广州大学 广东广州 510006
摘要：对大变形敏感的沙丘砂是一种有用的路面建筑材料。沙子可以很容易地用合成纤维加固，以增加它的刚度和承载能力。本研究旨在研究聚丙烯纤维增强砂的弹性行为。对纤维增强砂和非增强砂进行了三轴、加利福尼亚承载比(CBR)和弹性模量试验，并对试验结果进行了比较。最佳纤维含量按重量计为0.4%。纤维增强砂土试件的三轴抗剪强度表明，砂土试件的破坏形式有两种：纤维-砂胶合破坏和纤维破坏，内摩擦角随破坏形式的不同而不同。合成纤维增强砂比未增强砂具有更大的CBR值。从弹性模量模型参数出发，研究了纤维增强对弹性模量的影响。总的来说，模型参数在0.2-0.4%的纤维含量范围内，均表现出偏应力和限制应力对MR值的减小作用。纤维的加入降低了试样的永久变形，随着纤维含量的增加，试样的永久变形减小。
关键词：纤维；钢筋；聚丙烯；弹性模量；沙丘砂
0引言
在沙特阿拉伯，由于缺乏高质量的道路建设材料，因此造价昂贵，然而，沙丘砂却十分丰富。为了在道路建设中充分利用沙子，提高沙丘砂的工程性能显得越来越重要。传统上，波特兰水泥被用来稳定建筑工程中使用的沙子。水泥处理砂的工程性能取决于压实过程中的含水率，因此施工过程中必须严格控制含水率。含水量的变化往往伴随着沙的渗透性和延展性的降低。土工合成材料作为一种替代材料被广泛应用于道路建设中，以稳定柔性路面下的砂土。合成纤维强化的能力改善砂的行为已经证明了Al-Refeai(1991)使用三轴测试，Noorany和Uzdavines(1989)使用循环三轴试验，并使用扭转剪切测试。这些研究表明，纤维包裹体提高了加筋砂的极限强度和刚度、CBR、抗液化能力以及剪切模量和阻尼。Lindh和Eriksson(1991)用合成纤维增强的沙子在道路人行道上进行了交通条件下的全尺寸试验。试验结果表明，该路面的强度和变形性能均有显著提高，纤维增强砂的混合、输送和压实均无任何困难。尽管实验室实验和实践表明，随机分布的纤维在静态或动态载荷下作为砂加固的有益贡献，然而AASHTO(1993)设计程序认为弹性模量是表征路面材料变形特性的基本特性。本研究对聚丙烯纤维增强砂的弹性行为进行了研究。考虑了侧向应力和偏应力以及纤维性能对纤维增强砂体弹性模量的影响。
1实验研究
在本实验中，我们使用了一种均匀的、细的、子环形的沙丘沙，用手将沙子和纤维充分混合在一起，确保纤维均匀、随机地混合到沙粒中。在输送混合料和形成试样的过程中，为了避免偏析，必须对砂土进行湿润处理。为此选择了5%的含水量。采用不同纤维含量的0、0.2、0.4、0.6、0.8和1%的重量(砂干重)。主应力比(σ1 /σ3)纤维增强砂标本决心使用排水三轴压缩试验。试验是在直径为100mm，高度为200mm，围压为30-300kPa的试样上进行的。用固定在三轴室下压板上的分模内的钢棒将沙-纤维混合物捣成四层制备试样。该方法简单易行，减少了试件的扰动。将每个试样压实到CBR试验中得到的相应密度。压实方法包括对每层夯土的数量进行试错调整。垂直荷载以大约0.5mm/min的位移速率施加。循环、三轴弹性模量测试使用H&V材料研发公司(美国俄勒冈州Corvallis)生产的设备和软件进行，该设备和软件具有10kN的轴向加载致动器容量。采用气动系统施加负荷持续时间为0.1秒、松弛周期为0.9秒、频率均为1Hz的哈福斯型应力脉冲。采用两台外置线性变位移变压器(LVDTs)测量轴向变形。试件尺寸及压实方法与三轴试验相同。首先，按照AASHTO T294-92I 2型土回弹模量试验规程对无筋砂试件进行了多次回弹模量试验。许多标本失败之前测试完成在低围压应力(0kPa)或偏应力高,主应力比σ1 /σ3超过了主应力比规范。这导致了超过30%的数据丢失。因此，本研究按照修改后的AASHTO T294-92I试验规程进行弹性模量试验。
2实验结果
