纖維加筋土抗液化性能的研究進展

劉 超，葉 斌，路家峰

(同濟大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092)

0 引言

土體地震液化是引起建(構(gòu))筑物破壞的一個重要原因。例如，1964年的日本新瀉地震［1］、1976年的唐山地震［2］、2008 年的汶川地震［3］以及 2011 年的東日本地震［4］中，均產(chǎn)生了大量由于砂土液化所導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)、橋梁及建筑地基破壞、建筑物上浮以及建筑物過量沉降等破壞現(xiàn)象。除地震作用以外，單調(diào)不排水荷載所引起的靜態(tài)液化問題，也同樣會導(dǎo)致諸如滑坡、地基沉降、土體結(jié)構(gòu)破壞、建筑物側(cè)向位移等多種破壞形式［5］。因此，在過去的30多年中，液化問題得到了廣泛的研究。

通常用以降低土體液化風(fēng)險的措施包括加密、增強排水、加筋、固化和置換等。其中，纖維加筋技術(shù)作為一種抗液化手段，具有經(jīng)濟效益高、適應(yīng)性強、受環(huán)境影響小且加筋材料種類豐富等優(yōu)勢，引起了越來越多的學(xué)者和工程技術(shù)人員的重視，并開展了一系列相關(guān)研究工作［5-24］。

實際上，早在五千多年前，人們就已經(jīng)開始利用秸稈或干草等天然纖維來提高建筑材料的穩(wěn)定性和強度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多種纖維材料被廣泛應(yīng)用于巖土工程中，主要包括路基建設(shè)、擋土墻、邊坡防護和地基處理等。大量應(yīng)用成果已經(jīng)證明，在靜荷載條件下，纖維加筋可顯著提高土體的整體強度，減少土體的變形并增強土體的穩(wěn)定性［25-27］。然而，纖維加筋技術(shù)應(yīng)用于土體抗液化方面的研究還開展得相對較少。因此，本文旨在對目前已開展的關(guān)于纖維加筋土抗液化性能方面的研究進行綜述，探討加筋纖維增強土體抗液化性能的機理，為今后這一方面的研究和應(yīng)用起到參考和借鑒作用。

1 纖維加筋土抗液化性能的研究進展

根據(jù)纖維材料分布形式的不同，纖維加筋可分為定向分布的纖維加筋(例如常見的土工格柵、土工織物等土工合成材料)和隨機分布的纖維加筋兩大類。這兩類加筋方式在增強土體抗液化能力方面具有不同的作用機理和效果。因此，本文將對這兩類加筋方式的相關(guān)研究成果分別加以綜述。

1.1 定向分布的纖維加筋

定向分布的纖維加筋是指包括土工織物、土工格柵、土工網(wǎng)等在內(nèi)的土工合成材料的定向加筋。其中，土工織物又可分為經(jīng)過編織的有紡?fù)凉げ己臀唇?jīng)過編織的無紡?fù)凉げ純煞N形式。在土體中加入這些定向分布的纖維材料以后，可顯著改善土體的動態(tài)響應(yīng)特征，包括土體的抗液化強度。Krishnaswamy等人［6-7］首先對定向分布的纖維加筋材料提高土體抗液化強度的作用機理及影響因素進行了研究。他們分別對不同尺寸的有紡和無紡?fù)凉た椢锛咏钤嚇舆M行了大量不排水動三軸試驗，發(fā)現(xiàn)纖維加筋可顯著提高土體的抗液化性能，且土體的抗液化強度隨著加筋層數(shù)的增加而逐漸增強。尤其是當(dāng)密實度較低且加筋材料具有較高的剛度和界面摩擦?xí)r，加筋效果更為顯著。通過應(yīng)力分析，Krishnaswamy等人［7］還指出纖維加筋土抗液化強度增強的主要原因是由于加筋層間土體的有效圍壓在加筋材料的約束作用下得到了極大的提高。由于該有效圍壓是加筋材料和土體界面間剪應(yīng)力的函數(shù)，而界面間的剪應(yīng)力又會隨著摩擦系數(shù)、加筋材料的抗彎剛度以及加筋材料的壓縮性的變化而改變。因此，加筋層和土體接觸面間的摩擦系數(shù)、加筋層的抗彎剛度以及加筋層的壓縮性是影響加筋土抗液化強度的主要因素。Altun［8］等人利用空心圓柱扭剪試驗獲得了有紡、無紡?fù)凉た椢锛咏钤嚇拥囊夯瘡姸惹€(圖1)。試驗結(jié)果表明，有紡及無紡?fù)凉た椢锛咏罹捎行岣咄馏w的抗液化強度，并且加筋試樣的抗液化強度隨著加筋層數(shù)的增加而增強，這與Krishnaswamy等人［6-7］通過動三軸試驗所得到的結(jié)論相一致。Altun［8］等人的試驗結(jié)果還表明，在相同條件下無紡?fù)凉た椢锏淖饔眯Ч麅?yōu)于有紡?fù)凉た椢铩?/p>

