纖維加筋土在交通工程中的應(yīng)用研究綜述

王艷芳，周治剛

（1.南京大學(xué)金陵學(xué)院城市與資源學(xué)院，江蘇 南京 2100933；2.江蘇省水利工程科技咨詢有限公司，江蘇 南京 210029）

纖維加筋土在交通工程中的應(yīng)用研究綜述

王艷芳1，周治剛2

（1.南京大學(xué)金陵學(xué)院城市與資源學(xué)院，江蘇 南京 2100933；2.江蘇省水利工程科技咨詢有限公司，江蘇 南京 210029）

纖維加筋土是一種新型體積補強技術(shù)，運用在路堤路基工程中時具有限制土體豎向和側(cè)向變形，改善土體力學(xué)強度，增強邊坡穩(wěn)定性的作用。文章從靜、動力特性試驗和本構(gòu)關(guān)系角度總結(jié)纖維加筋土應(yīng)用研究成果，并對纖維加筋技術(shù)在道路交通工程中推廣運用面臨的關(guān)鍵問題進行分析，指出交通荷載條件下纖維加筋土動力變形特性的認知及如何將纖維材料對土體補強機制引入到土體的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系式中是拓展纖維加筋技術(shù)在交通工程中發(fā)展?jié)撃艿膬纱箨P(guān)鍵理論課題。

交通工程；纖維加筋土；靜力特性試驗；動力特性試驗；本構(gòu)理論

1 概述

纖維具有強度高、分散性好、易于拌合、不產(chǎn)生環(huán)境污染等優(yōu)點，纖維加筋能提高土體抗剪強度、抑制土體張裂縫、增強土體滲透性，以及改良土性等。纖維能提取自廢棄舊衣物，塑料產(chǎn)品（如回收的塑料袋、塑料瓶）、玻璃產(chǎn)品、植物遺體（如稻草、秸稈、椰子殼）等。纖維加筋土技術(shù)能改善多種土體，諸如砂性土、軟土、黃土、膨脹土、紅黏土、凍土、石灰、粉煤灰，甚至壩體砂礫料等的工程力學(xué)性能，尤其對防止土體裂縫變形，增強土體穩(wěn)定性有顯著效果。目前，纖維加筋技術(shù)在國內(nèi)外諸多的高速公路路堤、擋土墻、斜坡加固、壩體防滲等工程都有運用，取得了明顯的工程經(jīng)濟效益。與此同時，纖維加筋技術(shù)對土性改善與補強機制及纖維復(fù)合土的工程應(yīng)用研究也受到廣泛關(guān)注，對纖維加筋土技術(shù)的理論研究和應(yīng)用推廣成為研究熱點。

纖維加筋是指在土中摻入連續(xù)不斷的土工合成纖維來加固土體的一種方法，屬于一種新型體積補強技術(shù)，它不僅可以提高土的抗剪強度，還可以限制土的豎向和側(cè)向變形。本文從靜、動力特性試驗和本構(gòu)關(guān)系角度總結(jié)纖維加筋土應(yīng)用研究成果，并對纖維加筋技術(shù)在道路交通工程中推廣運用面臨的關(guān)鍵問題進行分析，指出交通荷載條件下纖維加筋土動力變形特性的認知及如何將纖維材料對土體補強機制引入到土體的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系式中是拓展纖維加筋技術(shù)在交通工程中發(fā)展?jié)撃艿膬纱箨P(guān)鍵理論課題。

