纖維加筋土的工程性質(zhì)研究現(xiàn)狀與展望

董蕓秀，李 平，楊永東，魏 榮

(1.隴東學(xué)院黃土工程性質(zhì)及工程應(yīng)用省級重點實驗室，甘肅慶陽745000；2.隴東學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅慶陽745000；3.廣東碧桂園職業(yè)學(xué)院，廣東清遠511510)

纖維加筋土的工程性質(zhì)研究現(xiàn)狀與展望

董蕓秀1,2，李 平1,2，楊永東1,2，魏 榮3

(1.隴東學(xué)院黃土工程性質(zhì)及工程應(yīng)用省級重點實驗室，甘肅慶陽745000；2.隴東學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅慶陽745000；3.廣東碧桂園職業(yè)學(xué)院，廣東清遠511510)

纖維加筋土是一種采用機械、水壓或氣壓方式將纖維材料連續(xù)或離散地摻入到土中形成的具有優(yōu)良工程力學(xué)性能的新型復(fù)合土。目前，纖維加筋技術(shù)已應(yīng)用于擋土結(jié)構(gòu)、路堤、水利水電、巖土工程等多個領(lǐng)域，所以，深入開展纖維加筋土的理論和工程應(yīng)用的研究必將對推動我國未來土體補強技術(shù)產(chǎn)生深遠影響。系統(tǒng)總結(jié)了纖維加筋土的強度特性、變形特性及滲透特性等工程特性的研究現(xiàn)狀，闡述了近年來纖維加筋土的研究進展，并基于現(xiàn)階段纖維加筋土的理論及技術(shù)研究方面的不足，對今后該領(lǐng)域的研究重點和發(fā)展方向進行了展望。

纖維加筋土；纖維加筋技術(shù)；工程性質(zhì)；研究進展

纖維加筋土與傳統(tǒng)土工合成材料加筋土不同，傳統(tǒng)的加筋土往往由于分散性差、不易拌和等缺點，常被認為是非均質(zhì)的各向異性材料而進行分析和應(yīng)用，而纖維加筋土恰恰彌補了這一缺點，它是將一定比例的纖維絲材料與土體采用機械方式、氣壓方式或水壓方式充分拌合形成的一種新型土工復(fù)合材料，大大提高了土的工程力學(xué)性能。上世紀60年代，法國工程師Henri Vidal成功設(shè)計出第一個加筋構(gòu)筑物，標志著纖維土的研究和應(yīng)用正式拉開帷幕。我國自上個世紀90年代初開始了關(guān)于纖維加筋土的研究，至今已取得一定成果[1-3]。目前，纖維加筋技術(shù)已逐漸應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如擋土結(jié)構(gòu)、路堤、水利水電、巖土工程等，而纖維加筋土的理論研究及工程應(yīng)用依然是工程界的研究熱點。本文闡述了近年來纖維加筋土工程性質(zhì)的研究進展，提出并探討了目前纖維加筋土研究領(lǐng)域中存在的若干問題，并對今后該課題的研究重點和發(fā)展趨勢進行了展望。

1 纖維加筋土的強度特性研究

1.1 纖維加筋土的抗剪強度

土的抗剪強度的高低直接反映著土體抵抗剪切破壞的極限能力的大小，是土體強度的重要組成部分，也是影響土體穩(wěn)定的重要參數(shù)，土的剪切破壞是工程中最常見的病害問題之一。丁萬濤對膨脹土及其加筋土進行了三軸剪切試驗研究，對比發(fā)現(xiàn)，加筋后膨脹土的抗剪強度指標c顯著增加而φ值變化較小，加筋層數(shù)和布筋形式以及含水量三方面因素對土的抗剪強度影響較大[4]。蔡華南等選用纖維摻入量、壓實度、含水率作為控制變量，對不同工況條件制作了纖維加筋黃土及黃土試樣，進行了多組直剪試驗研究纖維加筋黃土的抗剪強度影響因素，研究表明，纖維摻量主要影響黃土的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)以及黃土的粘聚力，壓實度則直接影響黃土的抗剪強度[5]。宋金巖等采用玻璃纖維對ISO標準砂加筋，對試樣進行了室內(nèi)三軸抗剪強度試驗，得出：玻璃纖維加筋對砂土的強度指標c提高效果顯著，但對無筋砂土的φ值影響不大，強度指標c與纖維長度、纖維摻加比例呈非線性關(guān)系[6]。

