黃土護(hù)坡工程中纖維混凝土摻入纖維的選型應(yīng)用分析

王紅偉

（甘肅省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

黃土具有可塑性強(qiáng)，均質(zhì)性差，隨干濕季節(jié)性變化大等特點(diǎn)[1]。在干燥季節(jié)容易龜裂收縮，土體較硬，對(duì)挖掘和邊坡加固等施工帶來一定的困難。在濕潤季節(jié)則容易吸水膨脹，發(fā)生變形，坡體在自重作用下容易發(fā)生坍塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[2]。黃土邊坡干燥后保持直立，在降水的作用下，水分的進(jìn)入增加邊坡自重，同時(shí)黃土吸水膨脹，降低自身抗剪強(qiáng)度，誘發(fā)滑坡。同時(shí)，地表徑流沖刷作用會(huì)導(dǎo)致邊坡表面侵蝕，增加邊坡的侵蝕敏感性，對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。黃土地區(qū)干旱少雨，植被覆蓋率低，同時(shí)生態(tài)修復(fù)能力差，需要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)和實(shí)施，以減少生態(tài)損害。

普通噴漿護(hù)坡，以水泥砂漿為主要原料，材料質(zhì)量和施工技術(shù)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(qiáng)度、韌性、疲勞性能和沖擊抗性上表現(xiàn)出良好的性能[5]，能有效減緩裂縫的擴(kuò)展。

楊林[6]通過對(duì)照試驗(yàn)，對(duì)比寒區(qū)纖維混凝土的護(hù)坡效果，其在抗凍性能上表現(xiàn)較好。胡世國[7]比較PP 纖維與模袋混凝土在灌溉區(qū)的應(yīng)用，PP 纖維在灌區(qū)具有一定適用性。李國吉[8]討論了鋼纖維混凝土薄殼護(hù)坡在水庫區(qū)的應(yīng)用，鋼纖維混凝土薄殼護(hù)坡結(jié)構(gòu)能有效抵抗冰推力破壞。目前纖維混凝土用于黃土護(hù)坡相關(guān)文獻(xiàn)較少，為探究纖維混凝土對(duì)黃土邊坡護(hù)坡效果，通過文獻(xiàn)查找、走訪調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)等手段，研究纖維泡沫混凝土抗?jié)B、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(zhì)特性對(duì)于工程設(shè)計(jì)和施工有著重要的影響。黃土由于含有氧化鐵和有機(jī)物而呈明顯的黃色。主要由細(xì)顆粒組成，包括黏土、淤泥質(zhì)土、砂和含有氧化鐵的顆粒，從而直接影響黃土的工程性質(zhì)，如較高的塑性指數(shù)，即在濕潤條件下，土壤容易發(fā)生膨脹和收縮，可能引起地基沉降或結(jié)構(gòu)變形，同時(shí)由于含有相對(duì)較多的黏土成分，黃土的排水性一般較差，增加了工程設(shè)計(jì)和施工的復(fù)雜性。黃土在吸水后容易發(fā)生膨脹，這可能導(dǎo)致地基沉降或結(jié)構(gòu)變形，降低其抗剪強(qiáng)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(wěn)定的因素

（1）坡度和坡向

坡向會(huì)影響滑坡流向，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成地勢(shì)起伏，而山體連片出現(xiàn)，縮小了臨空面，調(diào)查發(fā)現(xiàn)崩滑流主要出現(xiàn)在河流兩側(cè)邊坡，因此河流流向可決定滑坡流動(dòng)方向，河流流徑結(jié)合周邊地勢(shì)共同決定了滑坡的流動(dòng)范圍，滑動(dòng)距離。坡度越大，邊坡穩(wěn)定性越差，結(jié)合現(xiàn)有滑坡災(zāi)害分析[9]，陡坡處災(zāi)害數(shù)較少，而在45°～60°邊坡災(zāi)害發(fā)生較多，直立黃土邊坡由于不穩(wěn)定，因此在自然界中存在較少。