2 靜力特性試驗研究

近些年來，國內(nèi)外關(guān)于纖維加筋土的研究多集中于從宏觀上分析纖維加筋對土體工程性質(zhì)的改善程度，在研究手段方面以室內(nèi)試驗為主，如擊實、無側(cè)限抗壓強度、直剪、三軸和CBR等試驗。研究方法及內(nèi)容主要集中在以下幾個方面：(1)討論纖維摻量及長度對土體力學(xué)強度的影響。Welker［1］等在三軸試驗中發(fā)現(xiàn)，纖維摻量并不是越多越好，單從提高抗剪強度方面考慮，確定最佳的纖維摻量為0.2%；Akbulut［2］等基于無側(cè)限抗壓強度結(jié)果，也得到最佳的纖維摻量在0.2%附近，并指出纖維長度對強度的影響無明顯規(guī)律。Miller［3］研究得出當(dāng)纖維摻量介于0.4%～0.5%時，能減少約 50%裂隙；當(dāng)纖維摻量達到0.8%時，最多能減少約 90%的裂隙。尹錦明［4］認為當(dāng)纖維摻量達到0.6%時，纖維在土中已難以拌合均勻，因此，在提高加筋土強度和回彈模量的同時，需考慮施工可行性，應(yīng)控制纖維的摻量。Mohamed［5］發(fā)現(xiàn)砂性土的纖維摻量為1%時，復(fù)合土抗剪強度開始下降。(2)討論何種纖維對土體力學(xué)補強效果好。介玉新，Consoli等［6-8］將聚丙烯纖維加入黏性土體中，研究其補強效果。Estabragh［9］發(fā)現(xiàn)水泥土中加入尼龍纖維對土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有顯著影響，提高了力學(xué)強度。Babu等［10］則研究椰皮纖維加筋土的抗拉強度及變形性質(zhì)。Anggraini等［11］研究椰皮纖維和石灰對軟土的加固效果，發(fā)現(xiàn)軟土的壓縮和拉伸強度有顯著提高，并能增加固化時間。Manbeian［12］、Mohamed［5］等以植物纖維為加筋材料，土體抗剪強度明顯加強，且有一個最佳摻量。Akbulut［2］等研究得出當(dāng)使用橡膠纖維時，最佳摻量為2%，最佳纖維長度為10 mm；當(dāng)使用聚丙烯纖維時，最佳摻量為0.2%，最佳纖維長度為15 mm。Mirzababaei［13］等研究以廢棄地毯為加筋材料，同樣能有效提高土體的無側(cè)限抗壓強度，并同時增加土體韌性。(3)土體密實度及有無水泥膠結(jié)作用。介新玉等［6］通過離心試驗發(fā)現(xiàn)素土邊坡的破壞具有突發(fā)性特點，而纖維加筋土坡的破壞則是漸進性的，據(jù)此得出纖維加筋能有效提高土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。唐朝生等［14］研究了聚丙烯纖維的物理加筋和水泥化學(xué)加固對軟土力學(xué)強度的影響，指出纖維的加入降低了水泥土的脆性，提高了水泥土的斷裂破壞韌性，對提高工程的安全性和穩(wěn)定性有一定意義。荊林立［15］通過離心模型試驗?zāi)M高填方路堤素土模型和纖維土模型的位移矢量圖，試驗結(jié)果表明纖維均化了路堤內(nèi)的應(yīng)力分布，減少了不均勻沉降，對路堤最大側(cè)向位移值減少51.4%，最大豎向位移值減少15.3%，反映出纖維對路堤位移有很強的限制作用。Diambra等［16-17］對不同密實度的hostun RF sand進行不同摻量的聚丙烯纖維試驗研究，發(fā)現(xiàn)三軸壓縮條件下，隨聚丙烯纖維摻量的增加不管松砂還是密砂的強度都有明顯提高，但三軸拉伸試驗條件下補強效果不明顯。Hamidi，Hooresfand［18］則指出摻入聚丙烯纖維對密實水泥膠結(jié)砂土的剪切強度提高更為顯著。Saman，Asskar［19］通過三軸試驗對比研究發(fā)現(xiàn)對于級配極差的砂土，摻入聚丙烯纖維（長度18 mm，直徑0.023 mm）對素砂的黏聚力和內(nèi)摩擦角都有明顯影響，而聚丙烯纖維對水泥膠結(jié)砂的黏聚力提高有一定幫助，對內(nèi)摩擦角影響卻不明顯。(4)纖維對特殊土的改良作用。趙寧雨［20］通過對素紅黏土和聚丙烯/滌棉纖維加筋紅黏土進行三軸試驗研究，得出紅黏土合理的纖維加筋長度為10～13 mm，最佳摻量為0.3%，且聚丙烯纖維加筋效果要優(yōu)于滌棉纖維。韓春鵬［21］研究得出凍融條件會導(dǎo)致纖維土的黏聚力逐漸下降，內(nèi)摩擦角逐漸升高。雷勝友［22］發(fā)現(xiàn)纖維加筋能抑制膨脹土膨脹性。陳樂［23］等則開展了聚丙烯纖維加筋高嶺土的固結(jié)壓縮特性試驗，Gumuser［24］等以不同含量的聚丙烯纖維摻入粉煤灰，能抑制土體的張拉裂縫和變形，并增加土體的承載力和韌性。

