基于天然植物纖維材料的土體加固技術

高文杰 董思文 陳思奇

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一、引言

土體是一種具有較弱抗拉性能的多孔介質(zhì)，其巖土性能隨環(huán)境因素而變化。由于人口增長和城市化進程的不斷加快，對不穩(wěn)定和侵蝕性土地以及土工性能較差的土地提出了很高的要求。因此，需要為這些環(huán)境敏感的土地和土體開發(fā)有效的穩(wěn)定技術[1-2]。纖維加固土體以其運輸方便，價格便宜，強度高等特性在傳統(tǒng)土體加固方法中脫穎而出，成為了研究的熱點。纖維加固土的概念和原理最早由Vidal在1969年提出，他發(fā)現(xiàn)在土體中添加加固材料可以增加介質(zhì)的抗剪強度[3-4]。自1969年Vidal提出土體加固概念以來，迄今為止，已有近4000項應用在37個以上的國家進行[5]。過去的研究反映了一系列增強材料，從低模量聚合物材料到高抗拉強度的金屬板，這些材料被用作土工合成材料，使纖維加固土體成為可能[2,6-8]。這些傳統(tǒng)的合成纖維主要是石油的副產(chǎn)品，石油是地球上一種不可再生的有限資源[9]。此外，由于銹蝕鋼對環(huán)境的毒性很大，在其使用壽命結束時對環(huán)境產(chǎn)生了有害影響，因此將鋼筋作為土體加固手段已被報道為一種非環(huán)保的方法[10]。近年來，天然纖維土加固由于其環(huán)保、資源豐富、能耗低、成本效益好、比其他已有材料有較大潛力等獨特優(yōu)勢，成為巖土工程中不斷發(fā)展的可持續(xù)土加固技術之一[11-14]。利用天然纖維替代傳統(tǒng)的土工合成材料增強材料的可持續(xù)性已顯示出巨大的潛力，并日益受到巖土工程的重視。利用天然纖維仍然是一項比較新的技術，值得進一步研究。

本文說明了天然纖維的特點，列舉出主要的天然纖維，對其生化，物理力學性質(zhì)進行對比，并闡述了纖維加固土的方式和機理。

二、天然纖維

2.1 天然纖維的特點

目前，天然纖維以其豐富性、可持續(xù)性、成本效益、低密度、良好的強度和剛度等特點，廣泛應用于汽車、食品、農(nóng)業(yè)等許多工程應用和行業(yè)。首先，天然纖維可根據(jù)其來源分為三個部分：（1）植物纖維（竹子、黃麻、椰殼纖維、大麻等）；（2）含有蛋白質(zhì)的動物部位（絲、毛、羊毛等）；（3）礦物質(zhì)。而基于大規(guī)模的可用性和適用性，巖土工程中的土體加固技術主要集中在植物纖維方面[15]。

從經(jīng)濟角度來看，用于土體加固的植物纖維可分為三類：（1）作物物種，（2）非作物物種和（3）入侵物種。這種植物纖維可能來源于莖、葉、種子、水果、木材、谷物秸稈和其他殘余物。然而，纖維來源于植物的哪一部位、植物的年齡和纖維的處理方式，是影響天然纖維耐久性和性能的一些因素。本綜述不關注木材纖維/樹木碎片，因為將木材纖維用于土體加固時，存在許多實際限制。事實上，木材纖維在木材、混凝土和其他材料的復合工業(yè)中有很高的發(fā)展趨勢，但與其他討論的天然纖維相比，由于其大量采購困難、非經(jīng)濟、低彈性和低再生性等因素，使得木質(zhì)纖維在土體補強中的應用范圍越來越小。

2.2 天然纖維的生化特性

從微觀結構上看，天然纖維可以定義為天然形成的復合材料，主要由木質(zhì)素和半纖維素基質(zhì)固結在一起的中空纖維素纖維組成。此外，還可能存在果膠和蠟，而果膠為纖維提供柔性，而蠟構成纖維和酒精化合物的最后一部分。由鏈狀纖維素分子組成的纖維素纖維(直徑約為1030nm)沿著纖維的長度排列，除了提供剛性外，還具有更高的機械(拉伸和彎曲)強度。木質(zhì)素作為一種保護層，在防止微生物降解纖維內(nèi)部結構方面發(fā)揮著重要作用。纖維素是一種生物聚合物，纖維素和半纖維素的含量影響著纖維結構的吸濕性能[6]。天然纖維的性能與纖維素的性質(zhì)、結晶度以及有關[16]。

表1總結了一些具有土體加固潛力的植物纖維及其種類、來源和生化成分。紅麻、大麻、亞麻、劍麻、黃麻和竹纖維中纖維素含量較高（＞50%），反映了纖維的強度。然而，在亞麻和大麻中，木質(zhì)素含量相對較低（＜10%），而在椰殼纖維中，木質(zhì)素含量最高。因此，與其他天然植物纖維相比，纖維素和木質(zhì)素含量的主要生化成分清楚地保證了竹纖維在土體加固中的能力。