纤维增强试件的破坏包络具有双线性形式。破坏包络坡上的断点对应于临界围压应力，其大小取决于展弦比，以及纤维的刚度和表面摩擦性能，而与纤维含量无关。在低围压应力下，纤维发生滑移，在高围压应力下，纤维发生断裂。σ1/σ3的比值失败值是4.20，无钢筋与纤维增强标本当围压应力大于65 kPa。
纤维加筋试件发生粘结破坏后的抗剪强度表现为表观摩擦角大于未加筋试件。纤维-时抗剪强度包络线的平行位移纤维屈服破坏的加筋试样表明纤维对砂土的摩擦性能没有影响。干密度随着纤维含量的增加而增加，当达到0.4%的最佳纤维浓度后(即纤维含量达到最大值而不引起砂土空隙的增加)干密度下降。当纤维含量大于0.8%时，由于纤维的加入增加了试样的孔隙率，使干密度减小，直至小于未加筋试样的干密度。无筋砂试件的试验结果是典型的沙丘砂，其峰值强度在渗透2.5-5mm时得到。对于0.2-0.4%的纤维增强砂样，应力值随着渗透值的增大而增大，在渗透5mm时达到最大值，超过5mm时应力值再次增大主要保持不变或略有增加。0.6到0.8%的纤维增强砂样是典型的应变硬化材料，砂的变形引起纤维的拉伸，使纤维的抗拉强度发生变化，这可以解释增强试样的强度随深度增加而逐渐增加的现象。因此纤维中的拉伸约束引起了附加的砂约束，另一方面，未加固试件具有应变软化特性。然而，这些渗透值可能不能真正代表现场条件下纤维加固的充分动员(Take et al.1997)。未加固砂的CBR值在渗透2.5mm时约为13%，随着渗透的增加而降低。与Lindh和Eriksson(1991)报道的结果不同，在目前的研究中，纤维在2.5mm和5mm的范围都增加了CBR值。当纤维含量为0.4%时，纤维B和纤维G的CBR值分别增加了68和80%。然而，如果纤维长度减少50%，即从50毫米减少到25毫米，那么样本中的纤维数量必须增加一倍才能保持相同的重量比。这可能是因为，随着纤维长度的增加，长宽比或表面积(纤维表面积与纤维体积之比)增加，从而改善了沙-纤维的相互作用。
3结论
从目前的研究中可以得出的主要结论如下:
（1）与未加固的砂试件相比，纤维增强砂试件粘结破坏的特征是摩擦角增大。另一方面，纤维屈服引起的剪切破坏，其特征是摩擦角与未加筋砂试件的摩擦角相等。
（2）推荐的AASHTO T294-92I型材料测试方法似乎不适用于来自沙特阿拉伯的沙丘砂。本研究采用的方法似乎更适合于沙丘砂的弹性模量测试。
（3）纤维的掺入增加了沙丘砂的CBR值，且CBR值的提高比未加筋砂保持了更大的渗透范围，最佳纤维含量约为0.4%。
（4）确定纤维增强沙丘砂的纤维含量-密度关系，为选择最佳纤维含量和评价某型合成纤维的CBR和弹性模量特性提供了可靠的依据。
（5）聚丙烯纤维加固有效地提高了沙丘砂的含水率，稳定沙丘砂的最佳纤维用量约为0.2-0.4%。
（6）在纤维含量为0.2-0.4%的范围内，偏应力和围压应力对纤维增强砂试件的mr值影响最小。
（7）当纤维长宽比(纤维长度/纤维直径)较大时，沙丘砂的MR值和CBR值均有所提高。
参考文献
[1]AASHTO, 1982, “AASHTO Materials, Part I, Specifications” American Association of State Highway and Transportation Officials Washington, DC, 1094 p.
[2]AASHTO, 1992, “Interim Method of T est for Resilient Modulus of Unbound Granular Base/Subbase Materials and Subgrade Soils - SHRP Protocol P46” Report No.T294-92I, American Association of State Highway and Transportation Officials Washington, DC, pp.52-65.
作者简介：潘添(1994-)，男，汉族，江西上饶人，广州大学硕士研究生，研究方向:建筑与土木工程