黃土護坡工程中纖維混凝土摻入纖維的選型應用分析

王紅偉

（甘肅省地礦局第三地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

黃土具有可塑性強，均質性差，隨干濕季節性變化大等特點[1]。在干燥季節容易龜裂收縮，土體較硬，對挖掘和邊坡加固等施工帶來一定的困難。在濕潤季節則容易吸水膨脹，發生變形，坡體在自重作用下容易發生坍塌、滑坡等地質災害[2]。黃土邊坡干燥后保持直立，在降水的作用下，水分的進入增加邊坡自重，同時黃土吸水膨脹，降低自身抗剪強度，誘發滑坡。同時，地表徑流沖刷作用會導致邊坡表面侵蝕，增加邊坡的侵蝕敏感性，對邊坡穩定性產生不利影響。黃土地區干旱少雨，植被覆蓋率低，同時生態修復能力差，需要謹慎設計和實施，以減少生態損害。

普通噴漿護坡，以水泥砂漿為主要原料，材料質量和施工技術要求較高，耐久性差，易開裂。纖維混凝土是一種通過添加各種纖維材料來改善混凝土性能的材料[3-4]。其組成為混凝土中添加纖維以改善混凝土性能，纖維混凝土在抗拉強度、韌性、疲勞性能和沖擊抗性上表現出良好的性能[5]，能有效減緩裂縫的擴展。

楊林[6]通過對照試驗，對比寒區纖維混凝土的護坡效果，其在抗凍性能上表現較好。胡世國[7]比較PP 纖維與模袋混凝土在灌溉區的應用，PP 纖維在灌區具有一定適用性。李國吉[8]討論了鋼纖維混凝土薄殼護坡在水庫區的應用，鋼纖維混凝土薄殼護坡結構能有效抵抗冰推力破壞。目前纖維混凝土用于黃土護坡相關文獻較少，為探究纖維混凝土對黃土邊坡護坡效果，通過文獻查找、走訪調查、室內試驗等手段，研究纖維泡沫混凝土抗滲、安全性能，為今后工程邊坡施工提供參考。

1 黃土邊坡工程概況

1.1 黃土工程特性

黃土是一種在地球表面廣泛分布的粉土，其工程地質特性對于工程設計和施工有著重要的影響。黃土由于含有氧化鐵和有機物而呈明顯的黃色。主要由細顆粒組成，包括黏土、淤泥質土、砂和含有氧化鐵的顆粒，從而直接影響黃土的工程性質，如較高的塑性指數，即在濕潤條件下，土壤容易發生膨脹和收縮，可能引起地基沉降或結構變形，同時由于含有相對較多的黏土成分，黃土的排水性一般較差，增加了工程設計和施工的復雜性。黃土在吸水后容易發生膨脹，這可能導致地基沉降或結構變形，降低其抗剪強度。由于其可塑性和含水量變化的敏感性，其濕陷性問題較大。

1.2 影響黃土邊坡穩定的因素

（1）坡度和坡向

坡向會影響滑坡流向，地質構造運動造成地勢起伏，而山體連片出現，縮小了臨空面，調查發現崩滑流主要出現在河流兩側邊坡，因此河流流向可決定滑坡流動方向，河流流徑結合周邊地勢共同決定了滑坡的流動范圍，滑動距離。坡度越大，邊坡穩定性越差，結合現有滑坡災害分析[9]，陡坡處災害數較少，而在45°～60°邊坡災害發生較多，直立黃土邊坡由于不穩定，因此在自然界中存在較少。

（2）地表水和地下水

降雨對邊坡的影響主要分為3 個部分，一是以入滲方式進入坡體內部，二是通過地表徑流將流水帶走，三是小部分蒸發。水分入滲引起地下水位上升，增加坡體自重，降低邊坡穩定性，黃土在降雨作用下吸水膨脹，物理力學性質下降，坡腳抗剪能力下降。地表徑流沖刷作用下，坡面侵蝕嚴重，當地勢陡峭時，滲入量降低，地表徑流增加，流速增大，坡面侵蝕加劇，因此更需要進行護坡處理。

