淺談纖維加筋土的作用機(jī)理與工程意義

張崇康 邱泰瑞 孫僑甫

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

20世紀(jì)60年代，纖維加筋技術(shù)被首次提出，由于其采用物理方法加固土體對(duì)生態(tài)環(huán)境無害，且施工方式簡便，從此被廣泛應(yīng)用在土木工程領(lǐng)域。早時(shí)期是采用土工編織物等傳統(tǒng)方式進(jìn)行覆蓋，以達(dá)到加固目的。近些年，向土中摻雜纖維的新型加固方式得到重視和發(fā)展。因其具有施工便捷、易于拌和等良好的施工性能，在國內(nèi)外，得到了廣泛的研究。劉寶生，包承綱等[1，2]論述了纖維增強(qiáng)土體的土工強(qiáng)度與應(yīng)用。Muge Elif Orakoglu，韓春鵬等[3，4]研究了凍融條件對(duì)纖維加筋土強(qiáng)度的影響。唐朝生、施斌等[5，6]從微觀角度闡述纖維與土體間的交互作用。雖然大量知名學(xué)者從各個(gè)角度分別闡述了纖維的作用機(jī)理，但其研究體系尚未完善。

1 概述

纖維加筋技術(shù)的原理是通過物理方法均勻地將纖維散入土中，使其成為一種具有一定工程力學(xué)強(qiáng)度性能的材料，用以提升土體強(qiáng)度與整體性能。因?yàn)槔w維具有很好的力學(xué)強(qiáng)度、耐酸堿鹽、防水性好、一定的延伸率，并且與土有很好的相容性，形成的纖維增強(qiáng)土整體性能好，力學(xué)性能強(qiáng)。因此該項(xiàng)成果現(xiàn)已被實(shí)際運(yùn)用到工程構(gòu)造物中。例如擋土結(jié)構(gòu)物，邊坡防護(hù)，路堤、路基加固等。

常見纖維的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)見表1。

2 纖維加筋的作用機(jī)理

2.1 剪切強(qiáng)度理論

纖維與土顆粒之間交界面的交互作用是影響纖維加筋土體力學(xué)強(qiáng)度的主要因素。因此，從微觀角度唐朝生等[5,6]通過電鏡掃描分析了聚丙烯纖維與土顆粒之間的交互作用，認(rèn)為接觸面之間的摩擦力與粘聚力，即界面剪切強(qiáng)度是纖維加筋機(jī)理的本質(zhì)。當(dāng)土體受外力作用產(chǎn)生形變或者產(chǎn)生破壞時(shí)，纖維在土中主要受拉應(yīng)力，能夠阻礙張拉裂縫的出現(xiàn)與生長，從而提高穩(wěn)定性。當(dāng)荷載作用力增大，界面之間的抗剪切強(qiáng)度就隨之變高，土顆粒彼此之間的嵌擠作用變強(qiáng)，纖維在土顆粒之間相對(duì)的滑移或被拔出的可能性就越低。通過研究分析強(qiáng)度較低、孔隙率較高、壓縮性較高的特殊軟土，Prabakar和Sridhar[8]得到摻加纖維能夠明顯增加軟土抗剪強(qiáng)度的結(jié)論。通過三軸壓縮試驗(yàn)和現(xiàn)場平板載荷試驗(yàn)，Consoli等[9]對(duì)比分析了纖維摻入前后土體的強(qiáng)度指標(biāo)，得到纖維增強(qiáng)技術(shù)能夠使得土顆粒之間的內(nèi)摩擦角和粘聚力得到明顯提高，并且變形越大，纖維加筋的效果越明顯的結(jié)論。

表1 常見纖維的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)[7]

2.2 彎曲機(jī)理與交織作用

在加筋土中，纖維彼此之間并不是相互獨(dú)立存在于土顆粒之間的，而是彎曲相互交錯(cuò)，彼此搭接形成空間網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，增加松散土體的結(jié)構(gòu)性，增加土顆粒之間的連接性能，可以達(dá)到增強(qiáng)土體的強(qiáng)度目的。因此，可以把纖維加筋的作用機(jī)理總結(jié)為兩方面：彎曲機(jī)理和交織機(jī)理。

