玻璃纖維在膨脹土路基加固中的應用

摘 要：為了研究玻璃纖維作為離散隨機加固材料在膨脹路基土中的應用，本文制備了不同纖維含量的膨脹土試樣，并對膨脹土試樣進行性能測試。采用力學-經(jīng)驗路面設計法評價了纖維摻入對柔性路面設計和性能的影響。結果表明：在路基土中摻入玻璃纖維顯著提高了無側限抗壓強度、間接抗拉強度和承載比，降低了自由膨脹值。在路基加固中加入玻璃纖維，對路面粗糙度指數(shù)和塊狀裂縫的影響很小，對路面車轍總量影響較大。在膨脹土路基加固中使用玻璃纖維可減少路面的厚度，降低路面設計的成本，減少路面維護費用，延長路面的使用壽命。

關鍵詞：玻璃纖維；自由膨脹；膨脹性路基土；路面設計

中圖分類號：U 41" " 文獻標志碼：A

膨脹土是指浸水后體積變大的土壤。將這種土壤用于輕型結構和高速公路路面會造成破壞[1]。因此，在施工過程中需要對膨脹土進行改良。可以將土壤與加固材料混合來改善或控制土壤體積穩(wěn)定性，提高其耐久性、強度和應力應變性能[2]。水泥、石灰和瀝青等是膨脹土化學穩(wěn)定的常用加固材料。然而，現(xiàn)有的加固材料會對環(huán)境產(chǎn)生影響，例如高能耗、溫室氣體、碳排放等。目前，纖維可以起到土壤加固效果受到世界各國研究者的關注，通過研究隨機離散纖維加固對土體性能影響，結果表明，纖維在土體中的隨機分布可以提高土體的強度和延性，減少黏性土的膨脹勢和壓縮性[3]。

本文制備了不同纖維含量的膨脹土試樣，并對膨脹土試樣進行自由膨脹、無側限抗壓強度（UCS）、間接抗拉強度（ITS）和承載比（CBR）試驗，探究了玻璃纖維在柔性路面設計中作為路基層的有效性。采用MEPDG軟件比較了玻璃纖維加固和非加固地基土的不同柔性路面的性能。

1 材料及試驗方法

1.1 膨脹土

試驗用膨脹土試樣由伊利石/蒙脫石、高嶺石、坡縷石和離散伊利石的混合層組成。土為淺灰色細粒土，液限指數(shù)為82%，塑性指數(shù)為46%，細粒占比96%，其中黏粒土占62%，屬于彈性淤泥。對土樣進行標準壓實試驗，獲得土樣最大干密度（MDD）為1365kg/m3，最佳含水率（OMC）為32%。

1.2 玻璃纖維

在本研究中，選擇耐堿玻璃纖維作為土壤中的加固材料。玻璃纖維物理力學性能：長度20μm，斷裂伸長率3.9%，抗拉強度1682MPa，吸水率＜1%。選取5種不同的玻璃纖維含量，分別0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，該含量為纖維與干燥土壤的質量百分比。

1.3 試驗方法

將土壤用40號篩子過篩，然后放置烘箱內(nèi)烘干。將預定量的水與烘干土混合，適當攪拌直至土水混合均勻，不斷攪拌混合料，逐漸加入纖維。

按照《膨脹土路基施工技術規(guī)范》（DB45/T 1305—2016），對天然土和加固土進行自由膨脹測試，在測試中，將試樣直接放入試模中，靜壓達到所需的初始密度。將試樣裝入測水計裝置中，使其浸水后自由膨脹。

按照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTGE 51—2009）對天然土和加固土進行無側限抗壓強度和間接抗拉強度測試。將試樣分3層夯入直徑100mm×高200mm的分模中。將試驗中的軸向應變速率控制為1.0mm/min。選擇3種土壤干密度（1300kg/m3、1365kg/m3和1400kg/m3）進行測試。

按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTGE 40—2007），對天然土和加固土進行承載比測試。土樣在水中浸泡96h后，分別在最大干密度和最佳含水率條件下進行制備。