上述多方面的研究成果均表明不同的纖維是通過與土顆粒接觸面間的摩擦力來增加土體的黏聚力，限制土體變形的。因此纖維影響土體抗剪強度的主要因素是黏聚力，各種纖維土都顯示出內(nèi)摩擦角變化不大。張艷美［25］將纖維土的補強機理分為彎曲機理和交織機理。尹錦明［4］認為纖維的摻入對土顆粒起到了一定的潤滑作用，有利于土顆粒重新分布和壓實，以提高土體承載力。唐朝生等［26］利用掃描電鏡對纖維土作用機理進行微觀研究，并將纖維-土骨架之間的相互作用力定義為界面力，大小主要取決于界面摩擦力和黏結(jié)力。由于土體中隨機分布大量纖維，交織成網(wǎng)，故纖維的補強方式主要以纖維網(wǎng)的三維拉筋作用為主。

另外，一些學(xué)者研究將廢棄的蛇皮袋、可降解的廢棄塑料袋或塑料瓶（主要成分為聚丙烯纖維）等攪碎均勻摻入土體中，發(fā)現(xiàn)亦能起到增加土體抗剪強度，限制土體變形的作用，從而進一步提升了纖維加筋土技術(shù)的環(huán)保價值［27-28］。

3 動力特性試驗研究

鐵路、道路工程中的路堤、路基在正常工作狀態(tài)是連續(xù)不斷地承受交通荷載反復(fù)作用的，且隨著地震增多及抗震設(shè)計概念的提出和推廣，為了保證路堤路基工程的設(shè)計安全，有必要了解纖維加筋土在復(fù)雜應(yīng)力條件下的工作性狀。

目前關(guān)于纖維加筋土動力特性試驗的研究還不多，已有成果主要以室內(nèi)動三軸為基礎(chǔ)，研究循環(huán)荷載作用下土體強度和變形隨纖維摻量、長短、振動次數(shù)、圍壓等的變化規(guī)律。1991年美國學(xué)者R.P.Wood對非定向纖維加筋砂土的動模量和阻尼特性的研究表明，纖維加筋對砂土的動力特性有明顯的改善。張小江［29］研究在單軸應(yīng)力條件下纖維加筋粘性土受周期荷載作用下的抗張拉和抗斷裂特性。試驗中用相同密度和含水量的素黏性土為對比組，判定纖維加筋對黏性土的靜、動強度，變形特性和斷裂特性的影響，發(fā)現(xiàn)纖維加筋能提高土體在動荷載作用下的強度、韌性和塑性。張艷美［30］通過動三軸試驗，研究圍壓、纖維長度、纖維細度和配合比等因素對聚丙烯纖維加固粉砂的動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及動強度的影響規(guī)律。S.A.Naeini［31］通過動三軸試驗研究粉細砂加筋土的動力特性，得到土工織物能增加土體的軸向剛度同時降低其循環(huán)受剪的延展性能。劉寒冰［32］通過動三軸試驗研究了聚丙烯纖維加筋粉煤灰土的動力特性，高圍壓下纖維對粉煤灰動強度影響較大，改良土受動應(yīng)變的影響比粉煤灰土小，比較穩(wěn)定。楊帥東［33］采用動三軸試驗對加筋土試樣進行固結(jié)不排水三軸剪切試驗，發(fā)現(xiàn)加筋土的動彈性模量隨圍壓和固結(jié)應(yīng)力比的增加而增大。