“彎曲機(jī)理”是指土顆粒之間的纖維并不是以直線方式存在的，而是以連續(xù)彎曲的幾何狀態(tài)分散在其中，外荷載作用于加筋土?xí)r，纖維與其相接觸的土體之間會(huì)產(chǎn)生摩阻力與壓力。

“交織作用”是指纖維在土中彼此相互交錯(cuò)形成空間網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)。這種立體網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了土體整體性能，任何一部分受荷載作用時(shí)都會(huì)帶動(dòng)周邊鄰近纖維共同承擔(dān)作用，進(jìn)而形成空間網(wǎng)絡(luò)骨架型受力體系。

程志良等[10]通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)和室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)，以彎曲機(jī)理和交織機(jī)理作為作用機(jī)理，通過改變纖維長短以及其配合比，研究二者對(duì)抗剪強(qiáng)度與壓縮性的影響。包承綱等[11]以交織作用和彎曲機(jī)理作為研究基礎(chǔ)，探索了加筋后土體的強(qiáng)度影響及其破壞形式。

3 纖維加筋土的工程應(yīng)用

3.1 軟土地基處理

軟土地基的壓縮性較大導(dǎo)致其承載能力較低，當(dāng)施工過程遇到軟土地基時(shí)，要選擇換土或進(jìn)行加固處理，使其承載能力符合工程要求。常見的加固處理方式是把纖維加筋土層鋪設(shè)整個(gè)路基全寬范圍內(nèi)的路堤底部，同時(shí)還可以增加軟土區(qū)域的排水性能，因而可以提高軟土在土工方面的性能。王協(xié)群[12]運(yùn)用極限平衡原理對(duì)于加筋土平衡與破壞進(jìn)行分析，確認(rèn)了加筋土的實(shí)際效果以及工程中的實(shí)用性。

3.2 邊坡加固處理

邊坡穩(wěn)定問題在工程中較為常見，植物防護(hù)穩(wěn)定不足，而混凝土等工程防護(hù)不僅經(jīng)濟(jì)效益較低而且美化效果較差。因而可以將纖維加筋技術(shù)應(yīng)用到邊坡穩(wěn)定性問題當(dāng)中，不僅穩(wěn)定性能能夠得到保障，而且經(jīng)濟(jì)效益好，環(huán)保美觀。為了探究素土與加筋土的邊坡穩(wěn)定性問題，介玉新等[13]通過畢肖普條分法建立治理邊坡模型試驗(yàn)進(jìn)行研究，并且肯定了纖維加筋技術(shù)對(duì)于穩(wěn)定邊坡的工程意義。

3.3 特殊土體處理

纖維加筋技術(shù)還可以改良特殊土體的工程性質(zhì)，目前對(duì)于膨脹土體脹縮性的控制效果非常好，但是對(duì)于振動(dòng)液化土體、濕陷性黃土、凍脹土體的研究尚不成熟，有待進(jìn)一步的研究與探索。鄧友生等[14]以聚丙烯的摻量作為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及直剪試驗(yàn)的變量，證明了對(duì)于膨脹土的工程缺陷，纖維加筋技術(shù)起到一定的減緩作用，因此具有一定的土工應(yīng)用價(jià)值。

4 總結(jié)與展望

對(duì)于普通和不良土體的力學(xué)性能均可以通過纖維加筋技術(shù)進(jìn)行改良，使其強(qiáng)度得以提高，因此其必將成為土工領(lǐng)域的熱門研究趨勢。目前，對(duì)于纖維加筋土的強(qiáng)度主要從纖維長度、摻量、壓實(shí)度、含水率等方面進(jìn)行室內(nèi)研究。室內(nèi)試驗(yàn)的模型由于受尺寸效應(yīng)，且受人為環(huán)境等條件影響較大，因此應(yīng)該加強(qiáng)現(xiàn)場試驗(yàn)和大尺寸模型的建設(shè)與發(fā)展。因?qū)ζ溲芯康姆椒ㄅc體系尚不成熟，目前纖維加筋土并未大范圍應(yīng)用于工程領(lǐng)域，但其潛力不可忽視，將來會(huì)成為改善不良土體、加固地基、邊坡穩(wěn)定性等主要方法。