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。

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.

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。

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。

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。

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。

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.

随机分布剑麻纤维加筋土力学性能试验研究

把剑麻纤维剪切为0.5、1.0、1.5cm,并分别按0.2%、0.4%、0.6%的质量百分含量掺入到粘土中,对剑麻纤维加筋土进行无侧限抗压试验和直接剪切试验,并与未掺入剑麻纤维的初始土样的无侧限抗压强度与直接剪试验结果进行对比。试验结果表明,剑麻纤维的掺入可以有效提高粘性土的无侧限抗压强度和抗剪强度;当剑麻纤维的含量和长度达到一定值后,其中1组的无侧限抗压强度值和抗剪强度值要大于另3组对应的无侧限抗压强度值和抗剪强度值。

不同种类纤维加筋土力学性能试验研究

通过对碳纤维加筋土、玻璃纤维加筋土和聚丙烯纤维加筋土进行直剪试验和无侧限抗压强度试验,得到了不同种类纤维对土体力学性能增强效果的差异。并对3种纤维进行了表面微观观察和拌和效果的比较,总结3种纤维表面物理性质与分散性的异同,分析补强效果差异产生的原因。试验结果表明:试验所用的3种纤维中,碳纤维表面最为粗糙,玻璃纤维与聚丙烯纤维表面较为光滑;在纤维长度12mm、纤维掺量0.3%的条件下,聚丙烯纤维对土体强度补强效果最好,玻璃纤维和PAN基碳纤维相对较差。

软弱土路堤的玻璃纤维加筋土加固技术

玻璃纤维加筋土加固软弱土路堤是一种有前途的技术。根据准黏聚力原理,推导玻璃纤维加筋土路堤边坡稳定安全系数公式,分析玻璃纤维参数和边坡高度等因素对加固路堤稳定性的影响规律,确定玻璃纤维加筋土加固路堤主要参数。研究表明,玻璃纤维加筋土边坡稳定安全系数随着纤维掺入量、纤维长度的增大而增大,安全系数与纤维参数呈非线性关系,加固软弱土路堤的玻璃纤维的最优掺入量为1‰和最优长度为5 cm,安全系数与边坡高度呈非线性地负增长关系。采用多元非线性回归方法分析不高于8 m的全厚度加固路堤稳定安全系数,建立考虑多因素影响的安全系数经验公式。计算多个工况加固路堤的稳定性,其结果与采用极限平衡方法的结果基本一致。

纤维含量及长度对纤维加筋土强度的影响研究

纤维能随机分布在土体中,有助于增强纤维土复合体的力学性能,将其应用于路堤边坡处理工程中已取得良好效果,但目前关于纤维加筋土配合比的研究还难以量化。选取纤维含量和纤维长度(纤维含量为0%、0.1%、0.2%、0.3%,纤维长度为1.5cm、2.0cm、2.5cm)两个参数开展纤维加筋土无侧限抗压强度试验、直剪试验,研究聚丙烯纤维加筋土的抗压、抗剪和变形特性,揭示纤维含量和纤维长度对加筋土变形特征、强度特征和抗剪强度指标的影响规律,并研究纤维加筋土的最优配合比。结果表明:纤维的加入能改善土体的抗压、抗剪和变形特性,纤维能提高土体的内聚力,但对内摩擦角几乎没有影响;当纤维含量为0.2%、纤维长度为2.5cm时,纤维的加筋效果得到最大程度的发挥。该研究可为采用纤维加固路堤边坡工程提供设计依据,具有重要的工程意义。

