为了分析玄武岩纤维加筋黄土的动力特性，通过开展动荷载作用下三轴固结不排水剪切试验，针对含水率为13%的加筋土试样，分析纤维长度、纤维含量、围压及循环应力比等因素对玄武岩纤维加筋黄土抗剪强度的影响得出结论，随着纤维长度的增加，纤维加筋土的动强度随之增加，且加筋土强度明显高于素土。当纤维长度一定时，随着纤维含量的提高，纤维分布更加均匀，受力更加稳定。随着围压的增加，纤维加筋土的动强度逐渐提高。在不同循环应力比下，素土与纤维加筋土的动应变均表现不同状态。且当循环应力较大时，素土与纤维加筋土的破坏时间也大大缩减。结合试验结果得出，动荷载下玄武岩纤维加筋土的最优长度为16 mm，最优含量为0.8%。上述研究对于提升黄土强度有重要参考价值。 In order to analyze the dynamic characteristics of basalt fiber reinforced loess, a triaxial consolidated undrained shear test was carried out under dynamic load to analyze the effects of fiber length, fiber content, confining pressure and cyclic stress ratio on the shear strength of basalt fiber reinforced loess with a water content of 13%. The results showed that with the increase in fiber length, the dynamic strength of fiber reinforced soil is increased, and the strength of reinforced soil is obviously higher than that of plain soil. When the fiber length is fixed, the fiber distribution is more uniform and the force is more stable with the increase in fiber content. With the increase in confining pressure, the dynamic strength of fiber reinforced soil increases gradually. Under different cyclic stress ratios, the dynamic strain of plain soil and fiber reinforced soil is different. When the cyclic stress is high, the failure time of plain soil and fiber reinforced soil is reduced greatly. Combined with the test results, the optimal length of basalt fiber reinforced soil under dynamic load is 16 mm and the optimal content is 0.8%. The above research has important reference value for improving loess strength.
为了分析玄武岩纤维加筋黄土的动力特性，通过开展动荷载作用下三轴固结不排水剪切试验，针对含水率为13%的加筋土试样，分析纤维长度、纤维含量、围压及循环应力比等因素对玄武岩纤维加筋黄土抗剪强度的影响得出结论，随着纤维长度的增加，纤维加筋土的动强度随之增加，且加筋土强度明显高于素土。当纤维长度一定时，随着纤维含量的提高，纤维分布更加均匀，受力更加稳定。随着围压的增加，纤维加筋土的动强度逐渐提高。在不同循环应力比下，素土与纤维加筋土的动应变均表现不同状态。且当循环应力较大时，素土与纤维加筋土的破坏时间也大大缩减。结合试验结果得出，动荷载下玄武岩纤维加筋土的最优长度为16 mm，最优含量为0.8%。上述研究对于提升黄土强度有重要参考价值。
玄武岩纤维，黄土，循环应力比，纤维长度，纤维含量，围压
Tongkun Zhao, Yiyi Li, Yihan Wang, Xinshuai Zhang, Ruizi Gao, Gang Li*
Shaanxi Key Laboratory of Concrete Structure Safety and Durability, Xijing University, Xi’an Shaanxi
Received: Jan. 23rd, 2023; accepted: Feb. 13th, 2023; published: Feb. 27th, 2023
In order to analyze the dynamic characteristics of basalt fiber reinforced loess, a triaxial consolidated undrained shear test was carried out under dynamic load to analyze the effects of fiber length, fiber content, confining pressure and cyclic stress ratio on the shear strength of basalt fiber reinforced loess with a water content of 13%. The results showed that with the increase in fiber length, the dynamic strength of fiber reinforced soil is increased, and the strength of reinforced soil is obviously higher than that of plain soil. When the fiber length is fixed, the fiber distribution is more uniform and the force is more stable with the increase in fiber content. With the increase in confining pressure, the dynamic strength of fiber reinforced soil increases gradually. Under different cyclic stress ratios, the dynamic strain of plain soil and fiber reinforced soil is different. When the cyclic stress is high, the failure time of plain soil and fiber reinforced soil is reduced greatly. Combined with the test results, the optimal length of basalt fiber reinforced soil under dynamic load is 16 mm and the optimal content is 0.8%. The above research has important reference value for improving loess strength.