（2）地表水和地下水

降雨對(duì)邊坡的影響主要分為3 個(gè)部分，一是以入滲方式進(jìn)入坡體內(nèi)部，二是通過地表徑流將流水帶走，三是小部分蒸發(fā)。水分入滲引起地下水位上升，增加坡體自重，降低邊坡穩(wěn)定性，黃土在降雨作用下吸水膨脹，物理力學(xué)性質(zhì)下降，坡腳抗剪能力下降。地表徑流沖刷作用下，坡面侵蝕嚴(yán)重，當(dāng)?shù)貏?shì)陡峭時(shí)，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(jìn)行護(hù)坡處理。

（3）降雪和氣候條件

針對(duì)西北地區(qū)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(huán)作用下，雪層慢慢流動(dòng)，雪層與坡面接觸面不斷摩擦，坡面被磨蝕。同時(shí)，水分滲入坡體，在低溫下結(jié)冰膨脹，破壞坡面結(jié)皮層，加速水體入滲。

（4）植被覆蓋

黃土地區(qū)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(jié)皮，起到類似護(hù)坡作用，但部分觀點(diǎn)認(rèn)為植物根劈作用會(huì)導(dǎo)致巖質(zhì)邊坡開裂，從而影響邊坡穩(wěn)定，但總體上植被護(hù)坡對(duì)邊坡穩(wěn)定起到積極效果。

（5）人為活動(dòng)

人為活動(dòng)如挖掘、開采、建筑和道路施工等會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。不當(dāng)?shù)娜藶楦深A(yù)可能改變地表水流、地下水位和土壤的力學(xué)特性，增加邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

（6）地震活動(dòng)

地震活動(dòng)會(huì)對(duì)地表和地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)和變形，加劇邊坡的變形和破壞。

2 纖維混凝土及作用機(jī)制

2.1 纖維混凝土的作用機(jī)制

（1）纖維間距機(jī)理

“纖維間距機(jī)理”由J.P.Romualdi 提出，其研究以線彈性斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，該理論認(rèn)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(qiáng)度，提高材料的韌性，降低裂隙兩端應(yīng)力集中。該假定認(rèn)為，纖維與基體完全黏結(jié)，隨后該假定擴(kuò)展到其余尺寸。

（2）復(fù)合材料機(jī)理

復(fù)合材料機(jī)理從復(fù)合材料的觀點(diǎn)出發(fā)，素混凝土在原有強(qiáng)度基礎(chǔ)之上，摻入纖維，形成纖維強(qiáng)化體系，即利用混合原理來研究纖維混凝土的物理力學(xué)性能。若假定集體和纖維完全黏結(jié)，且纖維在集體中均勻分布，施加外力時(shí)，復(fù)合體強(qiáng)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(duì)纖維混凝土強(qiáng)度的影響，采用研究方法如圖1所示。通過遞進(jìn)試驗(yàn)，首先選取最佳纖維材料；然后以最佳材料為基礎(chǔ)制作不同纖維形狀，選出最優(yōu)纖維形狀；第三步以最佳纖維材料、最佳形狀為基礎(chǔ)，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(yàn)次數(shù)，提高試驗(yàn)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(xiàn)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(qiáng)度上鋼纖維和碳纖維表現(xiàn)較好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他纖維；在價(jià)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(jià)格從最高到最低給1～5 分，在不同情況下，各權(quán)重占比可能不一樣，對(duì)于重要或高危邊坡，強(qiáng)度要求更高，權(quán)重占比更大；而鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路邊坡，經(jīng)濟(jì)因素考慮更多。綜合比較下，鋼纖維在不同場(chǎng)景下綜合性能表現(xiàn)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(jià)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(jié)構(gòu)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(gòu)件按壓形成壓轍。