（3）降雪和氣候條件

針對西北地區冬季漫長，氣溫寒冷等因素，降雪周期長，雪體堆積在坡面形成堆載，增加坡體自重。凍融循環作用下，雪層慢慢流動，雪層與坡面接觸面不斷摩擦，坡面被磨蝕。同時，水分滲入坡體，在低溫下結冰膨脹，破壞坡面結皮層，加速水體入滲。

（4）植被覆蓋

黃土地區植被主要以低矮灌木和草本植物為主，在背陰面還存在苔蘚、地衣等結皮，起到類似護坡作用，但部分觀點認為植物根劈作用會導致巖質邊坡開裂，從而影響邊坡穩定，但總體上植被護坡對邊坡穩定起到積極效果。

（5）人為活動

人為活動如挖掘、開采、建筑和道路施工等會對邊坡穩定性產生直接影響。不當的人為干預可能改變地表水流、地下水位和土壤的力學特性，增加邊坡失穩的風險。

（6）地震活動

地震活動會對地表和地下結構產生振動和變形，加劇邊坡的變形和破壞。

2 纖維混凝土及作用機制

2.1 纖維混凝土的作用機制

（1）纖維間距機理

“纖維間距機理”由J.P.Romualdi 提出，其研究以線彈性斷裂力學理論為基礎，該理論認為混凝土在制備過程中不能夠消除，只能通過減小缺陷來提高材料強度，提高材料的韌性，降低裂隙兩端應力集中。該假定認為，纖維與基體完全黏結，隨后該假定擴展到其余尺寸。

（2）復合材料機理

復合材料機理從復合材料的觀點出發，素混凝土在原有強度基礎之上，摻入纖維，形成纖維強化體系，即利用混合原理來研究纖維混凝土的物理力學性能。若假定集體和纖維完全黏結，且纖維在集體中均勻分布，施加外力時，復合體強度取決于纖維和基體的體積比。

2.2 摻入纖維分析

為探究摻入纖維對纖維混凝土強度的影響，采用研究方法如圖1所示。通過遞進試驗，首先選取最佳纖維材料；然后以最佳材料為基礎制作不同纖維形狀，選出最優纖維形狀；第三步以最佳纖維材料、最佳形狀為基礎，制作不同纖維尺寸，以此類推，選擇出最佳摻入纖維。該研究方法減少了試驗次數，提高試驗效率。為保持纖維為唯一變量，水泥采用普通C30硅酸鹽水泥，加入燒熱冷卻至室溫的自來水。

圖1 最佳摻入纖維選型

（1）纖維材料

現有纖維類型以鋼纖維、聚合物纖維（合成纖維）、玻璃纖維、天然纖維和碳纖維等為主，從表1可以看出，在強度上鋼纖維和碳纖維表現較好，遠遠超出其他纖維；在價格上鋼纖維和天然纖維更為低廉。通過類層次分析，彈性模量最低到最高給1～5分，價格從最高到最低給1～5 分，在不同情況下，各權重占比可能不一樣，對于重要或高危邊坡，強度要求更高，權重占比更大；而鄉鎮道路邊坡，經濟因素考慮更多。綜合比較下，鋼纖維在不同場景下綜合性能表現較好，因此，鋼纖維選作最佳纖維材料。

表1 常見纖維彈性模量及價格

（2）纖維形狀

市面常見纖維包括平直形纖維、端鉤形纖維、壓痕形纖維，如圖2所示。

圖2 纖維形狀

平直形纖維為長直形，結構較簡單。端鉤形纖維為平直形纖維在端部彎起，壓痕形纖維為在切斷前將構件按壓形成壓轍。

比較在1%體積含量下，長徑比67時，平直形鋼纖維、端鉤形鋼纖維、壓痕形鋼纖維在水膠比16、30時混凝土中拔出強度。由圖3 可知，無論在哪種水膠比下，平直形纖維混凝土峰值強度都較低，在達到極限強度之后性能迅速下降，當位移伸長一段時間后，荷載下降速度減緩。在水膠比為16 時，端鉤形纖維峰值強度較高，當拔出位移增加時，荷載出現臺階式下降，壓痕形纖維在峰值強度較前者低，且峰值強度所在位移較前者大。而在水膠比為30時，端鉤形纖維、壓痕形纖維的峰值強度恰好相反，壓痕形纖維拔出強度較高，但比水膠比16 時的低，峰值強度所在位移提前。綜上，水膠比越小，混凝土強度越高，端鉤形纖維具有較好的優勢。

