全 文 ：第 39 卷 第 6 期
2012 年 11 月
水文地质工程地质
HYDROGEOLOGY ＆ ENGINEERING GEOLOGY
Vol． 39 No． 6
Nov． 2012
随机分布剑麻纤维加筋土力学性能试验研究
吴燕开1，2，牛 斌1，桑贤松1
( 1. 山东科技大学土木建筑学院，青岛 266590; 2. 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，青岛 266590)
摘要:把剑麻纤维剪切为 0. 5、1. 0、1. 5cm，并分别按 0. 2%、0. 4%、0. 6%的质量百分含量掺入到粘土中，对剑麻纤维加筋
土进行无侧限抗压试验和直接剪切试验，并与未掺入剑麻纤维的初始土样的无侧限抗压强度与直接剪试验结果进行对
比。试验结果表明，剑麻纤维的掺入可以有效提高粘性土的无侧限抗压强度和抗剪强度;当剑麻纤维的含量和长度达到
一定值后，其中 1 组的无侧限抗压强度值和抗剪强度值要大于另 3 组对应的无侧限抗压强度值和抗剪强度值。
关键词:剑麻纤维加筋土;无侧限抗压强度;直剪试验;粘性土
中图分类号:TU411. 3 文献标识码:A 文章编号:1000-3665(2012)06-0077-05
收稿日期:2012-03-08;修订日期:2012-05-11
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41102166)
作者简介:吴燕开(1976 －) ，男，博士，讲师，硕士生导师，主要
从事地基处理研究。
E-mail:wuyankai2000@ 163． com
目前常用于土体中的纤维加筋材料主要是人工合
成纤维，人工合成纤维具有高强度、耐酸碱性等特性，
但却不具备绿色、环保、经济等特点［1］。同时由于全
球能源和环境问题的日益严峻，采用自然界丰富的天
然植物纤维如木纤维、竹纤维、麻纤维(亚麻、剑麻、苎
麻等)、椰纤维等替代合成纤维在复合材料中的应用，
越来越受到人们的关注。剑麻纤维具有强力高、耐磨、
耐腐蚀、伸长率低、洁净无污染、可再生以及造价低等
优点，而且产量大，来源丰富，对于提高土体的强度有
很好的效果，研究剑麻纤维加筋土的各项性能指标具
有实际工程意义。这项技术在岩土工程应用中有很大
的潜力，并且还能够有效地保护环境。
把植物纤维掺入到土体中作为一种新型材料运用
于工程中，对其力学特性的研究目前已成为工程界一个
热门的研究课题，国外的 Sivanna(1990)、Suresh(1993)
对椰子纤维加筋土的力学性能进行了试验研究［1］，Mini
(1993)、Aziz(1994)对香蕉纤维加筋土的力学性能进行
了试验研究［2］，Prabakar(2002 年)、Sivakumar(2008)、
Santhi(2009)和 Sayida(2009)等人对印度的黑棉土进行
了剑麻纤维加筋土的试验研究［3］，研究结果均表明，土
体中掺入植物纤维后，力学性能均有不同程度的提高。
国内对植物纤维加筋土的研究较少，主要有介新玉、唐
朝生、张彩利、张艳美等人针对人工合成纤维加筋土的
力学性能进行了研究［4 ～ 9］。
本文针对青岛地区的粘性土在掺入不同百分含量
的剑麻纤维后，进行无侧限抗压强度试验、直接试验，
由试验结果分析掺入剑麻纤维对粘性土强度影响分
析，为今后剑麻加筋土设计提供试验依据。
1 实验之前的准备
1. 1 材料的制备
(1)粘土:取自青岛地区具有代表性的粘性土，用
自动烘干箱烘干后，粉碎机将其粉碎，然后过 0. 5mm
孔筛筛选。不用时，将其放在保鲜膜内保存，不与空气
中的水分接触，保证其干燥。
(2)剑麻纤维:采用广西贵港生产的剑麻纤维，将
其分别剪成若干 5、10、15mm三种长度的短纤维，主要
目的是为了研究不同长度的纤维对土样强度的影响，
从而确定影响土样强度的最佳纤维长度。试验前把剑
麻放入 0. 1 的氢氧化钠的浸泡 2min。
1. 2 击实试验
采用标准轻型击实仪测定土的干密度与含水率的
关系，从而确定土的最大密度与最优含水率。土料分
3 层倒入击实筒内分层击实，注意击锤自由铅直下落，
击实点均匀分布于土面上。由击实试验得到的土样的
干密度与含水率的关系如表 1 所示。
表 1 含水率与干密度的关系
Table 1 Relationship between water content and dry density
含水率(%) 16 18 20 22 24 26
试样干密度(g /cm3) 1. 67 1. 72 1. 76 1. 74 1. 69 1. 64
由表 1 干密度与含水率的关系得到干密度与含水
率的关系曲线(图 1)。由图 1 可知，开始时干密度随
着含水率的增加而增加，当含水率达到 20%时，干密
DOI:10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2012.06.013
·78· 吴燕开，等:随机分布剑麻纤维加筋土力学性能试验研究 2012 年
度达到峰值，即 1. 76g /cm3，随着含水率继续增加，干
密度逐渐降低。所以含水率 20%为最优含水率，对应
的干密度 1. 76g /cm3 为最大干密度。
图 1 干密度与含水率的关系曲线
Fig. 1 Curve of dry density and water content
2 无侧限抗压强度试验
为了研究剑麻纤维对粘性土力学性能的影响，进