圖1 不同土工織物加筋土體的抗液化性能［8］Fig.1 Liquefaction-resistance characteristics of different reinforced soils

Vercueil等人［9］利用動三軸試驗進一步研究了無紡?fù)凉た椢锏膲嚎s性和表面粗糙度對加筋土體抗液化性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)動應(yīng)力比大于Nl=20(Nl指試樣達到液化所需要的應(yīng)力循環(huán)次數(shù))所對應(yīng)的動應(yīng)力比時，無紡?fù)凉た椢飳ν馏w抗液化性能的提高效果主要取決于其壓縮性;而當(dāng)動應(yīng)力比小于Nl=20所對應(yīng)的動應(yīng)力比時，無紡?fù)凉た椢飳ν馏w抗液化性能的提高效果主要取決于其表面粗糙程度。Vercueil等人［9］還指出無紡?fù)凉た椢锛咏钇鸬搅嗽鰪娕潘淖饔?，可加快土體中的超孔隙水壓的消散從而延遲土體的液化。但是，隨著土體在荷載作用下變形逐漸增大，當(dāng)土工織物達到最大伸長率時，加筋材料的抗液化作用便會降低，這時土體便會發(fā)生液化。

除室內(nèi)試驗外，部分學(xué)者還利用模型試驗研究了定向分布的纖維加筋土的抗液化性能。Maheshwari等［10］對土工格柵加筋的模型地基進行了振動臺試驗，指出土工格柵加筋可降低試樣的最大孔壓比，從而抑制液化的發(fā)生;同時減小由液化所引起的土體振陷量。在低加速度振動時，加筋效果更為顯著(表1)。車金枝［11］同樣對多種定向分布的纖維加筋模型地基進行了一系列振動臺試驗，得出纖維加筋在一定程度上降低了地基底、中、頂部的孔壓比從而提高了土體的抗液化強度，這與Maheshwari等人［10］的研究結(jié)論相一致。

綜上所述，定向分布的纖維加筋材料能夠顯著地提高土體的抗液化強度，但是加筋材料多方面的性質(zhì)均會對加筋土的抗液化性能產(chǎn)生影響。

表1 不同纖維材料加筋土在振動臺模型試驗中抗液化強度的提高率［10］Table 1 Improvement of liquefaction－resistance for different reinforced soils in shaking table tests

1.2 隨機分布的纖維加筋

隨機分布的纖維加筋是將纖維材料直接摻入土中與土體隨機均勻混合，從而改變土體的力學(xué)性質(zhì)，提高土體的抗液化性能。不同于定向分布的纖維加筋，隨機分布的纖維加筋土的制備過程與混凝土比較類似，只是將纖維材料與土體進行簡單地混合。因此，只要兩者混合均勻即可保證加筋土各向同性且無潛在軟弱面。早在1989年，Noorany等［12］就對隨機分布的纖維加筋土和定向分布的纖維加筋土的抗液化性能進行了比較研究。比較結(jié)果表明，隨機分布的纖維加筋材料的抗液化效果優(yōu)于定向分布的纖維加筋材料。Maheshwari等人［10］在振動臺模型試驗中也研究了隨機分布的合成纖維及天然椰殼纖維加筋土體的抗液化性能(表1)。其中，兩類纖維均按干砂質(zhì)量的0.25%、0.50%、0.75%隨機摻入土中。試驗結(jié)果表明，兩類纖維均可顯著地增強土體的抗液化強度，且隨纖維含量的增加抗液化性能逐漸增強。主要表現(xiàn)在以下三個方面，隨纖維含量的增加:(1)最大孔壓比顯著降低;(2)達到最大孔壓比的時間延遲;(3)液化所引起的沉降減少。從表1的結(jié)果可以看到，隨機分布的纖維加筋土的抗液化性能優(yōu)于定向分布的土工格柵加筋土，其中，椰殼纖維加筋土體的抗液化性能最優(yōu)。例如，當(dāng)加速度為0.1g時，對于0.75%纖維含量的加筋砂土來說，土工合成纖維加筋試樣及天然椰殼纖維加筋試樣抗液化強度的平均增長率分別為88%和91%，振陷量分別為3.7mm和1.6mm;而對于5層土工格柵加筋的砂土，其抗液化強度增長僅為31%，振陷量達到13.7mm。