比較在1%體積含量下，長徑比67時(shí)，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(shí)混凝土中拔出強(qiáng)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(qiáng)度都較低，在達(dá)到極限強(qiáng)度之后性能迅速下降，當(dāng)位移伸長一段時(shí)間后，荷載下降速度減緩。在水膠比為16 時(shí)，端鉤形纖維峰值強(qiáng)度較高，當(dāng)拔出位移增加時(shí)，荷載出現(xiàn)臺(tái)階式下降，壓痕形纖維在峰值強(qiáng)度較前者低，且峰值強(qiáng)度所在位移較前者大。而在水膠比為30時(shí)，端鉤形纖維、壓痕形纖維的峰值強(qiáng)度恰好相反，壓痕形纖維拔出強(qiáng)度較高，但比水膠比16 時(shí)的低，峰值強(qiáng)度所在位移提前。綜上，水膠比越小，混凝土強(qiáng)度越高，端鉤形纖維具有較好的優(yōu)勢(shì)。

圖3 纖維形狀與拔出強(qiáng)度

（3）纖維尺寸

綜合分析了纖維長度和直徑對(duì)混凝土的強(qiáng)度的影響，以端鉤形鋼纖維為基礎(chǔ)，選取體積含量為1%，長徑比分別為43、67、86 和110 時(shí)，纖維混凝土抗壓強(qiáng)度的變化。由圖4 可以看出，長徑比在86時(shí)，抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)較好，而長徑比為110 時(shí)，抗壓強(qiáng)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(xiàn)應(yīng)變差，導(dǎo)致裂隙擴(kuò)展，強(qiáng)度下降。

圖4 抗壓強(qiáng)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(duì)纖維混凝土強(qiáng)度的影響，如圖5所示，纖維含量從0增到1.8%時(shí)，強(qiáng)度不斷提高，但增長幅度減緩。比較抗壓強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，纖維含量在0～1.2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增長率最大，隨后增長率下降，到含量為1.8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到60 MPa。劈裂強(qiáng)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(shí)達(dá)到最大，為4.07MPa。纖維含量對(duì)混凝土的強(qiáng)度不會(huì)永久提升，纖維的增加會(huì)使得纖維團(tuán)聚，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低。

圖5 纖維參量下混凝土強(qiáng)度

3 纖維混凝土護(hù)坡作用

3.1 數(shù)值模型

上述實(shí)驗(yàn)說明，采用長徑比在86、纖維體積含量在1.8%、端構(gòu)形鋼纖維用于數(shù)值分析（表2），為探究該纖維混凝土對(duì)黃土邊坡的護(hù)坡效果，以西北地區(qū)某黃土邊坡為例，坡面微向內(nèi)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(wěn)定性較差（圖6）。為驗(yàn)證纖維混凝土的護(hù)坡效果，比較2 h降雨條件下，有無纖維混凝土護(hù)坡下邊坡的穩(wěn)定性。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖6 邊坡示意圖

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

比較黃土邊坡在降雨條件下，有無最優(yōu)摻入纖維混凝土護(hù)坡效果下邊坡穩(wěn)定性分析。無護(hù)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(xiàn)張拉應(yīng)力，后緣出現(xiàn)張裂隙，隨時(shí)間逐步向下延伸，直至貫穿形成滑動(dòng)面，坡體安全系數(shù)為0.8，處于完全失穩(wěn)狀態(tài)。

坡面設(shè)置纖維混凝土，由于纖維混凝土抗?jié)B能力大，坡體內(nèi)部地下水位未明顯上升，相比無護(hù)坡坡面，坡頂位移大大降低，坡腳應(yīng)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(yīng)力明顯。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.4，因此，坡體整體在降雨作用下，纖維混凝土護(hù)坡邊坡穩(wěn)定性較好，表明纖維混凝土具有較好的護(hù)坡效果。

4 討論

（1）通過實(shí)驗(yàn)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(duì)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(gòu)形鋼纖維制作的纖維混凝土有著很好的工程性能，在價(jià)格、力學(xué)性能上表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。

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