干湿循环作用下剑麻纤维加筋膨胀土的抗裂作用及影响因素

为研究干湿循环作用下纤维加筋膨胀土的抗裂效果,分别开展了素土和剑麻纤维加筋膨胀土的干湿循环试验,并采用图像处理技术提取试样表面裂隙参数,分析了剑麻纤维含量及长度、干湿循环次数、试样含水率对裂隙发育的影响.结果表明:1)剑麻纤维加筋膨胀土具有较好的抗裂性能,且剑麻纤维的掺入对膨胀土的裂隙率和裂隙平均宽度影响较大,相较于素土试样,最优加筋土试样的裂隙率和裂隙平均宽度均比素土试样减小了约1/2.2)纤维长度相同时,随着纤维含量的增大,裂隙率、裂隙总长度、裂隙平均宽度和分形维数均呈先减小后增大的趋势,且纤维含量为0.4%时各参数值最小;纤维含量相同时,纤维长度对各裂隙参数影响不大.3)随着干湿循环次数的增加,加筋土和素土试样裂隙参数均呈逐渐增大趋势,但纤维加筋土裂隙率和裂隙平均宽度的增大幅度均比素土小;从第5次干湿循环开始,各裂隙参数增长趋缓.4)单次脱湿过程中,试样含水率由20%降至10%时,裂隙急剧发育,且素土裂隙的发育对含水率的变化更加敏感,含水率低于10%时,随着含水率的减小,试样裂隙率变小并趋于稳定;相同含水率条件下,剑麻纤维加筋土具有更好的抗裂性能.5)剑麻纤维加筋膨胀土的抗裂机理主要表现在两方面,一方面是剑麻纤维的掺入增大了膨胀土的渗透系数,促进了试样内水分的均匀分布,减小了试样各处的胀缩差异;另一方面纵横交错的剑麻纤维约束了聚集体之间大孔隙的收缩.

冻融损伤过程中纤维加筋土的抗压性能与裂隙演化

冻融损伤土的微观结构,土中产生微裂隙,宏观上表现为土的力学性能下降。文章完成了石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的冻融试验、无侧限抗压强度试验、CT扫描试验,分析冻融损伤过程中石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的抗压性能与裂隙演化特征,评价纤维对提高土的抗冻融性能的积极作用。结果表明:石灰固化土、纤维与石灰加筋固化土的抗压强度与破坏应变均随冻融次数的增加呈阶段性下降,即降幅较大阶段、降幅较小阶段和强度基本稳定阶段,纤维加筋显著提高了土的抗变形性能;土的压实度越大,纤维加筋提高土的力学性能就越明显;冻融过程中,裂隙主要分布在试样的表面、上部和下部,面裂隙率随扫描层数的增加呈先减小后增大的变化规律;纤维与石灰加筋固化土的体裂隙率、裂隙长度均值、裂隙宽度均值均小于石灰固化土,纤维加筋延缓了裂隙的形成、发展与连通。纤维与石灰加筋固化土的抗压性能与抗冻融性能显著优于石灰固化土,纤维加筋减弱了冻融土的微观结构损伤程度。

纤维加筋膨胀土的蠕变规律及模型预测

膨胀土是具有流变性质的灾害性土,其蠕变行为直接影响到工程结构的稳定性和安全性。为探究剑麻纤维加筋膨胀土的蠕变特性及应力-应变数学模型,采用室内固结排水三轴蠕变试验,分别进行了不同含水率、不同围压和不同偏应力条件下素膨胀土和剑麻纤维加筋膨胀土的蠕变特性研究,根据蠕变特征曲线提出了基于Mesri蠕变经验模型的剑麻纤维加筋膨胀土的修正蠕变模型。结果表明:相同条件下,剑麻纤维加筋土的蠕变变形量明显小于素土的蠕变变形量,说明掺入剑麻纤维可有效提高膨胀土的结构性能和抗变形能力;素土和剑麻纤维加筋土的蠕变变形量随含水率增大而增大,而随围压的增大呈减小趋势;素土和剑麻纤维加筋土在受到偏应力时均会产生瞬时应变量和蠕变变形量,其蠕变变形量随偏应力的增大而增大;素土和加筋土的蠕变曲线分4个阶段,分别为弹性变形阶段、稳态蠕变阶段、衰减蠕变阶段和加速蠕变阶段;高偏应力下,基于传统Mesri蠕变经验模型的剑麻纤维加筋土蠕变预测误差高达37.95%,对Mesri蠕变经验模型进行修正后预测误差降至1.5%内,说明修正模型能较好地描述剑麻纤维加筋土的蠕变特性。此研究结果可为膨胀土工程提供理论参考。