行了大量的室内试验，研究了纤维的含量以及纤维的
长度对粘性土的压缩性、应力应变曲线的关系。
2. 1 土样的制作
将烘干的土样称取土 5kg 放入切土盘内，把裁剪
好的剑麻纤维(长度为 0. 5cm)按 0. 2%的质量比例称
取，剑麻随机与土拌和均匀，然后按含水量为 20%称
取蒸馏水，将蒸馏水用喷水器喷入到拌和好的水样中，
为保证水、土及剑麻纤维相互间的均匀性，把调节好的
土样静置一段时间装入玻璃缸内盖紧，在恒温下润湿
24h，然后采用轻型击实仪对土样进行击实。试样直径
为 39. 1mm、高度为 80mm，操作步骤均按照土工实验
规程中击实试验(SL237 － 011 － 1999)进行。分别制
作剑麻纤维长度为 0. 5cm、1. 0cm、1. 5cm(图 2) ，含量
分别为 0. 2%、0. 4%、0. 6% 的剑麻纤维加筋土试样
(图 3) ，进行无侧限抗压强度及直接剪切试验。
图 2 不同长度的纤维
Fig. 2 Several fibre with different lengths
图 3 纤维与土拌和后
Fig. 3 Soil sample mixed with fibre
2. 2 试验过程及结果
无侧限抗压强度是试样在无侧向压力条件下，抵
抗轴向压力的极限强度。试验设备采用应变式无侧限
压缩仪。对 10 组土样进行了试验，并记录了相应的实
验数据。以轴向应力为纵坐标轴向应变为横坐标绘制
应力 －应变曲线，当最大轴向应力不明显时，取轴向应
变为 15%所对应的应力作为无侧限抗压强度(图 4)。
图 4 不同纤维长度土样轴向应力与轴向应变关系
Fig. 4 Relationship between axial stress and axial strain of the soil with different fibre lengths
从实验数据中可以看出，轴向应力随着轴向应变
的增加而增加，当轴向应变达到 10%以后，轴向应力
的增加幅度开始减缓，呈现出抛物线状。选取轴向应
变为 15%所对应的轴向应力作为试样的无侧限抗压
强度，结果如表 2 所示。
表 2 无侧限抗压强度值
Table 2 Unconfined compression strength
纤维长度(mm) 0 5 10 15
纤维含量(%) 0. 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 2 0. 4 0. 6 0. 2 0. 4 0. 6
无侧限抗压强度(kPa) 20. 7 23. 2 30. 5 21. 3 19. 5 23. 7 20. 3 17. 9 22. 8 17. 9
第 6 期 水文地质工程地质 ·79·
由表 2 可以看出，当纤维长度为 5mm、含量为
0. 2%时，无侧限抗压强度为 23. 2kPa，大于相同含量
的 10mm和 15mm纤维土样;当纤维长度为 5mm、含量
为 0. 4%时，无侧限抗压强度为 30. 5kPa，大于相同含
量的 10mm和 15mm纤维土样;当纤维长度为 5mm、含
量为 0. 6%时，无侧限抗压强度为 21. 3kPa，大于相同
含量的 10mm 和 15mm 纤维土样。纤维长度为 5mm
土样的无侧限抗压强度整体都要比不含纤维、纤维长
度为 10mm、15mm的无侧限抗压强度值大。
从图 5 中可以看出，对于某一长度纤维，当纤维含
量为 0. 4%时，抗压强度值要大于其它几组对应的抗
压强度值。
图 5 无侧限抗压强度与纤维含量的关系
Fig. 5 Curve of unconfined compression strength and
fibre content
由图 6可以看出，纤维含量相同，当纤维长度为 5mm
时，抗压强度值要大于其它几组对应的抗压强度值。
图 6 无侧限抗压强度与纤维长度的关系
Fig. 6 Curve of unconfined compression strength and
fibre length
由图 7 可以看出，在轴向压应力的作用下，素土破
坏产生了较大的裂隙，裂隙贯穿整个剖面。纤维长度
为 5mm、含量 0. 2%的土样破坏形式与素土的破坏形
式基本相似，裂隙也贯穿整个剖面，但是裂隙中间的宽
度要小于土素土样的破坏形式，说明加入纤维后，纤维
与土的粘结起到了提高土样粘聚力的效果。从纤维长
度为 5mm、含量 0. 4%的土样破坏来看，其要好于前二
者的破坏形式，它的破坏并没有引起贯穿整个剖面的
裂隙，出现的两道裂隙都主要集中在剖面的中部，说明
随着纤维含量的增加，土样的粘聚力有了进一步提高，
土体中的剑麻纤维对土体具有较大的约束作用，从而
改变土体的剪切破裂面。
图 7 不含纤维(a)和 5mm长不同纤维含量(b)时土样破坏照片
Fig. 7 Soil samples without fibre (a)and with fibre length
of 5 mm (b)
3 直接剪切试验
3. 1 试样的制作
依照直剪试验规范要求，选取 5mm长度的纤维进
行实验，按不同含量的纤维制作土样若干组，每组制作
4 个土样。土样的含水率统一设定为 20%，然后分别
在垂直压力为 100kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 的状
态下对土样进行直剪试验。
3. 2 试验过程及结果
通过剪切位移与剪应力关系图(图 8) ，找出曲线
的峰值点，或者剪切位移为 4mm 时所对应的剪应力。