從已有研究成果看，纖維加筋技術(shù)動力特性主要以室內(nèi)動三軸試驗為基礎(chǔ)，研究循環(huán)荷載作用下土體強度和變形隨纖維摻量、長短、振動次數(shù)、圍壓等的變化規(guī)律。實際上，單純的動三軸試驗對土體動力特性研究的方式過于單一，無法反映交通荷載條件下，纖維加筋土的力學(xué)性狀。

交通荷載是比較復(fù)雜的荷載形式，土體單元受到的循環(huán)應(yīng)力隨主應(yīng)力方向改變，其循環(huán)應(yīng)力大小也在改變，可用“蘋果狀”的應(yīng)力路徑來表征土體單元剪應(yīng)力與偏應(yīng)力的應(yīng)力交替關(guān)系，對于如此復(fù)雜應(yīng)力條件，纖維復(fù)合的補強機制又會如何發(fā)揮，工程力學(xué)性狀如何，目前這一方面的研究工作開展較少，尚待研究。

4 本構(gòu)模型研究

土的本構(gòu)關(guān)系是現(xiàn)代巖土力學(xué)的核心內(nèi)容，也是工程數(shù)值計算的基礎(chǔ)，關(guān)于纖維加筋土的本構(gòu)理論的研究成果目前還比較少。不少學(xué)者基于土體受力平衡［34-35］以及能量消散理論［36-37］來描述纖維加筋對土體抗剪強度的補強效果。Zornberg［38］考慮纖維與土顆粒的疊加效應(yīng)提出了一個流程圖來預(yù)測不同種類的纖維加筋土失效強度。我國學(xué)者介玉新［39］提出等效附加應(yīng)力法分析纖維加筋土受力特性，基本思路是把加筋土中筋的作用等效成外力加在土骨架上，取加筋土中的土體進行計算。這種方法能夠適用于纖維加筋、分層加筋和土釘墻等，能克服一般復(fù)合材料中復(fù)合材料本構(gòu)模型難以建立，及把加筋土分開考慮的方法中接觸面單元過多的弊病。早期研究考慮纖維與砂土的疊加效應(yīng)基于連續(xù)介質(zhì)理論提出加筋土一個相對完整的本構(gòu)理論［40-41］。其中Villard［40］提出的本構(gòu)模型指出了纖維分布方向的重要性，并將其作為一個參數(shù)來表征纖維加筋的有效性。Li等［42］根據(jù)循環(huán)荷載試驗結(jié)果總結(jié)出一個適應(yīng)動力荷載的非線性彈性模型。Ding等依據(jù)在單向壓縮荷載在考慮材料體積均一性基礎(chǔ)上，提出了一非線性彈性模型［43］。Ibraim等采用離散元的方法分析了加筋纖維與土顆粒間的微觀力學(xué)行為［44-45］。Babu等［46］提出采用有限元的方法來分析纖維加筋土力學(xué)特性。A Diambra［17］提出用理想彈塑性Mohr-Coulomb模型來模擬加筋纖維土三軸壓縮和三軸拉伸狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。Okóvat N［47］依據(jù)無側(cè)限壓縮試驗結(jié)果基于顆粒群優(yōu)化算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出一個多項式模型來預(yù)測纖維加筋土的力學(xué)特性。在纖維/土體界面相互作用機理方面，國內(nèi)外研究相對較少。DI Prisco［41］等將纖維和土視為兩相，先后提出了用于描述纖維加筋土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)模型，并通過試驗進行驗證。Michalowski［48］從單根纖維和土體相互作用的角度，建立纖維加筋土的各向異性本構(gòu)模型，討論了強度參數(shù)對主應(yīng)變率方向的依賴性。張樹光［49］等利用離散單元法模擬了直立纖維加筋邊坡內(nèi)部裂隙產(chǎn)生和發(fā)展過程。