2 試驗結果

2.1 玻璃纖維對壓實特性的影響

不同玻璃纖維含量下土壤試樣的最大干密度（MDD）和最佳含水率（OMC）如圖1所示。可以看出，玻璃纖維含量增加對MDD和OMC都沒有明顯的影響。由于土壤試樣的密度為2.79g/mm3，而玻璃纖維的密度為2.79g/mm3，玻璃纖維的密度與土壤試樣的密度幾乎相同，玻璃纖維的摻量很少，因此，摻入玻璃纖維對土壤試樣的MDD和OMC沒有明顯影響。

2.2 玻璃纖維對自由膨脹的影響

土壤試樣的自由膨脹是土壤活性的一種表現(xiàn)，盡管土壤的活性很低，土壤的膨脹勢較大。在不同玻璃纖維含量下，土壤試樣的自由膨脹率如圖2所示，可以看出，與未摻入玻璃纖維土壤相比，即使玻璃纖維的含量很少，土壤樣品的自由膨脹率明顯下降。自由膨脹率隨玻璃纖維含量增加而減少。添加玻璃纖維形成了具有較高強度的纖維-土壤基質，因此土壤膨脹受到了限制。

2.3 玻璃纖維和干密度對無側限抗壓強度（UCS）的影響

干密度對不同玻璃纖維含量下土壤試樣的無側限抗壓強度的影響如圖3所示，可以看出，玻璃纖維含量和干密度對土樣的強度有顯著影響。加入玻璃纖維增加了土壤的UCS值，當纖維含量相同時，隨著干密度增加，UCS值也隨之增加。

干密度對不同玻璃纖維含量下土壤試樣的最大線應變的影響如圖4所示，可以看出，玻璃纖維含量和干密度對土樣變形有顯著的影響。隨著玻璃纖維含量增加，土壤的最大線應變也隨之增加，但干密度對土壤的最大線應變的影響規(guī)律不明顯。

軸向破壞應變是材料延性的一個指標，數(shù)值越高，延性越好。纖維含量增加導致土壤與纖維之間的接觸面變大，因此UCS值會增加。當玻璃纖維含量為2.0%時，土壤的UCS值增幅最大，纖維含量為1.0%時獲得的延展性最高。在試驗中，所有纖維含量下的UCS值都會大幅度增加。而土壤的延展性會隨著纖維含量增加呈先增后減的變化。在土壤中加入玻璃纖維后，纖維之間會形成被包裹的土壤團，導致土壤內(nèi)部的圍壓增加，土壤的整體強度提高。

2.4 玻璃纖維對間接抗拉強度（ITS）的影響

采用ITS試驗評價玻璃纖維對土體抗拉強度的影響。不同玻璃纖維含量下土壤試樣的ITS如圖5所示，可以看出，在玻璃纖維含量達到1.5%前，ITS持續(xù)增加，含量達到1.5%后，ITS逐漸減少。加入玻璃纖維增加了纖維-土壤界面處的摩擦力，使纖維-土壤的質地轉變?yōu)榫哂懈邚姸群透醚有缘倪B續(xù)基質。但是，當玻璃纖維含量較高時，纖維-土壤相互作用被纖維-纖維接觸所替代，導致土壤強度下降。

2.5 玻璃纖維對承載比（CBR）的影響

承載比在路面設計中常用來評價路基材料強度。未添加加固材料的膨脹土承載比很低，因此，在路面施工中使用此類土前，需要進行加固處理。將不同玻璃纖維含量下的土壤試樣在浸泡4天后的承載比與對照組（玻璃纖維含量為0%）相比，在添加玻璃纖維后，對照組的承載比有明顯提高。隨著玻璃纖維添加，土壤試樣的承載比逐漸增加，承載比從0%玻璃纖維穩(wěn)定土的1.6%增至2.0%玻璃纖維穩(wěn)定土的9.6%。

2.6 力學-經(jīng)驗路面設計法（MEPDG）性能評估

本研究采用MEPDG軟件對玻璃纖維加固路基土設計的柔性路面進行性能評價。路段路面具有相同的結構，由132mm的瀝青混凝土層和300mm的基層材料組成。

將研究道路的壽命設計為20年，交通增長率為每年4%。在分析中采用的年均每日卡車交通量為1000輛/天，其中50%貨車行駛在設計方向，80%貨車行駛在設計車道上。在分析中使用MEPDG軟件的交通流量分布默認值。

