纤维加筋土抗剪强度影响机理及本构模型研究

发布时间：2020-09-24 18:06

　　软弱土改良技术是岩土工程领域的研究重点,对结构物的安全与稳定意义重大。纤维加筋土是一种相对新型的软弱土改良技术,具有改良效果显著、工程造价低、施工方便和绿色无污染等优点,已被成功应用于路堤、挡土墙、基础和边坡防护等工程中。然而,纤维加筋土技术的文献综述表明,纤维加筋膨胀土的抗剪强度特性影响机理尚不清晰,且现有的纤维加筋土本构模型大多无法考虑纤维与土界面相互作用效应的演化规律。本文的研究目的为:(1)检验采用随机分布离散短黄麻纤维改良合肥膨胀土的变动强度特性的可行性;(2)明确纤维含量、纤维长度、纤维分布形式、制样参数(干密度和含水率)对黄麻纤维加筋膨胀土抗剪强度特性的影响效应及其作用机理;(3)建立考虑纤维与土界面相互作用效应演化规律的纤维加筋土本构模型。为此,本文进行了以直剪和三轴压缩试验为主的室内试验、本构模型理论推导以及本构模型预测能力的试验验证。室内试验研究结果证实了采用随机分布离散短黄麻纤维改良合肥膨胀土变动强度特性的可行性。纤维含量和纤维长度在提高土体抗剪强度特性方面具有最优值,其微观机理在于过高纤维含量和过长纤维会导致纤维间的扭结和缠绕,从而抑制甚至降低纤维加筋增强效应的发挥。纤维分布形式以控制有效纤维内拉应力大小的方式决定着纤维加筋土抗剪强度特性的提高幅度。制样参数(含水率和干密度)对纤维与土的接触效应影响显著,纤维与土颗粒间的有效接触面积及其界面摩擦系数是制样参数影响纤维加筋增强效应的微观机理。基于将应力叠加法和能量均化技术相结合的思想,建立了各向异性分布纤维加筋土本构模型,其基本假设为:有效纤维在整个加载过程中处于弹性工作阶段;有效纤维在纤维与土界面上的局部滑移控制着纤维加筋土破坏前的本构行为,而破坏后的本构行为由纤维的完全拉出控制。将纤维加筋土看成由修正剑桥模型土相和线弹性纤维相组成的复合材料,基于应变增量协调、应力增量叠加的原理,得到了表征纤维加筋土破坏前应力和应变间增量关系的弹塑性刚度矩阵。基于纤维加筋土破坏时有效平均正应力和偏应力的能量耗散率与外力功率的平衡关系,建立起了纤维加筋土宏观破坏准则。本构模型预测结果与试验结果的对比分析表明,本研究所建立的纤维加筋土本构模型可较为准确地反映出不同纤维含量下纤维加筋土应力应变关系、抗剪强度、抗剪强度参数和体应变行为的关键特征。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU43
【部分图文】：

纤维加筋土,建筑物,技术

Ｋｍ逦ｉｍ逡逑媝逦４ｋ＿４逡逑（ｃ）膨胀土干缩〕｜：裂逦（ｄ）地下室墙位移过大（２２．８６ｃｍ）逡逑图１．２膨胀土分布及其危害逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｅｘｐａｎｓｉｖｅ邋ｓｏｉ！邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ邋ａｎｄ邋ＵＳ邋ａｎｄ邋ｄａｍａｇｅ邋ｅｘｐａｎｓｉｖｅ邋ｓｏｉｌ邋ｍａｙ邋ｃａｕｓｅ逡逑１．２课题的研究现状逡逑１．２．１纤维加筋土技术逡逑纤维加筋土是为改善土体工程特性而将一定含量的离散短纤维与土体随机均逡逑匀拌合所形成的一种土工复合材料。在这种复合材料的受荷变形过程中，抗拉强逡逑度较高的纤维和抗压强度较高的土体共同作用，优势互补。一方面，土体中的剪逡逑应力通过纤维与土界面的摩阻力和咬合力作用使纤维受拉，产生拉应力；另一方逡逑面，纤维中的拉应力反过来通过纤维与土界面的摩阻力和咬合力作用消耗部分土逡逑体剪应力，从而提高了土体的强度［２４＿２５］。逡逑纤维加筋土技术的思想起源于距今５０００多年前的古代。古代富有智慧的劳动逡逑人民受启发于自然植被可加固边坡、防止雨水冲刷的自然现象［２６＿３Ｇ］，将茅草、芦逡逑苇、稻草、竹条和柳枝等自然纤维与土体拌合来建造房屋、道路、桥梁、堤坝和逡逑庙塔等。例如，陕西半坡村仰韶遗址屮很多简单房屋的墙壁和屋顶都是利用茅草逡逑和土制成的草

