纖維混摻加筋土用于擴(kuò)建路基的力學(xué)性能研究

摘 要：文章以某高速公路擴(kuò)建項目為依托，對其路基土樣進(jìn)行力學(xué)性能提升研究。通過在土體中摻入聚丙烯纖維和碳纖維，采用室內(nèi)三軸排水剪切試驗對纖維混摻加筋土的力學(xué)性能進(jìn)行分析，重點研究混摻纖維材料對土體粘聚力、內(nèi)摩擦角的影響，并對纖維混摻加筋土在實際施工過程中的質(zhì)量控制提出建議。

關(guān)鍵詞：路基；纖維加筋土；加固；三軸實驗；應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系；工程應(yīng)用

中圖分類號：U416.1A180624

0"引言

纖維加筋土作為一種新型的土體加固技術(shù)，近年來被許多學(xué)者廣泛關(guān)注［1-3］。與傳統(tǒng)的土工材料加筋工藝不同，纖維加筋土工藝的原理是通過加入一定量的纖維材料，在土壤顆粒和纖維相互作用下，增加土顆粒與纖維材料的摩擦力與粘結(jié)力，從而整體提高土體的承載力和穩(wěn)定性（圖1）。近年來我國出臺了許多關(guān)于綠色節(jié)能的政策，纖維加筋土憑借環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和相比其他傳統(tǒng)加固技術(shù)有更大的潛力等優(yōu)點，正逐漸成為交通領(lǐng)域所不能忽視的一項新工藝。

1"纖維加筋土研究背景

在交通領(lǐng)域，土作為路基承載的核心，需要對其進(jìn)行穩(wěn)定性和承載力的提升，而纖維的摻入恰好可以彌補(bǔ)土抗拉強(qiáng)度的不足，因為纖維本身具有較好的抗拉性和耐腐蝕性，可以整體提高土體的延展性和使用壽命。然而，傳統(tǒng)纖維加筋土（Fiber-reinforced soil，F(xiàn)RS）力學(xué)性能（如剛度和延性）的改善由于單一纖維的特性而受到限制。纖維混摻加筋技術(shù)是對傳統(tǒng)纖維加筋技術(shù)的改進(jìn)和提升，通過在土中摻入兩種不同類型的纖維，讓纖維發(fā)揮出各自的特性，以此提高土體的抗剪強(qiáng)度和剛度。但目前國內(nèi)外針對混摻纖維加筋土的研究尚處于起步階段。

本文基于某一高速公路擴(kuò)建項目，對其路基土樣進(jìn)行力學(xué)性能提升研究。通過在土體中摻入聚丙烯纖維和碳纖維，采用室內(nèi)三軸排水剪切實驗對纖維混摻加筋土的力學(xué)性能進(jìn)行研究和分析，重點分析混摻纖維材料對土的粘聚力、內(nèi)摩擦角的影響，并對纖維混摻加筋土在實際施工過程中的質(zhì)量控制提出建議。

2"工程概況

某段高速公路擴(kuò)容工程原設(shè)計為雙向四車道高速公路，設(shè)計時速為100 km，路基寬度為26 m。擴(kuò)容工程初設(shè)路線全長為7.169 km（K983+064.74～K990+233.75段）。四車道改八車道擴(kuò)容設(shè)計，整體式路基寬度由26 m調(diào)整為41 m，分離式路基寬度由13 m調(diào)整為20.5 m，設(shè)計時速為100 km/h。

3"地質(zhì)概況

剝蝕構(gòu)造丘陵地貌：K983+046～K986+140段，地面標(biāo)高為60～130 m，局部達(dá)210 m，相對高差為20～60 m，丘間“V”“U”字型沖溝均有分布。自然坡度為25°～40°，坡度較陡。丘陵多呈長條狀。地表種植經(jīng)濟(jì)作物。沖溝地表分布第四系全新統(tǒng)坡積、洪積粉質(zhì)黏性土，下部多分布?xì)埛e黏性土；斜坡地表多分布?xì)埛e成因的黏性土，覆蓋層厚度較大；下伏基巖為三疊系、泥盆系砂巖、頁巖。