交流層使用3級輸入，瀝青選用本地常用的PG 64-10。對路基層來說，根據(jù)我國的道路規(guī)范，2級輸入采用300mm的基層厚度，承載比為80%。將本研究獲得的玻璃纖維穩(wěn)定土的CBR測試結果作為路基層的2級輸入。MEPDG分析中使用的輸入?yún)?shù)見表1和表2。

表1 MEPDG分析中使用的輸入?yún)?shù)（一）

層數(shù) 參數(shù) 數(shù)值

第1層 設計水平 3級

材料類型 瀝青混凝土

層厚度 132mm

瀝青等級 PG 64-10

第2層 設計水平 2級

材料類型 碎石

層厚度 300mm

承載比 80%

200號篩通過率 8.1%

4號篩通過率 41.6%

最大干密度 2026kg/m3

最佳含水率 5.9%

第3層 設計水平 2級

材料類型 纖維增強路基土

使用20年后的最終設計標準：粗糙度指數(shù)為2600mm/km，塊狀裂紋為23%，路面總車轍為20mm。

2.7 力學-經(jīng)驗路面設計法（MEPDG）評價結果

使用MEPDG軟件對本研究分析路段的路面損傷參數(shù)（粗糙度指數(shù)、塊狀裂紋和車轍）進行評估，分析20年后的粗糙度指數(shù)預測值。將結果與對照組相比，玻璃纖維加固路基土的粗糙度指數(shù)隨玻璃纖維含量增加而減少。

表2 MEPDG分析中使用的輸入?yún)?shù)（二）

年均每日

卡車交通量 設計方向上

的車道數(shù) 貨車在設計

方向的百分比 貨車在設計車

道上的百分比 交通

增長率

1000輛/天 2道 50% 80% 4%

采用MEPDG分析斷面的塊狀裂紋預測結果顯示，與對照組相比，玻璃纖維加固路基土的塊狀裂紋略有減少。隨著玻璃纖維含量增加，路面的塊狀裂紋減少，但下降速率逐漸降低。MEPDG分析斷面的總車轍預測結果表明，其變化規(guī)律與粗糙度指數(shù)和塊狀裂紋相似，總車轍變形量隨玻璃纖維含量增加而明顯減少。

2.8 路面厚度設計結果

采用MEPDG分析了玻璃纖維加固路基對瀝青混凝土層設計厚度的影響，本文對未添加玻璃纖維的路面進行MEPDG分析。為路段分配20mm的總車轍閾值，以確定實現(xiàn)目標車轍值所需的瀝青混凝土層的厚度。預測的路面總車轍與瀝青混凝土層厚度的關系。結果表明，未添加玻璃纖維的路面所需的瀝青混凝土層厚度為204mm，使用1.0%玻璃纖維加固路基所需的瀝青混凝土層厚度為132mm。與未添加玻璃纖維的路面相比，玻璃纖維加固路基路面所需的瀝青混凝土層厚度更小。使用玻璃纖維加固路基可以降低路面設計的成本，減少路面維護和修復，延長路面的使用壽命。

3 結論

本文通過自由膨脹、無側限抗壓強度（UCS）、間接抗拉強度（ITS）和承載比（CBR）試驗研究了玻璃纖維對膨脹土性能的影響，采用MEPDG評價了玻璃纖維在路面加固中的應用。得出以下3點結論。1）在膨脹土中加入玻璃纖維，對土壤的最大干密度和最佳含水率沒有明顯影響。對其自由膨脹、UCS、ITS和CBR均有很大的影響。添加玻璃纖維提高了土壤的強度和剛度，并降低了膨脹勢。提高土壤的強度和降低膨脹勢與玻璃纖維的含量成正比。2）MEPDG分析表明，在路基加固中加入玻璃纖維，對路面粗糙度指數(shù)和塊狀裂縫的影響很小。當玻璃纖維添加量為2%時，粗糙度指數(shù)和塊狀裂縫的最大增幅分別為6.1%和4.9%。在路基加固中使用玻璃纖維可顯著減少路面車轍總量。當玻璃纖維添加量為2%時，總車轍減少23.1%。3）在膨脹土路基加固中使用玻璃纖維可以減少路面的設計厚度。與使用玻璃纖維加固路基相比，未添加玻璃纖維路基的瀝青混凝土層厚需要增加55%的厚度，才能達到相同的車轍效果。

參考文獻

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