纖維加筋固化土動力特性研究進展

（宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

0 前言

在進行道路工程、邊坡工程、堤岸工程以及各類基礎(chǔ)工程建設(shè)過程當(dāng)中不可避免地會遇到土體強度和剛度不足需要加固的情況，通常采用水泥、石灰、粉煤灰以及各種生物、化學(xué)固化劑等固化物對土體進行固化以提高其強度，但是其脆性較大。大量的室內(nèi)試驗及工程實踐表明通過在土體中摻入一定比例的纖維可以有效地改善水泥、石灰等固化土體的強度和韌性，現(xiàn)已發(fā)展為一項經(jīng)濟有效且廣泛應(yīng)用的土體改良加固技術(shù)。工程結(jié)構(gòu)在建設(shè)以及服役過程當(dāng)中需要承受包括結(jié)構(gòu)本身的自重以及雪荷載、交通荷載、風(fēng)荷載、波浪荷載、地震等外部荷載的作用，這些荷載最終都將通過上部結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)傳遞到地基當(dāng)中對土體產(chǎn)生作用使土體呈現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)兩方面的力學(xué)響應(yīng)。針對纖維加筋土體的力學(xué)特性，國內(nèi)外許多專家學(xué)者針對不同工況進行了廣泛的理論和技術(shù)研究并取得了較為豐碩的成果，有力地推動了土體加固技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。然而，目前關(guān)于纖維加筋固化土力學(xué)特性的研究還存在系統(tǒng)性、對比性以及創(chuàng)新性不足等問題，普遍關(guān)注纖維加筋固化土的靜力特性，對其在地震作用，尤其是風(fēng)浪、交通等長期荷載下動力特性的研究明顯不足。因此，有必要對現(xiàn)有的研究成果進行總結(jié)和分析，尋找以往研究存在的不足和盲點所在，從學(xué)科交叉的視角并借助先進的試驗技術(shù)及方法為纖維加筋固化土力學(xué)特性的研究提供新的思路和方向。

1 纖維加筋固化土的動強度特性

工程結(jié)構(gòu)位于土體之上在建設(shè)以及服役過程中將受到各種動荷載的作用從而在土體中引起不同的動力響應(yīng)，如道路工程中地基土體將受到長期交通車輛荷載的反復(fù)作用，橋梁、高層建筑在風(fēng)荷載的作用下將通過基礎(chǔ)對地基土體產(chǎn)生動力效應(yīng)，在海洋環(huán)境中風(fēng)浪荷載是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備以及海洋石油平臺等海洋工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計必須考慮的主要荷載同樣需要研究土體的動力響應(yīng)問題，加之近年來地震頻發(fā)，土工結(jié)構(gòu)抗震形勢嚴(yán)峻。早期的研究表明，纖維可以有效地提高砂土、粉煤灰的抗液化能力和提高粘土的動強度和動模量，但是多是定性的描述也缺乏系統(tǒng)性的研究。張向東等研究了長度為12cm的聚丙烯纖維摻量對二灰土（石灰、粉煤灰與天然土體混合）動力特性的影響，發(fā)現(xiàn)纖維加筋二灰土的動剪切強度伴隨破壞振次的增加而降低可用冪函數(shù)進行表征，進一步分析并分別構(gòu)建了動粘聚力和動內(nèi)摩擦角與聚丙烯纖維摻量之間的定量數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式，并建議在實際二灰土工程當(dāng)中聚丙烯纖維的摻量不宜超過0.32%。然而該研究并未考慮土性參數(shù)、纖維長度以及不同應(yīng)力路徑等因素的影響，研究結(jié)論的適用性也有待進一步的驗證。

2 纖維加筋固化土的變形特性

土體的變形特性是進行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和穩(wěn)定性分析的重要參數(shù)，通常以模量（如彈性模量、剪切模量、回彈模量）、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系或彈性變形、塑性變形等形式進行表征。Cai等通過張拉裂縫的寬度來反映聚丙烯纖維對石灰土變形的影響，并將其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線劃分為彈性-塑性-軟化三個階段。部分研究者從試樣破壞的模式上對纖維加筋土的變形特性進行了定性的分析。張向東等對纖維加筋二灰土在循環(huán)荷載下的動應(yīng)變發(fā)展規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)纖維在一定程度上抑制了二灰土變形的產(chǎn)生，但是存在最優(yōu)摻量，一味地增加纖維的摻量可能會適得其反，導(dǎo)致土體變形增大?？傮w上關(guān)于纖維加筋固化土變形特性的探究還非常欠缺，有待加強。

