基于公路邊坡防護評價的玄武巖纖維網應用研究

葉子坤

（北京興懷基業建筑工程有限公司，北京 101400）

0 引言

玄武巖纖維是一種以火山噴發出的玄武巖礦石為原料，經1 450～1 500℃的高溫熔融處理后利用鉑銠合金拉絲漏板可以得到具有良好力學性能與耐腐蝕特性的纖維，其是現代工業中的一類新型高性能綠色無機材料。此外，生產玄武巖纖維的過程中不會產生堿性氧化物，在自然環境中一段時間后會降解為土母質，對環境較為友好［1］。早期的玄武巖纖維生產工藝主要有池窯拉絲、人工加料全鉑坩堝拉絲以及漏板組合式拉絲等，經過多年的發展出現了多種現代化玄武巖纖維生產工藝，各工藝間的區別主要反映在漏板孔數與冷卻方式的選擇等層面。隨著現代工業技術的迭代與生產工藝的不斷成熟，玄武巖纖維的生產效率與質量得到不斷提高，并在電力電子、建筑工程以及化工生產領域中得到了十分廣泛的應用［2-3］。我國針對玄武巖纖維的研究起步較晚，2001年，國內部分研究機構開始關注該材料的性能與應用前景，并在兩年后開始投建生產企業進行生產。由于越來越多的機構關注到玄武巖纖維的優異性能與環境友好屬性，該材料在我國得到了較快的發展，現階段我國可生產玄武巖纖維成品的廠家已多達20家，年總產能達到1.5萬t［4］。

1 玄武巖纖維用于公路邊坡防護的優勢

玄武巖纖維具有較好的力學性能與耐久特性，使用該材料制成的玄武巖纖維網也能很好地沿襲其抗壓與抗拉性能，因此玄武巖纖維網在現代工程領域中具有十分顯著的應用優勢。其一，我國玄武巖礦石的總儲量十分豐富，特別是在山東省的儲量尤為集中。隨著開采技術的發展、開采工藝的升級以及開采經驗的積累，目前我國的玄武巖礦產年產能已經達到較高水平，同時我國玄武巖纖維制造與深度加工技術近年來也實現了較快的發展，這些都為玄武巖纖維網的大規模應用奠定了基礎［5］。其二，玄武巖纖維具有較好的環境友好性，屬于高性能綠色環保型材料，在自然環境條件下其能夠降解為土母質，大規模的使用不會造成環境破壞與污染。其三，使用玄武巖纖維和混凝土與砂漿按照一定的比例摻和能夠得到抗震與抗壓性能更好的工程材料，在某些工程場景下還可以大幅提高材料的結構強度，一些學者提出在混凝土中摻入一定量的玄武巖纖維可將混凝土強度提升至原先的1.6倍。基于以上所述玄武巖纖維的優勢，將玄武巖纖維制成網狀應用于公路邊坡水土保持與防護，可顯著改善公路邊坡受流水侵蝕出現失穩或局部結構崩壞的狀況［6］。

2 玄武巖纖維網用于公路邊坡防護的評價試驗

2.1 試驗材料

經過多年的工程實踐積累與技術發展，現階段玄武巖纖維網已經在公路工程中取得了十分廣泛的應用。目前，玄武巖纖維網的生產工藝較多，本研究選取其中較為主流的坩堝單元式玄武巖纖維制造工藝，可得到超過4 000個漏板孔數的成品。玄武巖在我國山東省具有較為廣泛的分布，其中尤以濟南市章丘區的玄武巖質量較好，且當地已經有相對成熟的生產工藝［7-8］。因此，以濟南市章丘區的玄武巖纖維為原材料，將其制成土工網狀結構，再利用表面涂覆與烘干工藝可得到具有良好力學性能的土工格柵。本研究選擇孔徑大小為20 mm×20 mm，單股玄武巖纖維寬度為5 mm的兩經兩緯與四經四緯型玄武巖纖維網為研究對象，計算與分析其與使用聚丙烯制成的規格為600 mm×400 mm×200 mm的傳統植生袋在公路邊坡防護方面的效果。需要說明的是，本研究所進行的模擬計算均是在室內環境條件下進行的，因此可能與自然環境場景中的應用數據存在一定的出入。