Keywords:Basalt Fiber, Loess, Cyclic Stress Ratio, Fiber Length, Fiber Content, Confining Pressure
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黄土具有很强的湿陷性，受水浸湿后容易产生较大的沉陷，而我国黄土的分布面积达全国土地面积的百分之六，有五十四万平方公里。黄土高原是地震多发区，黄土的不稳定性也是我们需要解决的工程问题。吕立强等 [
为了研究玄武岩纤维加筋黄土的动力特性，通过开展三轴固结不排水试验，分析纤维长度、纤维含量、围压及循环应力等因素对于加筋黄土动力特性的影响。研究成果对于提高黄土强度、减少黄土地区地震多发、解决工程问题具有重要的参考价值。
试验黄土取自西安市长安区某建筑工地，取土深度为2.5 m，土体呈黄褐色，土质均匀，其主要物理性质指标见表1。
| Gs | ρ (g/cm3) | w (%) | wL(%) | wP(%) | IP |
|---|---|---|---|---|---|
| 2.75 | 1.48 | 15.2 | 23.8 | 13.7 | 10.1 |
表1. 黄土物理性质
玄武岩纤维购自海宁安捷复合材料有限责任公司，纤维表面光滑，呈古铜色，拆解后呈毛绒状，可沉于水中，其主要物理力学性质见表2。
| 直径D (μm) | 抗拉强度Fb(MPa) | 弹性模量E (GPa) | 密度ρ (g/cm3) | 断裂延伸率Fe(%) |
|---|---|---|---|---|
| 10 | 3500~4500 | 100 | 2.65 | 2.2 |
表2. 玄武岩纤维物理力学性质
首先取原状风干黄土样用橡皮锤碾碎，过2 mm筛后留存备用。将玄武岩纤维拆解成毛绒状，取特定长度与掺量的纤维与干土均匀搅拌，再加入适量水配置成特定含水率下的加筋土。试样尺寸为50 mm × 100 mm (直径 × 高度)，参考土工试验方法标准(GB/T50123-2019)，分5层进行制样，层与层之间进行刮毛处理，制样流程见图1。
图1. 制样流程图
为了分析玄武岩纤维加筋黄土的动力特性，采用GDS DYNTTS型土体动三轴试验机(英国GDS)开展三轴固结不排水试验。依据土工试验方法标准(GB/T 50123-2019)，试验采用应力控制加载方式，频率设定为1 Hz，循环设定1000次，每个循环记录100个数据点，当轴向应变达到5%时停止试验。针对含水率为13%的加筋土试样，通过调整试样围压(25 kPa、50 kPa及100 kPa)、纤维长度(4 mm、8 mm、12 mm及16 mm)、纤维含量(0.2%、0.4%、0.6%及0.8%)及循环应力比(0.15与0.20)，来分析各影响因素对于加筋土抗剪强度的影响，试验方案见表3，试验过程中针对每组试样设置3次重复试验，以确保循环动荷载下试验数据的准确性、可靠性。
| 围压σ3/kPa | 纤维长度FL/mm | 纤维含量FC/% | 频率/HZ | 循环应力比CSR |
|---|---|---|---|---|
| 25 | 0 | 0 | 1 | 0.15, 0.20 |
| 4 | 0.8 | 1 | 0.15, 0.20 | |
| 8 | 0.8 | 1 | 0.15, 0.20 | |
| 12 | 0.8 | 1 | 0.15, 0.20 | |
| 16 | 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 | 1 | 0.15, 0.20 | |
| 50 | 0 | 0 | 1 | 0.15, 0.20 |
| 4 | 0.8 | 1 | 0.15, 0.20 | |
| 8 | 0.8 | 1 | 0.15, 0.20 | |
| 12 | 0.8 | 1 | 0.15, 0.20 | |
| 16 | 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 | 1 | 0.15, 0.20 | |
| 100 | 0 | 0 | 1 | 0.15, 0.20 |
| 4 | 0.8 | 1 | 0.15, 0.20 | |
| 8 | 0.8 | 1 | 0.15, 0.20 | |
| 12 | 0.8 | 1 | 0.15, 0.20 | |
| 16 | 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 | 1 | 0.15, 0.20 |
表3. 玄武岩纤维加筋黄土动三轴试验方案