現(xiàn)有成果表明，不論對于黏性土還是非黏性土，通過纖維加筋技術(shù)均可提高土的抗剪強度，表現(xiàn)為土的粘聚力c的顯著增強，而對內(nèi)摩擦角φ的影響不大；對土的抗剪強度影響分析主要從質(zhì)量加筋率、纖維長度和形狀、含水率、壓實度等因素考慮；纖維加筋土的破壞形式與未加筋土相比，呈現(xiàn)出明顯的塑性破壞。對于抗剪強度的研究，目前主要還是以室內(nèi)直剪試驗和三軸剪切試驗為主，試樣尺寸偏小，這與實際工程中土的受力狀態(tài)相比必然存在偏差。此外，試樣的制備方法多樣，可能會導(dǎo)致相同加筋條件下的加筋效果不同。關(guān)于加筋土的微觀結(jié)構(gòu)對抗剪性能影響的研究還未形成完整體系。綜上所述，建議進一步開展大尺度模型試驗、現(xiàn)場試驗、微觀力學(xué)以及完善試樣制備方法等方面的研究工作。

1.2 纖維加筋土的抗壓強度

目前，無側(cè)限抗壓強度試驗和三軸壓縮試驗是研究纖維加筋土的抗壓強度性能的主要方法。Cai等在無側(cè)限條件下，選用纖維摻量、石灰摻量和養(yǎng)護時間作為變量，對聚丙烯纖維加筋石灰土的抗壓強度特性進行了研究，分析了這些變量對土的抗壓強度的影響，結(jié)果表明：增加纖維摻量和養(yǎng)護時間可提高土的無側(cè)限抗壓強度，過于增加石灰摻量會使土的無側(cè)限抗壓強度下降[7]。衛(wèi)杰等采用正交試驗設(shè)計方法對黃麻纖維崩崗巖土進行了無側(cè)限抗壓強度試驗，結(jié)果表明：在最優(yōu)加筋條件下土的無側(cè)限抗壓強度明顯提高，最高達到了39.58%；未加筋土與加筋土無側(cè)限抗壓強度兩者存在線性回歸關(guān)系；黃麻纖維加筋后可提高土體抵抗橫向變形能力[8]。馬福全等以聚丙烯纖維為加筋材料，制備出紅黏土、粉質(zhì)粘土和砂土3種加筋土樣，通過對不同纖維摻量的土樣進行抗壓強度試驗得出：三種土樣的無側(cè)限抗壓強度與纖維摻入量存在正相關(guān)性，隨纖維摻量增加紅黏土的無側(cè)限抗壓強度曲線為單調(diào)遞增，而粉質(zhì)粘土和砂土的無側(cè)限抗壓強度曲線均為先增大后減?。焕w維摻量對紅黏土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系影響較小，對粉質(zhì)粘土、砂土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系影響較大[9]。

研究表明，對試樣纖維加筋后可增強試樣的臨界斷裂韌度，提高土的抗壓強度；加筋率、壓實度、含水率、養(yǎng)護齡期等是影響纖維加筋土抗壓強度的主要影響因素；纖維加筋土的整體空間性較好，三軸壓縮試驗中，試樣破壞破裂面不明顯，外形均勻，主要破壞形式呈鼓脹破壞。加筋土的抗壓強度的尺寸效應(yīng)明顯，往往存在抗壓強度測量值隨試樣尺寸的增大而增大的現(xiàn)象。纖維加筋土的抗壓強度研究方法同樣多為室內(nèi)宏觀土工試驗的方法。因此，對于纖維加筋抗壓強度的研究也應(yīng)進一步開展大尺度模型試驗、離心模擬試驗等方面的研究工作，并建議對不同地區(qū)土樣采用不同特性的纖維材料單獨加筋和復(fù)合加筋后進行效果對比，分析研究各種工況下土的最優(yōu)加筋條件，為各地區(qū)的相關(guān)工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1.3 纖維加筋土的抗拉強度