该值代表了一个土样的最大抗剪强度。根据每组土样
所获取的在不同垂直压力作用下的 4 个最大抗剪强
度，在坐标系中，依照趋势连成直线，并测得每组土样
的粘聚力 с和内摩擦角 φ。
从图 8 中看出，在剪切初期(剪切位移 1 ～ 2mm
内) ，剪应力随着剪切位移的增加快速上升，之后呈现缓
慢上升的状态，当剪切位移达到 4 ～ 6mm 后，剪应力基
本保持不变，偶尔也有继续增加的趋势，但增量不大。
·80· 吴燕开，等:随机分布剑麻纤维加筋土力学性能试验研究 2012 年
图 8 剪应力与剪切位移关系图
Fig. 8 Relationship between shear stress and shear stain
从剪应力与剪切位移关系曲线上，选取剪应力的峰值或
稳定值(一般为 4 ～6mm)作为抗剪强度(表 3)。
表 3 抗剪强度与垂直压力值
Table 3 Shear strength and vertical pressure
垂直压力(kPa) 100 200 300 400
抗剪强度
不含纤维 63. 0 90. 1 113. 5 153. 2
纤维含量 0. 2% 79. 6 116. 0 145. 6 182. 5
纤维含量 0. 4% 94. 9 122. 4 159. 3 211. 0
纤维含量 0. 6% 98. 2 140. 1 186. 2 238. 2
对表 3 中抗剪强度与垂直压力值进行拟合，通过
拟合关系(图 9)可得试样的粘聚力 с和内摩擦角 φ。
通过拟合关系可得关于抗剪强度与垂直压力的线
性趋势线，形式为 y = ax + b，其中 a 代表内摩擦角的
正切值，b代表粘聚力。
图 9 抗剪强度与垂直压力关系曲线图
Fig. 9 Relationship between shear strength and vertical pressure
表 4 抗剪强度与垂直压力关系
Table 4 Relationship between shear strength and
vertical pressure
纤维含量 抗剪强度与垂直压力关系
不含纤维 y = 0. 2940x + 31. 450
纤维含量 0. 2% y = 0. 3382x + 46. 355
纤维含量 0. 4% y = 0. 3851x + 50. 635
纤维含量 0. 6% y = 0. 4662x + 49. 105
从表 4 中可得，掺入纤维后，粘聚力有了明显的提
高。当纤维含量为 0. 2%时，粘聚力提高了 47%;纤维
含量为 0. 4% 时，粘聚力提高了 61%;纤维含量为
0. 6%时，粘聚力提高了 56%。可见纤维含量为 0. 4%
时对应的粘聚力要大于纤维含量为 0. 2%和 0. 6%，以
及不含纤维时土样所对应的粘聚力。
由图 10 可以看出，随着纤维含量的增加，内摩擦
角也随之增加。
图 10 内摩擦角与纤维含量的关系
Fig. 10 Relationship between internal friction angle
and fibre content
4 结论
(1)当纤维含量为 0. 4%时，测得土样的无侧限抗
压强度要大于纤维含量分别为 0. 2%和 0. 6%，以及不
含纤维时所对应土样的无侧限抗压强度。
(2)当纤维含量为一定值时，纤维长度为 5mm 测
得土样的无侧限抗压强度要大于纤维长度分别为
第 6 期 水文地质工程地质 ·81·
10mm和 15mm，以及不含纤维时所对应的土样的无侧
限抗压强度。
(3)在土中掺加剑麻纤维以后，土样的粘聚力有
了明显的提高，平均提高幅度都在 50%以上。
参考文献:
［1］ Sivanna D． Effect of Length of Fibre on Properties of
Fibre Reinforced Compacted Soil［D］． M． Tech．
Thesis，University of Kerala，Trivandrum，1990．
［2］ Mini T N． Properties of Coir Fibre and Banana Fibre
Reinforced Compacted Soils-A Comparison［D］． M．
Tech． Thesis，University of Kerala，Trivandrum，1993．
［3］ Sivakumar G L，Vasudevan A K，Haldar S． Numerical
simulation of fiber-reinforced sand behavior ［J］．
Geotextiles and Geomembranes，2008，26(3):181 －188．
［4］ 唐朝生，施斌，蔡弈，等．聚丙烯纤维加固软土的试
验研究［J］． 岩土力学，2007，28(9) :1796 － 1800．
［TANG C S，SHI B，CAI Y，et al． Experimental
study on polypropylene fiber improving soft soils［J］．
Rock and Soil Mechanics，2007，28 (9) :1796 －
1800．(in Chinese) ］
［5］ 唐朝生，施斌，高玮，等．含砂量对聚丙烯纤维加筋
粘性土强度影响的研究［J］． 岩石力学与工程学
报，2007，26(增 1) :2928 － 2973． ［TANG C S，SHI