棕榈纤维加筋土抗剪强度特性及机理研究

为改善客土喷播后边坡浅层土体强度较低的问题,对棕榈纤维加筋土开展不固结不排水(Unconsolidated Undrained, UU)三轴试验,研究棕榈纤维加筋土在纤维掺量为0.35%、0.55%、0.75%、0.95%,纤维长度为5 mm、10 mm、20 mm、30 mm下不同加筋条件组合对土体抗剪强度特性的影响及其加筋机理.试验结果表明:在粉质黏土中掺入棕榈纤维可以显著提高土体的强度和抗变形能力.极限主应力差在纤维掺量为0.75%、纤维长度为20 mm时达到峰值,较素土提高172.9%;纤维掺量和长度等因素对黏聚力提升显著,较素土提升149.6%.对内摩擦角影响较小,在3°以内变化;对棕榈纤维进行SEM扫描电镜下观察后发现,棕榈纤维表面的沟槽可以增大纤维与土颗粒间的界面摩擦力和咬合作用,从而可以改善土体抗剪强度指标.

棕榈纤维加筋黏土的强度试验与本构模型

棕榈树在我国南方广泛种植,剥皮所得棕榈纤维具有一定的抗拉强度和较好的耐久性,近年来利用棕榈纤维加筋黏土在岩土工程中逐渐得到应用。为了研究棕榈纤维加筋黏土单轴应力状态下的力学性能、破坏形式及本构关系,选取长度分别为6、12、18 mm的棕榈纤维,按照纤维含量分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%掺入黏土中,开展棕榈纤维加筋黏土的无侧限抗压强度试验。结果表明:黏土中掺加棕榈纤维后强度增加明显,在12 mm的筋材长度和0.8%的纤维含量组合下加筋效果最优,与素土相比,加筋后强度提高27%;加筋后的黏土破坏韧性好,残余强度高,并且破坏的过程比较缓慢,其原因为纤维在土体中形成了三维土网结构,限制了土颗粒的滑移,增强土体整体性,从而使得土体具有较好的延性;引入混凝土单轴受压应力-应变模型,分析棕榈纤维加筋黏土的无侧限抗压强度试验,将试验数据与模型曲线进行拟合,发现模型结果与试验结果具有良好的一致性。研究成果对棕榈纤维加筋土在岩土工程中的应用具有重要借鉴作用。

基于单根纤维拉拔试验的波形纤维加筋土界面强度研究

纤维/土界面间的力学作用特性是决定纤维加筋土工程性质的关键因素。为了改善纤维/土界面作用力,开发了一种新型的波形纤维作为加筋材料,并自主设计了一套拉拔试验装置,对单根纤维加筋土开展了多组拉拔试验,定量获得了波形纤维加筋土的拉拔特性及界面剪切强度,通过与传统直线形纤维对比,分析了波形纤维/土界面的力学作用机理,并从理论上探讨了波形纤维的最大临界加筋长度。结果表明:提出的单根纤维拉拔试验方法及设计的试验装置为研究纤维/土界面力学作用提供了有效的途径,试验结果具有较好的可重复性;直线形纤维的拉拔曲线呈典型的单峰特征,拉力达到峰值后迅速减小到残余值并逐渐趋于稳定,而波形纤维的拉拔曲线呈显著的多峰特征,曲线波长与纤维的波长基本一致;通过对比,波形纤维/土界面剪切强度明显高于直线形纤维,强度值提高了178%,极大改善了纤维的加筋效果,此外,波形纤维拉拔曲线各峰值对应的界面剪切强度及残余剪切强度随拉拔位移呈指数递减趋势;利用测得的纤维/土界面剪切强度,结合纤维自身的抗拉强度和一些假设条件,能确定纤维的最大临界加筋长度,对实际工程设计有一定参考意义。