以扫描电镜与核磁共振指标评价冻融纤维加筋土的抗压强度

冻融循环破坏了土的结构,降低了土的力学性能。完成了石灰固化土与纤维加筋固化土的冻融试验、无侧限抗压试验、扫描电镜(scanning election microscopy,简称SEM)观察与核磁共振(nuclear magnetic resonance,简称NMR)测试,探讨冻融循环对土的强度与微结构的破坏作用,以微结构指标评价土的抗压强度变化。结果表明:石灰固化土与纤维加筋固化土的抗压强度均随冻融次数的增加而降低,土的冻融破坏过程经历了降幅较大、降幅较小、降幅平缓与强度稳定4个阶段;含水率越大,冻融次数越多,纤维对土的增强效果越明显;掺加纤维延缓了微裂隙的形成与发展,降低了裂隙的贯通率;随着冻融次数的增加,孔隙率与孔径均增大,冻胀使得部分小孔隙联通为中孔隙和大孔隙。纤维对土的空间约束作用与筋土摩擦作用使得土的孔隙率与孔隙分布特征变化较小,纤维加筋固化土的强度与抗冻融性能优于固化土。

纤维加筋土计算的新方法

把筋材的作用等效成附加应力（等效附加应力）作用在上骨架上，从而可以把加筋土当成素土来计算。这种新的计算方法思路明晰，参数推求简单，并可利用现有的土的本构模型，不需要针对加筋土引进新的模型。笔者在以往工作的基础上，通过试验，把附加应力的计算与加筋方向上的应变直接建立关系，给出了求取参数的办法，从而使进一步的有限元计算比较容易实现。

纤维加筋土计算方法的研究

纤维加筋土是一种三维加筋的复合体，无法分离出筋、土的界面作用关系，所以无法用考虑筋、土、界面三者相互作用的方法进行计算。把纤维加筋土当成复合材料进行计算，需要根据纤维和土的应力应变关系，通过理论推导或试验，建立加筋土复合体的本构模型，这种复合材料的本构模型往往比较复杂。本文提出的等效附加应力法可以利用已有的素土的本构关系模型，不需建立新的模型，能够简单方便地用于纤维加筋土乃至一般加筋土的数值计算。

纤维加筋土边坡的计算机模拟

为了认识纤维加筋土边坡的破坏机理 ,针对模拟模型 ,采用离散单元法模拟纤维加筋土直立边坡受荷载作用时其内部裂隙的产生和发展过程 ,得出裂隙是从底层与纤维的结合面处产生并逐步向上扩展的结论。

循环荷载下纤维加筋土与结构界面剪切特性研究

目前对于纤维加筋土体与结构界面的循环弱化影响规律尚需进一步研究。为此,针对循环剪切荷载下加筋结构力学特性变化规律,使用自主研发的大尺度恒刚度界面剪切仪,开展了纤维加筋土与结构界面在循环荷载作用下的力学特性试验研究。研究发现,界面剪应力、法向应力与剪切位移关系曲线分别呈“滞回环”和“碟”状发展,随循环次数的增加衰减速率逐渐减小,且峰值均出现在最大位移处。应力路径曲线呈“蝴蝶环”状发展,加入砂的土样界面摩擦角偏大。此外,由于纤维对土颗粒的约束作用,加筋土体的循环弱化程度小于非加筋土体。通过研究循环荷载下纤维加筋土与结构界面剪切特性,揭示了循环荷载作用下界面受力变形的规律和机理,为实际工程的应用提供参考。

条形基础下纤维加筋土地基承载力初探

在岩土问题分析中 ,一直采用莫尔—库伦强度理论 ,由于该理论适用于单一材料、且不考虑中间主应力︴2 的影响。

纤维加筋土陡坡绿化影响因素试验研究

针对工程建设中出现的高陡边坡问题,开展了纤维加筋土对边坡绿化影响的研究。通过室外纤维加筋土模拟边坡绿化试验,对比了4种纤维含量,2种纤维长度和4级边坡坡率等因素影响下狗牙根的绿化效果。研究得出,纤维含量为0.2%的加筋土对植物初期生长有促进作用,长度为15 cm、含量为0.2%的纤维对植物的促进作用较其他配比的土样更为明显。对纤维加筋土边坡进行绿化不仅提高了边坡稳定性,还能修复因边坡开挖而破坏的生态环境。研究结果可供生产建设项目边坡绿化工作参考。