2.2 強度分析

玄武巖纖維網的強度分析主要通過斷裂強力與斷裂伸長率來體現。斷裂強力是指按所規定的條件進行測試，拉伸繩索至斷裂，取其至斷裂時最低值的力，其數值可通過式（1）進行確定。

式中：P代表玄武巖纖維網的斷裂強力，kN·m-1；p代表一組紗線處于臨界斷裂狀態時所承受的力，N；N代表玄武巖纖維網的網眼數量，個。

斷裂伸長率是玄武巖纖維受外力作用至拉斷時，拉伸前后的伸長長度與拉伸前長度的比值，通常用百分率表示，其數值的大小可通過式（2）進行確定。

式中：ε代表玄武巖纖維網的斷裂伸長率，%；ΔL代表一組紗線處于斷裂的臨界狀態時的伸長值大小，mm；L代表測試紗線的初始長度值，mm。

2.3 邊坡條件分析

邊坡形式與坡體條件會對邊坡的穩定性產生較大的影響，因此本研究選取了均質土坡、非均質土坡以及表面覆有薄土層的巖石邊坡等3種類型的公路邊坡進行玄武巖纖維網對邊坡穩定性的影響研究。同時，還討論了邊坡坡度、植物措施以及護坡形式等對玄武巖纖維網護坡穩定性的影響。研究的公路邊坡坡體形式如圖1與圖2所示，相關參數如表1與表2所示。

表1 不同坡體條件參數

表2 不同邊坡類型坡體土壤和巖石參數設定

圖1 不同坡體條件示意圖

圖2 兩種坡面配置示意圖

3 玄武巖纖維網用于公路邊坡防護的穩定性評價

經實際測量，得到植生袋的長×寬×高尺寸為600 mm×400 mm×200 mm，植生袋內填充土壤后的質量經承重后得知為64.8 kg。可以得到如表3所示的不同坡度條件下的植生袋荷載。

表3 坡長變化時的外加載荷

玄武巖纖維網是一種復式設計的結構，由于網格狀結構的截面積較小，因而進行玄武巖纖維網的附加作用力學分析時可以通過計算單位面積的玄武巖纖維網的抗破壞強度來分析其對公路坡體的防護效果。本研究選擇的玄武巖纖維網孔洞尺寸為20 mm×20 mm，單根纖維的寬度為5 mm，得到如表4所示的單位面積條件下玄武巖纖維網對公路邊坡的加筋力。

由表4可知，選擇植生袋&四經四緯型玄武巖纖維網的邊坡防護效果更好，不同類型坡體對應的安全系數如表5所示。

表4 玄武巖纖維網規格與加筋力的關系

表5 不同類型坡體對應安全系數

分析表5中數據發現，不同類型坡體條件下玄武巖纖維網對公路邊坡的防護效果存在一定的差異，主要體現在坡體安全系數提升幅度的大小。分析表5中數據可知，公路邊坡的坡度在一定范圍內增大時玄武巖纖維網的護坡效果也呈現出一定的上升趨勢，且對于不同類型的邊坡而言玄武巖纖維網應用于均質土坡的效果最好，其次分別為非均質土坡與淺土層邊坡。

4 結語

水土保持是公路工程邊坡防護的重要內容，在降水與積水影響下土質邊坡容易出現滑動與崩塌等問題，因此采用科學的技術手段提高公路工程邊坡的穩定性具有重要的現實意義。通過對比研究發現，玄武巖纖維網應用于公路邊坡的防護能夠有效提高其安全系數，且這種改善效果在均質土坡型邊坡中尤為顯著。玄武巖纖維網作為一種高性能環境友好型工程材料，未來應深化其與植生袋等傳統型護坡措施的融合，以進一步改善公路邊坡的防護效果。