圖3 纖維形狀與拔出強度

（3）纖維尺寸

綜合分析了纖維長度和直徑對混凝土的強度的影響，以端鉤形鋼纖維為基礎，選取體積含量為1%，長徑比分別為43、67、86 和110 時，纖維混凝土抗壓強度的變化。由圖4 可以看出，長徑比在86時，抗壓強度表現較好，而長徑比為110 時，抗壓強度降低。理論分析較大的長徑比增大了纖維和混凝土的接觸面積，外力作用下混凝土和纖維兩者出現應變差，導致裂隙擴展，強度下降。

圖4 抗壓強度隨長徑比變化

（4）纖維含量

比較長徑比86，不同端鉤型鋼纖維含量（0、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%）對纖維混凝土強度的影響，如圖5所示，纖維含量從0增到1.8%時，強度不斷提高，但增長幅度減緩。比較抗壓強度發現，纖維含量在0～1.2%時，抗壓強度增長率最大，隨后增長率下降，到含量為1.8%時，抗壓強度達到60 MPa。劈裂強度隨纖維含量增加而提高，纖維體積含量在0～1.2%增長54.7%，在體積含量為1.8%時達到最大，為4.07MPa。纖維含量對混凝土的強度不會永久提升，纖維的增加會使得纖維團聚，導致混凝土強度降低。

圖5 纖維參量下混凝土強度

3 纖維混凝土護坡作用

3.1 數值模型

上述實驗說明，采用長徑比在86、纖維體積含量在1.8%、端構形鋼纖維用于數值分析（表2），為探究該纖維混凝土對黃土邊坡的護坡效果，以西北地區某黃土邊坡為例，坡面微向內凹，上部為黃土，下部為基巖，邊坡高度132 m，傾角45°，邊坡較高，邊坡穩定性較差（圖6）。為驗證纖維混凝土的護坡效果，比較2 h降雨條件下，有無纖維混凝土護坡下邊坡的穩定性。

表2 巖土體物理力學參數

圖6 邊坡示意圖

3.2 邊坡穩定性分析

比較黃土邊坡在降雨條件下，有無最優摻入纖維混凝土護坡效果下邊坡穩定性分析。無護坡邊坡后緣在降雨條件下邊坡上部位移增大，邊坡后緣出現張拉應力，后緣出現張裂隙，隨時間逐步向下延伸，直至貫穿形成滑動面，坡體安全系數為0.8，處于完全失穩狀態。

坡面設置纖維混凝土，由于纖維混凝土抗滲能力大，坡體內部地下水位未明顯上升，相比無護坡坡面，坡頂位移大大降低，坡腳應力小范圍集中，但最高值小于坡頂，坡面纖維混凝土受張拉應力明顯。邊坡穩定性系數為1.4，因此，坡體整體在降雨作用下，纖維混凝土護坡邊坡穩定性較好，表明纖維混凝土具有較好的護坡效果。

4 討論

（1）通過實驗分析纖維材料、纖維形狀、纖維尺寸、纖維體積含量等影響因素，對于低水膠比混凝土，長徑比在86、纖維體積含量在1.8%的端構形鋼纖維制作的纖維混凝土有著很好的工程性能，在價格、力學性能上表現出優勢。

（2）以西北地區某一典型黃土邊坡為例。比較在降雨條件下，有無最優摻入纖維混凝土護坡時，邊坡的穩定性。通過有限元分析，采用本實驗選出的最優摻入纖維混凝土能有效降低雨水入滲，提高邊坡自穩能力。