考虑分布效应的纤维加筋黄土室内大型直剪试验研究

doi:10.11988/ckyyb.20230841

新澳门游戏网站入口院报 ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (1): 144-151.DOI: 10.11988/ckyyb.20230841

考虑分布效应的纤维加筋黄土室内大型直剪试验研究

刘鑫¹^,²(), 许伟能¹, 黄光靖¹(), 兰恒星¹^,³

¹ 长安大学地质工程与测绘学院,西安 710054
² 长安大学自然资源部生态地质与灾害防控重点实验室,西安 710054
³ 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室,北京 100101

收稿日期:2023-08-03 修回日期:2023-09-19 出版日期:2025-01-01 发布日期:2025-01-01
通信作者:
黄光靖(1998-),男,贵州黔南人,硕士研究生,主要从事工程地质与地质灾害防治方面的研究。E-mail:2021126118@chd.edu.cn
作者简介:
刘鑫(1987-),男,陕西西安人,副教授,博士,主要从事黄土地质灾害方面的科研与教学工作。E-mail:xliu67@chd.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目(42041006); 国家自然科学基金项目(41927806); 陕西省自然科学基础研究计划项目(2022JQ-251); 长安大学中央高校基本科研业务费专项资金项目(300102263101)

Large-scale Indoor Direct Shear Test on Fiber-reinforced Loess in Consideration of Distribution Effect

LIU Xin¹^,²(), XU Wei-neng¹, HUANG Guang-jing¹(), LAN Heng-xing¹^,³

¹ School of Geological Engineering and Surveying and Mapping,Chang’an University,Xi’an 710054,China
² Key Laboratory of Ecological Geology and Disaster Prevention of Ministry of Natural Resources, Chang’an University, Xi’an 710054, China
³ State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

Received:2023-08-03 Revised:2023-09-19 Published:2025-01-01 Online:2025-01-01

摘要/Abstract

摘要：

为研究聚丙烯纤维掺入长度、含量以及分布形式对黄土加固效果的影响,通过均匀和不均匀加筋方案的室内大型直剪试验(其中,不均匀加筋分三层夯入加筋土,通过改变剪切盒两侧的加筋含量实现),得到加筋黄土的抗剪强度-剪切应变曲线及其抗剪强度指标。研究结果表明:①聚丙烯纤维的掺入能有效提高黄土抗剪强度,加固效果受到纤维长度、掺量以及法向应力耦合影响;②在均匀加筋方案中,纤维长度12 mm、掺量0.5%的加固效果最佳;在不均匀加筋方案中,当法向应力为50 kPa,剪切面影响范围<15 mm,当法向应力为100 kPa,剪切面影响范围略>35 mm,当法向应力为200 kPa,剪切面影响范围进一步增大;③纤维的分布形式对加固效果具有明显影响,相比于整体0.8%含量加筋组,将两侧加筋含量降低为0.5%后的不均匀加筋加固效果更好,因为避免了高含量纤维导致的成团现象,从而保证土颗粒和纤维间的粘结。研究成果有望为黄土纤维加筋优化布筋方式提供参考。

关键词: 纤维加筋黄土, 室内大型直剪试验, 不均匀加筋, 剪切面影响范围, 纤维分布, 抗剪强度, 优化布筋

Abstract:

To investigate the effects of polypropylene fiber length, content, and distribution on loess reinforcement, a large-scale indoor direct shear test was designed for both uniform and non-uniform reinforcement schemes. In the non-uniform reinforcement, the fiber content was varied on both sides of the shear box and rammed into the soil in three layers. The curves of shear strength versus shear strain and shear strength indices of the reinforced loess were obtained. The results indicate: 1) Incorporating polypropylene fibers significantly enhances loess shear strength, with the reinforcement effect influenced by fiber length, dosage, and normal stress coupling. 2) In the uniform reinforcement scheme, a fiber length of 12 mm and a content of 0.5% achieves the best reinforcement effect. In the non-uniform reinforcement scheme, the influence range of the shear plane is less than 15 mm at normal stress of 50 kPa, slightly greater than 35 mm at 100 kPa, and further increased at 200 kPa. 3) The distribution pattern of fibers significantly impacts the reinforcement effect. Compared to a uniform 0.8% content group, non-uniform reinforcement with 0.5% content on both sides yields better results, as it avoids fiber agglomeration and ensures soil-fiber adhesion. These findings are expected to provide valuable insights for optimizing loess fiber reinforcement.

Key words: fiber-reinforced loess, large-scale indoor direct shear test, non-uniform reinforcement, influence range of shear surface, fibre distribution, shear strength, optimized reinforcement

中图分类号:

TU411实验室试验(室内土工试验)

刘鑫, 许伟能, 黄光靖, 兰恒星. 考虑分布效应的纤维加筋黄土室内大型直剪试验研究[J]. 新澳门游戏网站入口院报, 2025, 42(1): 144-151.