聚丙烯纤维加筋和石灰改良昔格达土工程性质试验

为探讨聚丙烯纤维加筋和石灰共同改良攀西地区昔格达土的工程性质,在昔格达土中掺入不同含量长度为2.5 cm的聚丙烯纤维,制备不同聚丙烯纤维掺量石灰改良土样,然后进行有荷膨胀试验、无侧限抗压试验和直接剪切试验。结果表明:聚丙烯纤维加筋不仅可减小石灰土的膨胀性,还可以改善昔格达土的抗压、抗剪和变形等力学特性;直剪试验表明,聚丙烯纤维加筋石灰土颗粒与聚丙烯纤维之间的摩擦力增大,使土样的黏聚力明显增大。结论:聚丙烯纤维加筋能有效改善石灰昔格达土的工程性质,当掺入0.3%的聚丙烯纤维时石灰昔格达土的聚丙烯纤维加筋效果最佳。

纤维加筋土工程性质研究进展

纤维加筋是一种新型的土体改良技术,是指将分散的纤维丝均匀掺入土体中,达到提高土体的工程力学性能的目的。本文根据国内外近20a来在该领域取得的成果,着重对纤维加筋材料、纤维加筋土的工程性质及加筋机理等方面的研究进展进行了介绍。在纤维加筋材料方面,主要有人工合成纤维和自然纤维两种;在纤维加筋土工程性质方面,纤维加筋能有效提高土体的抗剪、抗压、抗拉强度和承载力,增加土体的破坏韧性和渗透性,降低膨胀土的胀缩性和裂隙发育程度;在纤维加筋机理方面,目前主要认为纤维的加筋效果主要取决于纤维-土界面的力学作用,即界面黏聚力和摩擦力。最后,针对目前纤维加筋土的研究不足,提出了今后该领域的研究重点和方向,主要包括:开发简单可行的纤维土施工器具和工艺、开发更专业的纤维产品和降低纤维成本、开展大尺度模型试验和现场试验、纤维-土界面作用机理研究、纤维加筋土的破坏和失效机理研究、纤维加筋土的力学模型及计算理论研究、纤维加筋土的动力学特性研究等。

玄武岩纤维加筋黏土的剪切强度特性

为了了解玄武岩纤维加筋黏土的剪切强度特性,将玄武岩纤维丝均匀地掺入黏土中,在控制含水率和干密度的条件下,进行了直剪试验,并借助扫描电镜,从微观层面对剪切面上的土体进行了观察。试验中,按纤维与干土质量的百分比0.0%,0.15%,0.25%,0.35%配制了试样,并从400 k Pa压力下的剪切面中选取代表性土样进行微观测试。直剪试验结果表明:随着纤维掺量的增加,土样的黏聚力c不断增大;和素土相比,在掺量不超过0.25%时,加筋土样的内摩擦角φ变化不大,当掺量达到0.35%时,内摩擦角φ有突然且较为显著的增大。SEM结果表明:掺量为0.25%时,纤维在土体中的离散程度最高,纤维与土体间的作用方式主要为握裹作用和纤维网作用;剪切过程中,纤维在土体中易发生滑移和磨损,其中玄武岩纤维的磨损不同于其它纤维,主要表现为端部的磨损,表面仍较为平整。

纤维加筋非饱和黏性土的剪切强度特性

纤维加筋是近些年发展起来的一种土质改良技术,系统掌握纤维加筋土的力学性质对评价纤维加筋土工程的稳定性和进一步推广该技术在工程中的应用具有重要意义。为了了解纤维加筋的剪切强度特性,以非饱和黏性土为研究对象,以聚丙烯纤维为加筋材料,在控制含水率和干密度条件下开展了一系列直剪试验。借助扫描电镜,从微观的角度探讨了纤维的增强机理,并对相关宏观力学性质进行了分析。结果表明:纤维加筋能有效提高土体的抗剪强度,且抗剪强度随纤维掺量的增加而增加;相对于内摩擦角,纤维对黏聚力的增强效果要明显得多;纤维加筋土的抗剪强度随含水率的增加而减小,随干密度的增加而增加;总体上,低含水率和高密实度条件有利于发挥纤维的拉筋效果,提高纤维对强度的贡献。此外,纤维加筋在提高土体峰值剪切强度的同时,还能增加土体破坏时对应的应变及破坏后的残余强度,改善土体的破坏韧性。由扫描电镜分析可知,单根纤维一维拉筋作用和纤维网三维拉筋作用是纤维加筋土的主要增强机理,增强效果则取决于纤维–土界面力大小;剪切面上的纤维在剪切过程中呈现拔出和拉断两种失效模式。

