堤YY方向应力等值线图

(c) 加筋土达到3/4时的路堤YY方向应力等值线图

图7 路堤YY方向应力等值线图

4. 结论

（1）随着纤维含量的增加，纤维土强度可得到有效的提高；

（2）从素土到一定量的纤维土可见力学性能改善明显，有着质的变化（从相对脆性破坏转变为塑性破坏模式）；而纤维含量的增加（在一定增幅内）对纤维土力学性能的改善作用更小，应力应变曲线形状也大致相似；

（3）模拟聚丙烯纤维加固地基土的工程情形，数值分析结果显示聚丙烯纤维含量的增加能有效改善地基土的力学性能。

（4）通过模拟聚丙烯纤维加固填方路堤的实际工程情形，得到结论：适当掺加纤维材料可以减小路堤边坡的水平和竖直位移。当掺量合适时，路堤边坡的水平和竖直位移最小，有利于边坡稳定性。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看