图2为纤维长度对加筋土动强度–振次影响曲线。由图可见，素土与纤维加筋土的动强度均随着振动次数的增加而降低，而随着纤维长度的增加而显著提升。当围压为25 kPa时，纤维长度为4 mm、8 mm、12 mm及16 mm时加筋土的动强度相比于素土分别提高了5.9%、11.8%、24%、35.3%。当围压为50kPa时，纤维长度为4 mm、8 mm、12 mm及16 mm时加筋土的动强度相比于素土分别提高了8.3%、20.8%、
图2. 纤维长度对加筋土动强度–振次影响曲线
22.9%、62.5%。当围压为100kPa时，纤维长度为4 mm、8 mm、12 mm、16 mm时加筋土的动强度相比于素土分别提高了9.5%、13.1%、18.4%、36.8%。由此可以得出，在纤维长度较短时，纤维无法对土颗粒进行缠绕，纤维–土间的相互约束不强，当有外部荷载时纤维易被拔出。而随着纤维长度的增加，缠绕作用增强，约束作用提高，纤维对土体的加固作用越显著，最优纤维长度为16 mm。
图3为纤维含量对加筋土动强度–振次影响曲线。由图可见，纤维加筋土与素土的动强度均随着振动次数的增加而减小，且纤维加筋土的动强度曲线均高于素土的动强度曲线。当围压为25 kPa时，纤维掺量为0.2%、0.4%、0.6%及0.8%时加筋土的动强度较素土分别提高了5.9%、13.5%、23.5%、35.3%。当围压为50 kPa时，纤维掺量为0.2%、0.4%、0.6%及0.8%时加筋土的动强度较素土分别提高了4.2%、41.7%、54.2%、62.5%。当围压为100 kPa时，纤维掺量为0.2%、0.4%、0.6%及0.8%时加筋土的动强度较素土分别提高了5.3%、10.5%、23.7%、36.8%。由此可以得出，当纤维含量较少时，纤维–土接触面
图3. 纤维掺量对加筋土动强度–振次影响曲线
积小，土体的部分区域改良不显著。随着纤维掺量的增加，纤维–土接触面积增大，强度逐步得到提升，即最优纤维掺量为0.8%。
图4为围压对加筋土动强度–振次影响曲线。由图可见，素土与加筋土的动强度均随围压的提高而上升，且加筋土的动强度显著高于素土动强度。对于素土而言，50 kPa与100 kPa围压较25 kPa围压下动强度分别提高了41%、123.5%。当纤维含量为0.2%时，25 kPa、50 kPa、100 kPa围压下的加筋土较对应围压下的素土动强度分别提高了5.9%、4.1%、5.3%。当纤维含量为0.8%时，25 kPa、50 kPa及100 kPa围压下的加筋土较对应围压下素土的动强度分别提高了35.3%、62.5%、36.8%。总体来看，随着围压的提高和纤维掺量的增加，土体的动强度显著提高。主要原因在于随着围压的增大，土颗粒被挤密，纤维与土颗粒间接触更加充分，从而增强了土体的抗变形能力。此外，由于纤维在土体内均匀分布并相互交织形成复杂结构。在受到外界动荷载时，能起到连接周围土颗粒的作用，并限制土体裂缝的发展。
图4. 围压对加筋土动强度–振次影响曲线
图5为循环应力比对加筋土动应变–振次影响曲线。由图可见，循环应力比对土体的变形有显著影响。土体的动应变随着振动次数的增加先增加后逐渐趋于稳定，而随着循环应力比的增加而增大，且加筋土动应变显著低于素土。当振动达到200次后，土体的累积变形增长速率降低并趋于稳定，表明在前200次的振动过程中土体逐渐被压密，此时产生的变形是塑性变形。经过200次动荷载作用后，由于土体的低压缩性，此时的变形转为弹性变形。这一结论与高海军 [
1) 随着纤维长度的增加，纤维加筋土的动强度随之增加，且加筋土强度明显高于素土。当纤维长度较高时，纤维嵌固在土体内部较深，使得纤维与土体成为一个整体，使得受力更加均匀，从而提高试样的动强度。
图5. 动应变与振次关系
2) 随着纤维含量的增加，纤维加筋土动强度随之增大。当纤维长度一定时，随着纤维含量的提高，纤维分布更加均匀，受力更加稳定。当试样承受循环动荷载作用时，纤维较强的抗拉性能将进一步阻止试样破坏。
3) 随着围压的增加，纤维加筋土的动强度逐渐提高。当纤维长度与纤维含量一定时，随着围压的增加，土颗粒间距减小，纤维与土颗粒更紧密结合，且纤维交织形成的空间网络结构将进一步对土颗粒进行围箍，阻止试样被剪切破坏。
4) 随着循环应力比的增加，纤维加筋土的动应变随之增大，表明加筋土的动应变随着动力的增加而增大。随着围压的增加，纤维与土颗粒间的接触越来越紧密，接触点也越多，导致纤维与土颗粒间的界面力增强。当试样承受外荷载作用时，纤维会分担土体所承受的荷载，即二者共同承担外部荷载，从而进一步提高纤维加筋土的动强度。
本研究由西京学院大学生创新创业训练计划专项基金(X202212715068)资助。
赵彤锟,李依洢,王一涵,张鑫帅,高睿紫,李 刚. 玄武岩纤维加筋黄土动力特性试验研究Experimental Study on Dynamic Characteristics of Basalt Fiber Reinforced Loess[J]. 土木工程, 2023, 12(02): 149-157. https://doi.org/10.12677/HJCE.2023.122018