雖然研究者們對纖維加筋土的本構(gòu)模型進行了一些探討，但缺乏能考慮動荷載及復(fù)雜應(yīng)力路徑的本構(gòu)模型。如果將纖維加筋土作為路堤或路基材料時，交通荷載的作用勢必會引起主應(yīng)力軸的循環(huán)旋轉(zhuǎn)和幅值的連續(xù)變化，土體的受力和變形性狀用現(xiàn)有理論難以給出準(zhǔn)確計算結(jié)果，因此研究交通荷載作用下纖維加筋和水泥固化土的動力本構(gòu)模型有重要的意義，為此類纖維加筋土在交通工程中實現(xiàn)有限元數(shù)值分析奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

從國內(nèi)外研究發(fā)展動態(tài)可知，過去的研究主要集中在纖維材料選取、纖維摻量、尺寸、密實度、圍壓等因素對纖維加筋土力學(xué)特性的影響。研究的手段也大多以靜力特性試驗為主，簡單著眼于為不同工程性質(zhì)土體找到某一恰當(dāng)?shù)睦w維摻量、長度等工程施工參數(shù)，雖然也開展了動三軸試驗研究，但相對靜力特性試驗，僅僅是多增加了一個循環(huán)動荷載的影響因素。隨著交通工程尤其是鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，路堤及基礎(chǔ)的穩(wěn)定與變形控制亟需新型工程處置措施來克服固有的巖土工程問題。纖維加筋土技術(shù)作為一種新型的土體補強技術(shù)有廣泛的應(yīng)用前景和環(huán)保價值，要拓展其在交通工程中的發(fā)展?jié)撃?，有以下兩個關(guān)鍵的科學(xué)問題需要解決：

（1）以往纖維加筋土力學(xué)特性試驗研究過于傳統(tǒng)，不能充分反映交通荷載條件下，纖維加筋土的補強機制，不足以刻畫交通荷載條件下纖維加筋土變形性質(zhì)，缺乏對纖維加筋土動力特性的認知；

（2）未將纖維材料對土體補強機制引入到纖維加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系式中，使得在實際工程應(yīng)用中纖維加筋土穩(wěn)定和變形性狀難以預(yù)測，工程設(shè)計中也缺乏完善的設(shè)計依據(jù)。

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Research on Fiber-reinforced Soil Applying in Traffic Engineering

Wang Yanfang1, Zhou Zhigang2
（1.Jin Ling Academy, Nanjing University, Nanjing 210093, China；2. Jiangsu Provincial Water Engineering Sci-tech Consulting Co., Ltd., Nanjing 210029, China）

Fiber-reinforced soil is a new kind of bulk-reinforcement technology. When used in embankment or subgrade engineering, this technology could limit the vertical and lateral deformations of soil, and improve the mechanical strength of soil, and strengthen the slope stability. In this paper, a review of fiber-reinforced soil was given from aspects of the static and dynamic characteristic tests and constitutive relationship. The crucial problems were analyzed about promoting the application of fiber-reinforced soil in traffic engineering. The two crucial theoretical issues were pointed out about advancing this technology in the traffic engineering. First was properly recognized the fiber-reinforced soils'dynamic deformation characteristics under the complicated traffic loads. The second was how to establish the stress-strain constitutive formula considering the fiber's mechanical reinforcement effect.

traffic engineering; fibre-reinforced soil; static characteristic test; dynamic characteristic test; constitutive theory

U414

A

1672-9889（2016）06-0017-05

2016-02-26）

王艷芳（1983-），女，湖北荊州人，講師、博士，主要從事巖土工程地基處理及相關(guān)教學(xué)工作。