不同纤维对土体力学特性的影响及机理分析

doi:10.11988/ckyyb.20230507

长江科学院院报 ›› 2024, Vol. 41 ›› Issue (11): 144-150.DOI: 10.11988/ckyyb.20230507

不同纤维对土体力学特性的影响及机理分析

牛雷¹(), 吴占君¹, 徐丽娜²(), 毕苏红¹, 黄占芳³

¹ 吉林建筑大学土木工程学院,长春 130118
² 吉林建筑大学交通科学与工程学院,长春 130118
³ 山东理工大学建筑工程与空间信息学院,山东淄博 255049

收稿日期:2023-05-09 修回日期:2023-12-18 出版日期:2024-11-01 发布日期:2024-11-26
通讯作者: 徐丽娜(1986-),女,吉林通化人,副教授,博士,从事地基加固及桩基工程等方面的研究。E-mail:xulina@jlju.edu.cn
作者简介:
牛雷(1981-),男,吉林长春人,讲师,博士,从事岩土与城市地下工程等方面的研究。E-mail:niulei2016@163.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(52008185); 吉林省科技厅重点研发项目(20220203063SF)

Effect of Different Fibers on Soil Mechanical Properties and Mechanism Analysis

NIU Lei¹(), WU Zhan-jun¹, XU Li-na²(), BI Su-hong¹, HUANG Zhan-fang³

¹ School of Civil Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China
² School of Transportation Science and Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China
³ School of Civil Engineering and Geomatics, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China

Received:2023-05-09 Revised:2023-12-18 Published:2024-11-01 Online:2024-11-26

摘要/Abstract

摘要：

为了探究不同纤维对土体加固效果的影响,将玄武岩纤维和玻璃纤维分别加入同一种土中,通过无侧限抗压强度试验,对比分析2种纤维加筋土的应力-应变曲线、强度随纤维掺量和纤维长度变化的关系;通过双根纤维锚固试验,分析纤维增强土体强度的作用机理。试验结果表明:纤维加筋土的抗压强度明显大于素土的抗压强度;随纤维长度的增加,玄武岩纤维和玻璃纤维加筋土的强度均呈现先增大后减小的趋势,纤维的最优长度均为9 mm;随着纤维掺量的增加,2种纤维加筋土强度呈现波浪式变化,存在2个峰值,纤维的最优掺量均为0.5%。通过纤维锚固试验,发现双根纤维的拉拔力随纤维间距的变化而变化,当间距较小时,纤维之间存在耦合影响,拉拔力存在峰值和谷值,随着纤维间距的增大,当达到临界锚固间距后,纤维之间互不影响。

关键词: 玄武岩纤维, 玻璃纤维, 纤维加筋土, 无侧限抗压强度, 纤维锚固

Abstract:

To investigate how different fibers influence soil reinforcement, basalt fiber and glass fiber were separately added to the same soil. Unconfined compressive strength tests were performed to compare the stress-strain curves and analyze the relationship between strength and both fiber content and fiber length for the two types of fiber-reinforced soil. Additionally,fiber anchorage test was conducted to explore the mechanisms of fibers enhancing soil strength. The results demonstrate that fiber-reinforced soil exhibits significantly greater compressive strength compared to plain soil. As fiber length increases, the strength of both basalt and glass fiber-reinforced soils first rises and then falls, with the optimal fiber length being 9 mm. Similarly, increasing fiber content causes the strength of both types of fiber-reinforced soil to fluctuate, with two peaks observed; the optimal fiber content is 0.5%. The fiber anchorage tests reveal that the pull-out force of the fibers varies with changes in fiber spacing. At small spacings, fibers interact, resulting in peak and valley values of pull-out force. As fiber spacing increases and reaches a critical anchorage distance, fibers no longer affect each other.

Key words: basalt fibre, glass fibre, fiber-reinforced soil, unconfined compressive strength, fiber anchorage

中图分类号:

TU411.6土的抗压强度试验

牛雷, 吴占君, 徐丽娜, 毕苏红, 黄占芳. 不同纤维对土体力学特性的影响及机理分析[J]. 长江科学院院报, 2024, 41(11): 144-150.

NIU Lei, WU Zhan-jun, XU Li-na, BI Su-hong, HUANG Zhan-fang. Effect of Different Fibers on Soil Mechanical Properties and Mechanism Analysis[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2024, 41(11): 144-150.

图/表 16

表1 纤维的物理力学参数

Table 1 Physical and mechanical parameters of fibers

纤维类型	单丝直径/μm	抗拉强度/MPa	弹性模量/GPa
玄武岩纤维	13	2 611	85.9
玻璃纤维	11	1 240	75.0

图1 纤维外观

Fig.1 Appearances of fibers

图2 干密度与含水率关系曲线

Fig.2 Curves of dry density versus moisture content

表2 两组试样参数

Table 2 Parameters of two groups of samples

纤维长度/mm	不同纤维掺量下试验编号
纤维长度/mm	0.1%	0.3%	0.5%	0.7%
3	B1	B2	B3	B4
6	C1	C2	C3	C4
9	D1	D2	D3	D4
12	E1	E2	E3	E4

图3 静压制样装置和试验加载仪器

Fig.3 Static pressing device and loading device

图4 不同长度纤维加筋土无侧限抗压强度随纤维掺量的变化

Fig.4 Unconfined compressive strength versus fiber content of fiber-reinforced soil with varied fiber length

图5 纤维加筋土破坏后的试样

Fig.5 Failure of fiber-reinforced soil

表3 玄武岩纤维和玻璃纤维加筋土较素土的强度增长率

Table 3 Strength growth rate of basalt fiber and glass fiber reinforced soils over plain soil

纤维类型	纤维长度/ mm	不同纤维掺量的加筋土较素土的强度增长率/%
纤维类型	纤维长度/ mm	0.1%	0.3%	0.5%	0.7%
玄武岩纤维	3	24.45	4.01	44.88	9.62
	6	56.31	22.24	66.33	26.26
	9	80.36	58.12	85.37	65.33
	12	24.65	5.20	28.46	4.21
玻璃纤维	3	17.84	13.83	44.09	31.03
	6	50.30	22.24	60.92	41.08
	9	79.96	58.12	83.77	78.96
	12	14.23	5.20	19.44	13.23

图6 2种纤维不同长度下的无侧限抗压强度

Fig.6 Unconfined compressive strength of different fibers with varied length

图7 玄武岩纤维加筋土应力-应变曲线

Fig.7 Stress-strain curves of basalt fiber reinforced soil

图8 玻璃纤维加筋土应力-应变曲线

Fig.8 Stress-strain curves of glass fiber reinforced soil

图9 纤维受力示意图

Fig.9 Forces acting on fiber

图10 掺量0.5%不同纤维长度抗压强度对比

Fig.10 Compressive strengths of different fibers with varied length at fiber content 0.5%

图11 2种纤维在纤维长度9 mm时不同纤维掺量的抗压强度

Fig.11 Compressive strengths of different fibers with varied content at a length of 9 mm

图12 纤维拉拔力和纤维间距的关系

Fig.12 Relationship between pull-out force and spacing

图13 玄武岩纤维长度9 mm抗压强度变化

Fig.13 Change in the strength of 9 mm basalt fiber

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