表1 植物纖維的生物化學成分及其種類和來源

2.3 天然纖維的物理力學性能

天然纖維的物理和機械性能與纖維的生化成分有關，其中纖維素化合物決定了纖維的強度[2]。由于土的加固設計階段還沒有與生化成分直接耦合，因此在巖土工程中，纖維物理力學性質(zhì)的測定和解釋是非常必要的。表2總結了與土體加固有關的植物纖維的物理力學性質(zhì)。紅麻、亞麻、竹子和大麻在潛在的天然纖維中表現(xiàn)出更高的機械強度參數(shù)，這主要是由于它們的生化成分。此外，表3通過與合成纖維基本力學和物理性能的比較，說明了植物纖維在土體加固中的潛力。

表2 潛在植物纖維加固土體的物理力學性能

表3 傳統(tǒng)合成纖維與植物纖維性能的比較

三、天然纖維加固土的方式及機理

土體加固可以定義為一種通過引入具有所需特性的材料來改善土體工程特性和性能的技術。加固土體的首要目標是提高其穩(wěn)定性，即抗剪能力和承載力，從而減少土體變形[17]。目前，天然纖維復合加固技術已在巖土工程中得到了廣泛的應用。天然纖維加固技術因其獨特性而受到全球的關注，但天然纖維在地基條件下的有效壽命有限，這是研究需要面臨的一個挑戰(zhàn)[10]。埋入土體中的纖維在形式、質(zhì)地、剛度、含量、長度或長寬比、方向等方面都有變化，其中纖維的含量、長度和方向是巖土工程應用中最實際的問題[18]。基本上，纖維加固土按其應用方法可分為兩類：（1）定向分布纖維加固土隨機分布纖維加固土。

定向分布纖維加固土是一種著名的加固機制，在這種機制下，可以系統(tǒng)在垂直、水平或雙向引入天然纖維。一般來說，定向分布纖維加固土允許根據(jù)應用要求，通過編織、裝訂、組合或打孔等修改對天然纖維進行機械增強。定向分布纖維加固土的機理與傳統(tǒng)的土工合成方法相似，在這種方法中，材料被引入土體的薄弱面，如土工格柵、土工墊、土工織物等。定向分布纖維加固土技術通過沿纖維增強平面附加摩擦力，而非加固區(qū)域則需要依靠自身強度防止破壞，但仍有可能通過強度較弱的非加固區(qū)域生成失效破壞平面。

另一方面，隨機分布纖維加固土是一種公認的土體改良技術，在該技術中，由所需性能和數(shù)量組成的纖維隨機組合并就地壓實。隨機分布纖維加固土的摻入近年來變得更加流行，因為短的離散纖維可以簡單地添加到土體中，并與土體隨機混合，就像水泥、石灰或其他添加劑一樣，因此它可以在不引入連續(xù)薄弱面的情況下，向各向同性增加土體復合材料的強度。這種隨機分布纖維加固土方法利用了植物根系的類似行為，通過增加摩擦和交錯來加固土體。受拉分布的纖維對試樣強度的增加有一定的作用。最初，土體顆粒受到壓力趨于緊密，使纖維材料產(chǎn)生形變，隨后由于土體顆粒的旋轉和直接作用，壓力使纖維和土發(fā)生了耦合。與此同時，與纖維接觸的土體顆粒除了產(chǎn)生耦合力外，還會對纖維產(chǎn)生摩擦力[2]。最后，耦合力與摩擦力共同作用，使纖維材料上的拉應力趨于運動。此外，纖維的隨機分布促進了纖維-土體黏結作用，這利用了土顆粒和柔性纖維之間的復合加固作用，表現(xiàn)為一個結構網(wǎng)格，將土體連接在一起，增加了土體結構的完整性[5,18]。

四 結語

當今巖土工程可持續(xù)發(fā)展的共識是用天然植物纖維取代傳統(tǒng)的合成材料。本文列舉對比了天然纖維本身的性質(zhì)，并簡單闡述了纖維加固土體的方式及其原理。在此基礎上，得出以下結論：

（1）、植物纖維的性能與傳統(tǒng)的合成材料有本質(zhì)的區(qū)別，而生物化學特性決定了纖維作為加固材料的功能。從纖維素和木質(zhì)素的組成來看，竹纖維是具有最有效土體加固能力和耐久性的纖維。

（2）、定向分布纖維加固土體時可以在加固區(qū)域面提供摩擦力，但土體可能在其他強度較弱的非加固區(qū)域發(fā)生破壞。

（3）、隨機分布的纖維加固土體時，強度的增加同時由土-纖維之間的耦合，摩擦和粘結所提供。