B，GAO W，et al． Study on Effects of Sand Content
on Strength of Polypropylene Fiber Reinforced Clay
Soil［J］． Chinese Journal of Rock Mechanics and
Engineering，2007，26 (s1) :2928 － 2973． (in
Chinese) ］
［6］ 介玉新，王乃东，李广信．加筋土计算中等效附加应
力法的改进［J］． 岩土力学，2007，28(增 1) :129 －
132．［JIE Y X，WANG N D，LI G X． Modified
equivalent additional stress method for numerical
analysis of reinforced soil ［J］． Rock and Soil
Mechanics，2007，28(s1) :129 － 132．(in Chinese) ］
［7］ 张彩利，孟庆营，韩森．聚丙烯纤维在风积沙基层材
料中的应用研究［J］． 中外公路，2007，27(2) :154
－ 157．［ZHANG C L，MENG Q Y，HAN S． Study on
the Polypropylene fiber applicated as wind-blown sand
base material ［J］． Journal of China ＆ Foreign
Highway，2007，27(2) :154 － 157．(in Chinese) ］
［8］ 张艳美，张旭东，张鸿儒．土工合成纤维土补强机理
试验研究及工程应用［J］．岩土力学，2005，26(8) :
1323 － 1326．［ZHANG Y M，ZHANG X D，ZHANG
H R． Test research of geotechnique textile soil
reinforcement mechanism and engineering application
［J］． Rock and Soil Mechanics，2005，26(8) :1323
－ 1326．(in Chinese) ］
Experimental study of mechanical properties of soil randomly
included with sisal fiber
WU Yan-kai1，2，NIU Bin1，SANG Xian-song1
(1. Civil Engineering and Architecture Institute in Shandong University of Science and Technology，
Qingdao 266590，China;2. Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention
and Mitigation (Shandong University of Science and Technology) ，Qingdao 266590，China)
Abstract:The sisal fibre is randomly included into the soil at three different percentages of fibre content，i． e．
0. 2%，0. 4% and 0. 6% by weight of cohesive soil． Three different lengths of fibre，i． e． 0. 5，1. 0 and 1. 5
cm are also considered as one of the parameters in this study． Unconfined compression strength and shear
strength of sisal fibre-reinforced soil has been undertaken to compare with the soil sample without sisal fibre．
The test results show that unconfined compression strength and shear strength of cohesive soil are significantly
improved． With the increasing percentages of fibre content and lengths of fibre，the unconfined compression
strength and shear strength increase gradually． When the percentages and length reach certain values，the
unconfined compression strength and shear strength still increase，but the growth slow sharply．
Key words:sisal fibre-reinforced soil;unconfined compression strength;direct shear test;cohesive soil
责任编辑: 张明霞