纤维加筋粘性土的试验研究

本文通过对纤维加筋粘性土的剪切试验、拉伸试验、断裂韧度测定试验和水力劈裂试验等系统的试验研究，指出纤维加筋能显著提高粘性土的抗剪强度，增加其在拉应力作用下的塑性和韧性．由于纤维加筋粘性土在受拉时表现为裂而不断，这就能防止土工建筑物由于开裂和渗透而造成的整体破坏，增强了其自愈的能力．

一种纤维加筋土的两相本构模型

纤维加筋土具有较好的应用前景,其应力应变本构关系是工程分析与设计的基础。将纤维加筋土考虑为基本相和纤维相的组合体,分别采用修正剑桥模型和线弹性模型,考虑了大应变时纤维加筋土的屈服,引入了加筋土的合理强度模型作为破坏准则,从而建立了纤维加筋土的一种两相本构模型。同时,开展了纤维体积含量为1%的加筋砂的三轴固结排水剪切试验,对该两相本构模型进行了验证。

纤维加筋土的动力特性试验研究

研究用聚丙烯纤维加筋粘性土抵抗静动荷载作用下土体发生张拉裂缝的功能。试验研究结果表明，纤维加筋土的静动力抗张拉、抗断裂性质，诸如极限拉应力、极限技应变、动强度、动模量、临界断裂韧度等，与素土相比都有很大的提高。由此说明纤维加筋粘性土是一种比较理想的土坝防渗抗震填料。

纤维加筋市政污泥固结特性试验研究

城市内河环境整治及清淤过程中往往产生大量污泥,安全高效处理和处置这类市政污泥并实现资源化利用对改善城市生态环境和经济可持续发展具有重要意义。污泥具有高含水率、高孔隙比和高压缩性等特点,由于其含有较多有机质和细颗粒,一般难以通过机械脱水达到减容的目的。因此,提高污泥的脱水速率和改善其固结特性是实现污泥安全处置及资源化利用的首要任务,也是目前该课题的研究难点。本文提出了一种离散短丝纤维加筋技术,为了研究该技术对污泥固结特性的影响,对不同纤维掺量(0,0.05%,0.1%,0.2%,0.4%和0.8%)的污泥进行了一系列固结压缩试验,分析了固结过程中纤维掺量对固结系数和渗透系数的影响。结果表明:在相同的荷载条件下,随着纤维掺量的增加,试样的压缩量、孔隙比变化显著增加,固结时间和压缩系数相对减小,且当纤维掺入量为0.1%时变化最显著,为最优掺量。此外,研究结果表明,纤维的掺入增大了污泥的固结系数和渗透系数,固结效率和固结效果得到明显改善。

纤维加筋土中筋/土界面相互作用的微观研究

纤维与土体界面之间的相互作用对纤维加筋效果有着重要的影响,了解接触面之间力的产生和传递过程对合理有效地利用纤维改良土体的工程性质有着重要的意义。为了研究聚丙烯纤维在不同的土介质中筋/土界面间的微观力学作用机理,运用扫描电子显微镜(SEM)分别分析了纤维在素土、水泥土和石灰土中的表面形态学特征及接触面之间力的产生和传递过程。结果表明:纤维的加筋效果取决于筋/土界面作用强度,筋/土界面之间的力学作用主要有2种形式:黏接和摩擦;界面黏结力和摩擦力大小受土质条件和界面接触条件的影响;在纤维加筋素土中,筋/土界面作用力主要来自纤维表面与黏土颗粒的相互作用;在纤维加筋水泥土中,纤维主要与水泥水化产物发生作用,筋/土界面作用力以黏结力为主;在纤维加筋石灰土中,纤维表面发生严重的挤压变形,筋/土界面作用力以摩擦力为主。