傳統(tǒng)的土力學(xué)認為，由于土體具有離散特性，土的強度主要是由抗壓強度和抗剪強度提供，抗拉強度一般非常小，飽和度較高的土體抗拉強度甚至接近于0，因工程中難以測量常忽略土的抗拉強度，但事無絕對，如土的收縮裂隙現(xiàn)象就會極大影響土的工程性質(zhì)，對實際巖土工程會產(chǎn)生負面影響[10,11]。李建等為了研究纖維加筋土的抗拉強度性能進行了一系列拉伸試驗，結(jié)果表明：纖維摻量對提高土的抗拉強度相當有效，0.2%的纖維摻量即可使土的抗拉強度提高65.7%；干密度在一定范圍內(nèi)的增加也能達到提高土的抗拉強度的目的；而含水率的增加會降低土的抗拉強度；纖維-土界面作用力和纖維材料本身的抗拉能力是影響纖維加筋土的抗拉強度的主要因素[12]。其后又開展了基于單根纖維拉拔試驗的波形纖維加筋土界面強度研究，發(fā)現(xiàn)對于直線形纖維，拉拔試驗得到的典型單峰曲線，拉力達到峰值后迅速減小，達到殘余值后趨于穩(wěn)定，而波形纖維的拉拔曲線為多峰曲線，各峰值對應(yīng)的界面剪切強度及殘余剪切強度隨拉拔變位呈指數(shù)遞減趨勢[13]。

目前對土的抗拉性能的研究主要采用的試驗方法有單軸拉伸試驗、常規(guī)三軸伸長試驗、減載的三軸伸長試驗和間接拉伸試驗等方法。研究發(fā)現(xiàn)，在土體應(yīng)變較大時，土的加筋作用最為顯著，破壞時表現(xiàn)為“裂而不斷”，土的抗拉強度主要由纖維材料的性質(zhì)、摻加比例及纖維長度決定?，F(xiàn)階段對纖維加筋土的抗拉強度的研究對象主要是玻璃纖維、波形纖維和聚丙烯纖維對ISO標準砂和粉質(zhì)黏土加筋效果的研究，對于其他性質(zhì)的土以及其他傳統(tǒng)纖維材料的加筋效果的研究資料匱乏，未形成系統(tǒng)的理論體系，為此，應(yīng)擴展研究其他傳統(tǒng)纖維材料和新型纖維材料對土的抗拉強度的影響，完善理論體系；對土的抗拉問題，工程上也應(yīng)予以足夠重視。

2 纖維加筋土的變形特性研究

對于軟土、膨脹土及濕陷性黃土等特殊地質(zhì)條件，豎向變形通常是導(dǎo)致其上所修建建筑物破壞的主要原因之一，由于纖維加筋土具有較好的變形特性，通常被視為各向同性材料在工程中采用，對因沉降引起局部變形的情況有較好的適用性。宋金巖通過系統(tǒng)的纖維土的室內(nèi)試驗得出：摻入一定量的玻璃纖維使土體的抗側(cè)向變形的能力大幅度提高；纖維加筋土的壓縮特性與纖維摻入量及纖維長度直接相關(guān)，增大纖維摻量以及增長纖維長度會降低壓縮指數(shù)，提高壓縮模量，造成土的壓縮性下降；纖維加筋土的σ～ε曲線近似呈硬化特性；纖維加筋砂土和黏土主要以鼓脹破壞為主[14]。陳樂等基于一維固結(jié)試驗研究了加筋高嶺土固結(jié)壓縮特性，得出在控制干密度和纖維長度條件下，逐步增加纖維摻量，纖維加筋土的固結(jié)系數(shù)和壓縮模量會隨之增加，達到峰值后逐漸下降至穩(wěn)定；逐步增加纖維長度，纖維加筋土的固結(jié)系數(shù)隨之減小，當纖維長度增加至10mm時固結(jié)系數(shù)出現(xiàn)拐點，之后其固結(jié)系數(shù)緩慢增大；在較高固結(jié)壓力條件下，壓縮模量與纖維長度存在負相關(guān)性[15]。