LIU Xin, XU Wei-neng, HUANG Guang-jing, LAN Heng-xing. Large-scale Indoor Direct Shear Test on Fiber-reinforced Loess in Consideration of Distribution Effect[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025, 42(1): 144-151.

图/表 20

图1 束状聚丙烯纤维

Fig.1 Bundled polypropylene fibers

表1 聚丙烯纤维物理力学参数

Table 1 Physical properties of polypropylene fiber

密度/ (g·cm^-3)	直径/ μm	相对密度	弹性模量/ MPa	断裂拉伸率/%	极限伸长量/%	抗拉强度/ MPa
0.91	32.7	2.65	4326	28.4	18	469

图2 重塑黄土粒径级配曲线

Fig.2 Particle distribution curve of remoulded loess

图3 VJT2780A大型直剪仪注:①为竖向位移传感器;②为法向荷载控制单元;③为水平位移传感器;④为控制系统;⑤为水平位移加载装置。

Fig.3 VJT2780A large direct shear instrument

图4 试验流程

Fig.4 Test processes

表2 素土及均匀加筋试验方案

Table 2 Test scheme of plain soil and uniform reinforcement

法向应力 σ/kPa	方案1		方案2		方案3		方案4
法向应力 σ/kPa	L/mm	FC/%	L/mm	FC/%	L/mm	FC/%	L/mm	FC/%
50	0	0	6	0.5	6	0.8	12	0.5
100	0	0	6	0.5	6	0.8	12	0.5
200	0	0	6	0.5	6	0.8	12	0.5

表3 不均匀加筋试验方案

Table 3 Test scheme of non-uniform reinforcement

法向应力 σ/kPa	方案1		方案2		方案3		方案4
法向应力 σ/kPa	H₀_.₈_%/ mm	H₀_%/ mm	H₀_.₈_%/ mm	H₀_%/ mm	H₀_.₈_%/ mm	H₀_.₅_%/ mm	H₀_.₈_%/ mm	H₀_.₅_%/ mm
50	15	85	35	65	15	85	35	65
100	15	85	35	65	15	85	35	65
200	15	85	35	65	15	85	35	65

图5 不均匀加筋分布

Fig.5 Distribution of fibers in the non-uniform reinforcement scheme

图6 不同纤维长度加筋土及素土抗剪强度-剪切应变曲线

Fig.6 Curves of shear strength versus shear strain of plain soil and reinforced soil with different fiber lengths

图7 不同长度纤维与剪切面影响范围关系示意图

Fig.7 Relationship between fiber length and the influence range of shear planes

图8 不同纤维含量加筋土及素土抗剪强度-剪切应变曲线

Fig.8 Curves of shear strength versus shear strain of plain soil and reinforced soil with different fiber contents

图9 素土及均匀加筋组抗剪强度-法向应力拟合结果

Fig.9 Fitting results between shear strength and normal stress for plain soil and uniformly reinforced soil groups

表4 均匀加筋试验加筋土和素土抗剪强度指标

Table 4 Shear strength indices of uniformly reinforced soils and plain soil

纤维长度/mm	纤维含量/%	内摩擦角φ/(°)	黏聚力c/kPa
0	0	31.5	39.3
6	0.5	31.7	60.8
6	0.8	34.6	62.0
12	0.5	35.5	61.3

图10 中间加筋土不同高度的抗剪强度-剪切应变曲线

Fig.10 Curves of shear strength versus shear strain of reinforced soil with fibers in the middle at different heights

图11 剪切面高度作用范围示意图

Fig.11 Schematic diagram of the action range of shear plane height

图12 两侧加筋土不同含量的应力-应变抗剪强度-剪切应变曲线

Fig.12 Curves of shear strength versus shear strain of reinforced soil with fibers on both sides with different contents

图13 不均匀加筋组抗剪强度-法向应力拟合结果

Fig.13 Fitting results between shear strength and normal stress for non-uniformly reinforced soil group

表5 不均匀加筋试验抗剪强度指标

Table 5 Shear strength indices of non-uniformly reinforced soils

中间加筋土高度/mm	两侧加筋土含量/%	内摩擦角 φ/(°)	黏聚力 c/kPa
15	0	38.4	60.5
15	0.5	41.9	57.6
35	0	46.3	64.9
35	0.5	47.3	62.7

图14 含量0.8%纤维试样的分布情况

Fig.14 Distribution of fiber at a content of 0.8% in the sample

图15 掺入不同含量纤维的加固机制

Fig.15 Reinforcement mechanism of adding fibers at different contents

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