微生物固化纤维加筋砂土抗剪强度试验研究

微生物固化(MICP)技术能显著提高土体的抗剪强度,但微生物固化土体也存在脆性破坏特征显著的缺陷。向待固化砂土中掺入一定量的纤维,以改善微生物固化砂土的脆性破坏特性,并基于固结排水三轴试验研究了微生物固化纤维加筋砂土的抗剪强度特性,在此基础上探讨胶结次数、纤维含量、纤维长度以及试样初始相对密实度等参数对微生物固化纤维加筋砂土剪切特性的影响。最后,结合电镜扫描测试探究纤维加筋对微生物固化砂土剪切特性影响的内在机理。结果表明:MICP过程中,碳酸钙晶体能有效沉积在纤维表面,提高其表面粗糙度,且碳酸钙与砂的混合体能对纤维提供锚固作用,从而在一定程度上提高微生物固化砂土抗剪强度,并改善其应变软化特性,纤维具备改善微生物固化土体脆性破坏特征的潜力。

纤维加筋土中单根纤维的拉拔试验及临界加筋长度的确定

纤维加筋土物理力学性质主要受纤维与土界面之间作用力大小的控制,了解界面的微观力学行为对研究纤维加筋土的机制及工程应用具有重要意义。首先,利用自行设计的纤维拉拔试验装置,对不同含水率和不同干密度的土样进行了单根纤维的拉拔试验,测试并计算了单根纤维与土接触面之间的剪切强度和残余剪切强度,分析了含水率和干密度大小对它的影响。结果表明,设计的试验装置和试验方法能较好地进行单根纤维的拉拔试验,具有较高的准确性和精度。获得了纤维加筋土中界面剪切强度和残余强度与土样含水率和干密度之间的定量关系;分析拉力-位移曲线表明,加筋土中纤维的拉拔特性取决于筋土界面的力学行为,曲线的形状受含水率和干密度的影响不明显。最后,利用测得的筋土界面强度导出了纤维加筋的临界长度。

纤维加筋土和素土边坡的离心模型试验研究

对两种不同密度粘性土的素土和纤维加筋土直立边坡进行了离心模型试验研究，并用毕晓普法进行了稳定分析，所观测到的边坡破坏形式、破坏过程以及稳定分析计算结果对推广这种加筋形式，认识相关工程问题是很有意义的。

纤维加筋土界面渐进性破坏模型

为了更深入地揭示解纤维加筋土的破坏机理,研究纤维加筋土中纤维和土体的相互作用机理.提出利用纤维/土体界面切应力-切应变的三参数模型,描述离散纤维在加筋土中的渐进性破坏特性.该模型将单根纤维在加筋土中的拉拔过程分为5个典型阶段,给出各个阶段纤维轴力、位移、界面切应力的解析解.通过单根纤维拉拔试验,验证了该模型的有效性.提出用2个拉拔过渡阶段产生的位移占总位移的比值来评价界面的渐进性破坏特征,对相关的影响因素进行一系列的参数分析.结果表明:纤维的长径比越大或纤维弹性模量与纤维/土体界面剪切刚度比越小,则纤维/土体界面渐进性破坏特征越显著.由该模型得到的纤维/土体界面力学指标可以作为纤维加筋土力学模型的输入参数,通过单独评价土体强度与纤维/土体界面强度来反映纤维加筋土的宏观力学特性.

碳纤维加筋板的超声相控阵C扫描检测可靠性研究

碳纤维加筋板结构在现代航空器中被大量应用,超声波相控阵C扫描技术是这类结构在役环境下的有效检测手段之一,被广泛应用。对于同一个损伤,在实际检测中会出现从不同的方向检测结果不一致的现象;这种现象在传统单点超声波C扫描检测中是不会发生的。本文从试验件表面曲率、缺陷特性等方面对这种不一致性进行了分析和探讨,并给出了避免这一类不确定性发生的建议。