土的變形特性直接影響著土的穩(wěn)定性，土的變形和土體失穩(wěn)會對周邊環(huán)境、上部結(jié)構(gòu)及地下結(jié)構(gòu)造成嚴重影響，在土體變形特性和土體穩(wěn)定問題研究中，土的動力學(xué)特性是一項非常重要的研究內(nèi)容。但是從目前來看，有關(guān)這方面的研究還相當薄弱，僅有對砂土、粉煤灰和黏性土的研究，今后有待在纖維加筋土的抗震性能、抗沖擊性能的動力學(xué)特性方面的深入研究；纖維加筋土的滲透變形特性也應(yīng)進一步研究。

3 纖維加筋土的滲透特性研究

土中水的滲透常常引發(fā)巖土工程問題的根本原因。劉芳在砂土中摻入玻璃纖維，制成的玻纖土滲透系數(shù)出現(xiàn)增大趨勢；并在控制纖維摻量和纖維長度條件下得到了玻纖土滲透系數(shù)的變化范圍[16]。蔣正國對不同纖維摻量的紅黏土的滲透性能進行了變水頭滲透試驗研究，結(jié)果表明，摻入纖維后，紅黏土的滲透系數(shù)與未加筋紅黏土對比略有增大，土樣具有低滲透性特征[17]。

現(xiàn)有資料表明，纖維加筋技術(shù)對改善土的滲透特性的效果并不顯著，但是由于在纖維加筋土的滲透特性方面的研究資料非常匱乏，還不足以對此結(jié)果下定論，因此對于纖維加筋土的滲透特性的研究還應(yīng)繼續(xù)深入，以形成獨立的研究體系。

4 纖維加筋特殊土的研究進展

對于特殊土，最敏感的工程問題是其對工程有危害性的特殊性質(zhì)，如膨脹土的脹縮性、凍土的凍脹融沉性，鹽漬土的鹽脹溶陷性、黃土的濕陷性等，纖維加筋技術(shù)是否能夠針對特殊土的工程特性有效發(fā)揮改善作用以及改善效果如何還值得深入研究。丁萬濤以膨脹土為研究對象，取含水率、壓實系數(shù)及上部垂直荷載為可變條件計算其膨脹率，通過三軸固結(jié)不排水剪切試驗(CU試驗)，開展了纖維加筋在膨脹土中的作用機理的研究[5]。韓春鵬等采用聚丙烯纖維對東北季凍區(qū)黏土進行加筋開展正交試驗，分析了纖維長度、纖維摻量、凍融循環(huán)次數(shù)對加筋土抗剪強度的影響，結(jié)果表明：纖維加筋后土樣的粘聚力有所提高；凍融循環(huán)次數(shù)越多粘聚力增加幅值越大，內(nèi)摩擦角先增大后減小[18]。魏麗等開展了麥秸稈加筋海濱鹽漬土的三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(UU試驗)，得到的三軸抗剪強度及偏差應(yīng)力應(yīng)變曲線表明：麥秸稈纖維土的黏聚力大幅提高，內(nèi)摩擦角增幅較??；纖維加筋土的偏應(yīng)力應(yīng)變曲線與鹽漬土的變化形式相近，均呈應(yīng)變硬化型；確定了最優(yōu)加筋條件[19]。王天等在浸水條件下對纖維加筋水泥固化黃土開展了無側(cè)限抗壓強度試驗和無側(cè)限劈裂抗拉強度試驗，研究了纖維加筋黃土的水穩(wěn)性質(zhì)，結(jié)果表明纖維加筋效果顯著，纖維長度這一因素尤其對土樣的浸水抗壓強度和劈裂抗拉強度影響明顯；添加多種纖維材料后反而對加筋效果有負面降低作用[20]。

總體來看，纖維加筋技術(shù)能夠改善特殊土的工程特性，尤其對纖維加筋抑制膨脹土的脹縮性有較好的效果。但目前對黃土的濕陷性、凍土的凍脹沉融性等研究還相當匱乏，尤其是對可液化土的振動液化性的研究幾乎空白，建議對此進行深入探討和研究。