隨機分布纖維加筋的抗液化效果同樣也受到多種因素的影響。Maher等［13］通過大量的振動臺試驗和空心圓柱扭剪試驗，研究了隨機分布纖維的種類、分布方向、含量、長徑比等多種因素對加筋土體動態(tài)響應(yīng)特征的影響，指出隨機分布的纖維加筋能夠顯著提高加筋試樣的動剪切模量及其抗液化強度。Omarov［14］選用兩種不同種類的土工纖維進行隨機分布加筋，纖維含量分別為干砂質(zhì)量的0.2%、0.5%、1%，并對加筋試樣進行了大量不排水動三軸試驗，發(fā)現(xiàn)纖維加筋可以降低砂土的超孔隙水壓從而提高其抗液化性能。同時，Omarov等［14］還發(fā)現(xiàn)纖維種類對超孔隙水壓的發(fā)展有較大的影響，而纖維含量對超孔隙水壓的影響卻較小。

隨著人們環(huán)保意識的提高，多種廢棄物，如廢棄輪胎制成的橡膠顆粒或廢棄地毯制成的纖維長條等，也常用于摻入土體中作為加筋材料。這些廢棄物在功能上也起到隨機分布的纖維加筋作用。Ghiassian等人［15］將廢棄地毯制成的纖維長條作為加筋材料，通過動三軸試驗發(fā)現(xiàn)纖維長條可有效的改善加筋細砂土體的動力特性，并指出纖維長度和含量對加筋細砂的動力特性均有影響。Feng等人［16］通過振動臺模型試驗研究了橡膠顆粒摻入土體后對土體剪切模量和阻尼比的影響，發(fā)現(xiàn)隨著橡膠顆粒摻入量的增加，土體在振動過程中的阻尼比會顯著增加。這說明橡膠顆?？勺鳛闇p小振動影響的阻尼材料，從而提高土體在動荷載下的抗液化性能。Hazarika等［17］進一步驗證了將橡膠顆粒作為加筋材料用于提高砂土抗液化性能的可行性，指出摻入土體中的橡膠顆粒可以有效地抑制振動過程中超孔隙水壓的增長。然而，需要注意的是，橡膠顆粒與土體的互鎖能力較差，因此，摻入土體中的橡膠顆粒所占的體積需要達到一定的比例，才能對土體的動力特性產(chǎn)生影響。否則，加筋效果并不明顯。例如，F(xiàn)eng等人［16］在進行試驗時，所選用的橡膠顆粒所占體積比例達到29%以上。Hazarika等人［17］指出橡膠顆粒所占體積比例大于50%時，土體的最大孔壓比才會顯著降低。

除了動荷載以外，單調(diào)的靜荷載也可能誘發(fā)土體的液化破壞現(xiàn)象。近年來，不少學(xué)者針對隨機分布的纖維加筋土的靜態(tài)液化問題開展了研究工作。Ibraim等［20-21］通過大量的直剪試驗和常規(guī)三軸試驗，證明隨機分布的纖維加筋可顯著提高試樣的抗靜態(tài)液化性能，主要表現(xiàn)在:(1)在排水試驗條件下，加筋纖維可以增強試樣的體積膨脹能力，從而使得試樣在較高的荷載水平下才會達到液化所需要的孔隙水壓力;(2)在不排水三軸壓縮條件下，隨機分布的纖維加筋可使靜態(tài)液化完全被抑制;(3)在不排水三軸拉伸條件下，隨機分布的纖維加筋可以增加試樣的抗剪強度，并且能有效地抑制由于靜態(tài)液化所引起的變形。加筋與未加筋試樣在液化后的具體形態(tài)如圖2所示。Liu等人［22］通過不排水環(huán)剪試驗研究了砂土密實度和纖維含量對隨機分布的纖維加筋砂土抗靜態(tài)液化性能的影響，指出加筋對松砂的抗液化特性影響不大，但對中密和密實砂土的影響則較為顯著。同樣，Liu等人［22］也對試樣破壞后的形態(tài)進行了觀察，指出纖維加筋可以有效的抑制由于液化所引起的砂土側(cè)向變形，保持砂土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖2 試樣完全液化后的照片［21］Fig.2 Photographs of liquefied samples

通過大量學(xué)者的研究均可發(fā)現(xiàn)，隨機分布的纖維加筋對于增強土體的抗液化能力具有顯著的效果，是一種具有良好應(yīng)用前景的抗液化措施。然而，一些學(xué)者也指出了隨機分布的纖維加筋技術(shù)在實踐中的一些難點，主要表現(xiàn)在要使摻入的纖維在土體中達到均勻分布的狀態(tài)十分困難。這對纖維長度及纖維含量均有一定的要求。