3 纖維加筋固化土的模型構(gòu)建及機理探究

3.1 纖維加筋固化土的本構(gòu)模型

在試驗的基礎(chǔ)上構(gòu)建本構(gòu)模型是土力學(xué)研究的最重要也是最棘手的問題之一，本構(gòu)模型是采用有限元軟件對實際工程進行模擬的核心要素。目前關(guān)于纖維加筋土的相關(guān)試驗研究大多關(guān)注其強度特性，因而大多纖維加筋土的本構(gòu)模型多是基于其強度預(yù)測分別按力學(xué)平衡（纖維與周圍土體之間的相互作用）原理和能量耗散（纖維與土體之間產(chǎn)生相對滑移發(fā)生摩擦或者纖維發(fā)生拉伸變形而產(chǎn)生的能量耗散）原理進行構(gòu)建的；Zornberg在其構(gòu)建的理論框架下通過纖維和土體的特征參數(shù)來對纖維加筋土的有效抗剪強度進行預(yù)測；Gao等通過對姚仰平的統(tǒng)一硬化模型進行改進構(gòu)建了纖維加筋土的強度預(yù)測模型并可以考慮纖維分布方向的影響。鑒于以往的模型無法反映纖維加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，DIAMBRA等基于三軸加載試驗并結(jié)合復(fù)合材料力學(xué)中的混合物原則建立了可以考慮纖維分布方向影響的纖維加筋土本構(gòu)模型；王磊等在Gao等和DIAMBRA等模型的基礎(chǔ)上進行修正，結(jié)合修正劍橋模型和線彈性模型提出了一種可以描述纖維加筋土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的兩相本構(gòu)模型；張誠成等為深入探究纖維與土體的相互作用機理提出了纖維與土體界面切應(yīng)力與切應(yīng)變的三參數(shù)模型，該模型通過將單根纖維在加筋土中的拉拔過程分為5個典型階段以描述離散纖維在加筋土中的漸進性破壞特性；MANDOLIN等借助空心扭剪儀研究了纖維加筋砂土在多向荷載下的強度各向異性并據(jù)此建立并討論了各向異性纖維強化貢獻的分析模型。

3.2 纖維加筋固化土的作用機理

關(guān)于纖維加筋固化土作用機理的探究大多從宏觀和微觀兩個層面展開，在宏觀層面上主要是從宏觀試驗結(jié)果出發(fā)，通過對不同影響因素單獨及其耦合作用下（含水率、干密度、水泥摻量、養(yǎng)護齡期以及纖維種類、摻量和長度等）纖維加筋固化土試樣漸進破壞過程中界面剪切強度、抗拉與抗壓強度的觀測并結(jié)合相關(guān)的本構(gòu)模型對纖維與土體的界面相互作用機理加以描述和討論；在微觀層面上則多是借助掃描電子顯微鏡等技術(shù)手段對纖維加筋固化土體的微觀結(jié)構(gòu)進行觀測以分析纖維在纖維加筋固化土中的微觀力學(xué)作用機理，唐朝生等將纖維的加筋效果歸結(jié)于纖維/土體的界面作用強度，力學(xué)作用分為粘結(jié)力和摩擦力兩種形式，究竟哪一種力起關(guān)鍵作用或是共同作用則取決于土顆粒的大小、級配、含水率、粘粒含量以及固化物的種類等多種因素。

4 總結(jié)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，纖維加筋固化土技術(shù)在軟弱土體加固領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展和進步，但是在相關(guān)研究方面還存在一些不足從而限制了該技術(shù)推廣應(yīng)用的深度和廣度，需要從以下幾個方面尋求突破：

①根據(jù)工程的實際工況開展室內(nèi)及現(xiàn)場纖維加筋固化土的試驗研究，重點探究真實服役環(huán)境下纖維加筋固化土的工程力學(xué)特性，尤其是在各種災(zāi)變荷載（地震、臺風(fēng)、海嘯等）下的動力特性以及靜載與動載聯(lián)合作用下的力學(xué)特性；

②結(jié)合實際工程的服役環(huán)境開展混雜纖維加筋固化土的相關(guān)研究工作，嘗試對不同纖維聯(lián)合加筋效果及作用機理進行探究以擴展纖維加筋固化土技術(shù)的應(yīng)用范圍；

③進一步加強纖維加筋固化土微觀層面的研究工作，嘗試尋找和建立可以定量表征其微觀力學(xué)特性的特征參數(shù)，最關(guān)鍵的是要建立微觀力學(xué)特性與宏觀力學(xué)特性之間的定量關(guān)系；

④從多因素（多場）耦合作用的視角描述和探究纖維加筋固化土的力學(xué)行為，遵循從簡單到復(fù)雜的科學(xué)研究規(guī)律，結(jié)合室內(nèi)及現(xiàn)場試驗結(jié)果構(gòu)建關(guān)鍵因素影響下的纖維加筋固化土工程設(shè)計的理論框架，為實際工程的設(shè)計、施工以及運營維護提供科學(xué)的理論依據(jù)。