颗粒级配曲线,颗粒级配曲线,膨胀土,合肥

依据土工试验规程［１８１］，对取回的土样进行了密度、含水率、界限含水率、比重、逡逑自由膨胀率、击实和颗粒分析等一系列基本土力学试验。土力学试验测定的所用逡逑合肥膨胀土基本物理力学参数如表２．１所示；粒径级配曲线如图２．１所示。逡逑表２．１合肥膨胀土的基本物理力学参数逡逑Ｔａｂｌｅ邋２．１邋Ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ａｎｄ邋ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｏｆ邋Ｈｅｆｅｉ邋ｅｘｐａｎｓｉｖｅ邋ｓｏｉｌ逡逑天然状态逦比邋自由逦阿太堡界限（％）逦击实试验逡逑最优逦最大逡逑性质密度含水率邋重膨胀率塑限液限塑性指数逡逑含水率逦干密度逡逑ｇ／ｃｍ３邋％逦Ｇｓ邋％逦Ｗｐ邋Ｗｌ逦ＩＰ逦Ｗ0ｐ邋（％）邋ｙｍａｘ（ｇ／ｃｍ３）逡逑取值邋２．６９逦２１．３逦２．６９逦５３逦２０．１逦４２．７逦２２．６逦１８逦１．７２逡逑１００Ｊ逦：逦—逦逦邋：N逡逑，r2：二逡逑色邋８０邋逦￣￣ｔ丨＾逦￣逦：逦逡逑Ｓ邋７0－｜｜ｔｆｎ￣ＴＦｌｉ邋ｉ逡逑５邋６0：！ｌ＇ｌｔＨ邋ｒ——４ｌ－逡逑？５。］邋ｉ逦４邋邯宇逡逑Ｋ：二二二：二＝＼邋－逡逑＾邋一邋：［二二二—逡逑２０＼逡逑１０＿—逦逦邋逦ｉ邋ｌｉｎｉｉｉ邋ｉＩｈｌ邋ｉ邋ｉ邋；邋＼ｊｉ邋ｉｉ逡逑■邋－————邋－逡逑0逡逑１０１邋１０°邋１０＇１邋１０＇２邋１０＇３逡逑土粒粒径（ｍｍ）逡逑图２．１合肥膨胀土的颗粒级配曲线逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｇｒａｉｎ－ｓｉｚｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｈｅｆｅ

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广泛的天然纤维之一，素有“黄金纤维”之称。在所有的自然纤维种类之中，黄逡逑麻纤维具有最高的抗拉强度，且可抵抗碾压和高温。黄麻纤维所具有的优良特性逡逑使得其在土体改良领域发挥着越来越重要的作用［１２５，邋｜８２＿１８３］。图２．２为黄麻纤维在逡逑不同尺度下的照片。由制造商提供的黄麻纤维化学组成成分及其基本物理力学性逡逑质分别如表２．２和表２．３所示。逡逑９b\0逡逑ＩｆｉＰｌ逡逑（ａ）黄麻植物逦（ｃ＞黄麻纤维ＳＥＭ照（２５０倍）逡逑图２．２不同尺度下的黄麻纤维照片逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋ｊｕｔｅ邋ｆｉｂｅｒ邋ｏｎ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｓｃａｌｅ逡逑表２．２黄麻纤维的化学组成成分逡逑Ｔａｂｌｅ邋２．２邋Ｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｊｕｔｅ邋ｆｉｂｅｒ逡逑成分邋纤维素半纤维素木质素灰分果胶蜡质邋水分逡逑含量（％）逦６１－７１逦１３．６－２０．４逦１２－１３逦０．５－２逦０．２逦０．５逦１２．６逡逑１７逡逑

【参考文献】