一般來說，纖維較短且含量不高時，容易與土體混合均勻，但是過短的纖維和過低的纖維含量可能無法達到預(yù)期的加筋效果;相反，纖維長度過長或是含量過高時，又會增大加筋體制備的難度，導(dǎo)致纖維的不均勻分布進而影響加筋效果。Newman等人［23］指出當(dāng)纖維長度超過51mm時，加筋不僅沒有顯著改善土體的性質(zhì)，反而會導(dǎo)致纖維材料難以與土體均勻混合，并易形成潛在軟弱面從而影響加筋效果。另外，在室內(nèi)研究中，常用濕夯法制備隨機分布的纖維加筋試樣，因為濕夯法可以較好的控制土樣密實度、避免纖維分離，且由濕夯法制備纖維加筋試樣的過程與現(xiàn)場擊實制備纖維加筋土的過程相似。Diambra［24］發(fā)現(xiàn)濕夯法會使纖維形成近水平的定向分布，因此，將加筋體認(rèn)為各向同性會高估加筋體的強度。Ibraim等人［21］的試驗研究也表明由纖維加筋所引起的強度增長呈各向異性，且由三軸壓縮試驗所得到的摩擦角與由三軸拉伸試驗所得到的摩擦角差別較大。因此，在將隨機分布的纖維加筋技術(shù)應(yīng)用于實際工程之前，這些關(guān)鍵難點問題需要進一步深入地研究.

2 總結(jié)

關(guān)于纖維加筋在增強土體抗液化性能方面的作用效果，不少學(xué)者已經(jīng)進行了試驗和理論上的探索，得到了一些初步結(jié)論:

(1)大量研究結(jié)果均表明定向分布纖維性質(zhì)加筋可以顯著提高土體的抗液化性能，并且提高效果隨著加筋層數(shù)的增多而增強，同時減小土體液化后的沉降量。然而，關(guān)于定向分布的纖維加筋機理及加筋土的主要影響因素并未達到統(tǒng)一，既有的研究成果主要可以概括為:

1)加筋材料可作為滲流通道起到增強排水的作用，加快土體中的超孔隙水壓的消散，從而降低土體的超孔壓比進而延遲土體的液化。

2)加筋材料可起到側(cè)向約束的作用，通過提高加筋層間土體的有效圍壓從而提高土體的抗液化強度。

(2)隨機分布的纖維加筋抗液化效果優(yōu)于定向分布的纖維加筋，其原因在于在隨機分布的纖維加筋不存在明顯的各向異性，只要混合均勻，土樣則不存在潛在軟弱面，因而可以更大程度地降低土樣的孔壓比，減小液化所引起的沉降，同時還可以延緩液化發(fā)生的時間并且顯著減小由液化所引起的變形。

(3)多種廢棄物，如廢棄輪胎制成的橡膠顆?；驈U棄地毯制成的纖維長條等，也常用于摻入土體中作為加筋材料?，F(xiàn)有的研究同樣表明，此類摻入物同樣可以提高土體的抗液化性能。

(4)隨機分布的纖維加筋不僅可以有效地抑制動荷載所引起的液化，同樣可以抑制土體的靜態(tài)液化，并且減小液化后所發(fā)生的變形，保持土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。纖維含量及砂土密實度是其主要影響因素。

3 展望

通過對之前學(xué)者的大量研究進行綜述，筆者認(rèn)為纖維加筋土對提高土體的抗液化性能具有顯著的效果，但是將纖維加筋技術(shù)應(yīng)用到土體的抗液化工程實踐中仍然存在一些具體問題需要解決，主要包括以下三個方面:

(1)關(guān)于纖維材料在土體中的抗液化作用機理及其影響因素，目前還主要處在定性研究階段，定量的研究成果還較少，需要進一步通過各類試驗研究確定不同參數(shù)對加筋土的影響作用。同時也未對該問題進行深入的數(shù)值模擬分析，應(yīng)當(dāng)加強該方面的研究，這對以后在工程實踐中正確選取加筋材料以及加筋形式具有重要的意義。

(2)人工或機械的方法均可用于制備隨機分布的纖維加筋土，但是，在實際工程中纖維成團、混合不均的實際問題，很大程度上限制了隨機分布的纖維加筋土的工程應(yīng)用。

(3)目前，將纖維加筋土技術(shù)應(yīng)用于抗液化實際工程中，還缺少專門的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及科學(xué)的評價標(biāo)準(zhǔn)，因此，需要在加強應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上，制定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推進纖維加筋技術(shù)在工程中的應(yīng)用。

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