5 研究展望

綜上所述，據(jù)纖維加筋土力學(xué)特性的研究顯示，纖維加筋技術(shù)的應(yīng)用對于提高土體的抗剪強度、抗壓強度以及抗拉強度有顯著效果；纖維摻量、纖維長度和形狀、含水率及壓實度是影響纖維加筋土強度和變形的主要影響因素；對于纖維加筋土的滲透特性，目前國內(nèi)外理論和應(yīng)用的研究還很不成熟，尚需完善和深入研究；針對特殊土的纖維加筋理論研究近年來逐步展開，總體來說沒有形成完整的體系。因此，纖維加筋土課題依然是工程界研究的熱門領(lǐng)域，還應(yīng)該從以下幾方面加深：

(1)纖維加筋土的力學(xué)特性研究方面，大多采用室內(nèi)土工試驗，如：三軸壓縮試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗、直剪試驗等，所選試驗尺寸較小，且受外界環(huán)境、人為因素、邊界條件等因素限制，得到的結(jié)果可能與工程中纖維加筋土的實際工作狀態(tài)并不相符，故需進一步開展大尺度模型試驗、現(xiàn)場試驗以及微觀力學(xué)等方面的研究。

(2)在土體的穩(wěn)定性研究中，土的動力學(xué)特性是一項非常重要的研究內(nèi)容。但是從目前來看，有關(guān)這方面的研究還相當薄弱，僅有對砂土、粉煤灰和黏性土等相關(guān)研究，今后有待在纖維加筋土的抗震性能、抗沖擊性能、抗液化性能的力學(xué)特性等方面進行深入研究。

(3)對于纖維加筋特殊土的研究，從總體來看，纖維加筋技術(shù)能夠改善特殊土的工程特性，尤其對纖維加筋抑制膨脹土的脹縮性有較好的效果，但對于黃土的濕陷性、凍土的凍脹沉融性、可液化土的振動液化性等研究目前還相當匱乏，仍值得進一步探討和研究。

(4)據(jù)相關(guān)資料，纖維加筋能極大提高土體的殘余強度，并呈現(xiàn)裂而不斷的特點，即使土體發(fā)生破壞，破壞裂隙的發(fā)育與未加筋土體也存在顯著差異，但目前關(guān)于纖維加筋土的破壞和失效機理這方面的探討還比較少見，仍是今后探索和研究的重點。

(5)時下纖維加筋技術(shù)還沒有在實際工程中廣泛應(yīng)用，究其原因在于施工工藝和技術(shù)的缺失，如何在現(xiàn)場將離散的纖維均勻地摻入土體中，不同土體的纖維摻入量、纖維長度及其他參數(shù)應(yīng)怎么取值才能達到最優(yōu)加筋效果以及發(fā)揮纖維土的最佳性能對于工程應(yīng)用顯得極為必要且意義重大。

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【責任編輯 趙建萍】

A Review on the Situation and Prospect of Engineering Property of Fiber Reinforced Soil

DONG Yun-xiu1,2，LI Ping1,2，YANG Yong-dong1,2，WEI Rong3

(1.KeyLaboratoryofEngineeringGeologicalPropertyandEngineeringApplicationofLoess,
LongdongUniversity,QingYang745000,Gansu;2.CivilEngineeringSchool,LongdongUniversity，
QingYang745000,Gansu;3.CountryGardenPolytechnic,QingYuan511510,GuangDong)

Fiber reinforced soil is a kind of new composite soil with good engineering mechanical properties formed by the mechanical,hydraulic or pneumatic way of continuous or discrete incorporation of fiber material into soil. Fiber reinforcement technology has been applied to the retaining structure,embankment,water conservancy and hydropower,geotechnical engineering and other fields. A research on the theory and engineering application of fiber reinforced soil will exert a far-reaching influence on promoting the future soil reinforcement technology in China. The research status of strength characteristics,deformation characteristics and seepage characteristics of fiber reinforced soil were summarized. In addition,the research progress of fiber reinforced special soil in recent years was expounded. Based on the research on the theory and technology of fiber reinforced soil,the future research emphasis and development direction of fiber reinforced soil were prospected.

fiber reinforced soil;fiber reinforcement technology;engineering properties;research progress

1674-1730(2017)03-0078-04

2016-06-01

董蕓秀(1989—)，女，陜西旬邑人，助教，碩士，主要從事地基處理和樁基工程教學(xué)與研究。

TU531

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