4"試驗內(nèi)容

4.1"試驗材料

本文試驗土樣取自K983+053處路基-10 m處的粉質(zhì)黏土，其基本參數(shù)見表1。粉質(zhì)黏土取出后經(jīng)機(jī)械破碎過篩后制成顆粒均勻的砂土并用塑膠袋進(jìn)行封裝保存，保證試驗質(zhì)量。

4.2"試驗準(zhǔn)備

本次室內(nèi)試驗共計進(jìn)行12個三軸樣本，均在廣西大學(xué)國家重點實驗室完成，采用GDS三軸儀進(jìn)行試驗。為貼近實際工程條件，所有樣本采用微濕法進(jìn)行制樣，含水率數(shù)據(jù)取自地質(zhì)勘察報告，為20.11%。制樣完成后，樣本經(jīng)過真空飽和至少24 h后取出進(jìn)行試驗，再經(jīng)過機(jī)械飽和確保樣本的B值達(dá)到0.95以上，確保樣本接近完全飽和狀態(tài)。

本次試驗對12個樣本分別摻入2種纖維材料，分別為碳纖維和聚丙烯纖維，并經(jīng)過機(jī)械充分?jǐn)嚢?、震動后得到纖維重塑土樣本。樣本纖維含量（wf）按單個純土樣本總質(zhì)量的0.25%和0.5%進(jìn)行摻和，隨后采用標(biāo)準(zhǔn)制樣模具分3次倒入混合土樣進(jìn)行人工搗鼓、壓實，最終得到試驗樣本。聚丙烯和碳纖維的材料參數(shù)如表2所示，碳纖維材料在彈性模量、抗拉強(qiáng)度等方面均比聚丙烯纖維高，然而碳纖維材料的實際成本過高，若在實際工程過大量運用，將會影響工程成本。因此，摻入類似的經(jīng)濟(jì)型纖維材料，能有效地控制項目成本和施工難度。

試驗開始前須對試驗儀器進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。為了提高試驗數(shù)據(jù)可信度，試驗開始前已經(jīng)完成3組重復(fù)性試驗。由試驗結(jié)果可知，各樣本（純黏土、纖維土）在相同加載條件下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)果相差值不大，相似度高（見圖2）。

4.3"試驗分析

4.3.1"纖維含量對纖維混摻加筋土力學(xué)性能的影響

土的抗剪能力是評估土體穩(wěn)定性及承載力的重要指標(biāo)。由圖3可知，隨著纖維摻入土體的含量提高，能顯著提高加筋土體的剪應(yīng)力和影響土體積變化。同時，纖維材料不僅能影響加筋土的初始剛度，也能有效地緩解土體剪應(yīng)力在大應(yīng)變下的軟化情況。

文獻(xiàn)［2］開展了不同試驗條件下的纖維砂土三軸試驗，指出素土的極限應(yīng)變出現(xiàn)在2%～3%，到達(dá)極限狀態(tài)后，素土的剪應(yīng)力會顯著降低，在大應(yīng)變的情況下，呈現(xiàn)明顯的軟化狀態(tài)，而加筋土的極限應(yīng)變會隨著摻入土里的纖維含量提高而提高，呈正比關(guān)系。

由上述試驗可以說明，對于單一纖維加筋土，當(dāng)分別摻入土的總重量0.25%和0.50%的纖維含量后，纖維的加筋效果會使加筋土的剪應(yīng)力得到明顯提升。混摻纖維土的試驗結(jié)果如下頁圖4～5所示。在試驗初始階段時（應(yīng)變lt;5%），單一纖維加筋土與混摻加筋土的剪應(yīng)力發(fā)展趨勢相似，而后隨著應(yīng)變增大（應(yīng)變gt;5%），含有100%碳纖維的纖維土（C100）剪應(yīng)力增長明顯，含有100%聚丙烯纖維的纖維土（P100）剪應(yīng)力值最低。相較于單一纖維加筋土，含有30%碳纖維的混摻纖維土（P7C3）剪應(yīng)力值只比P100的略高一些，而摻入50%碳纖維的混摻加筋土（P5C5）的剪應(yīng)力值卻與C100纖維土的應(yīng)力值相近（下頁圖4）。這樣類似的發(fā)展規(guī)律在wf=0.5%的試驗條件中更加明顯（下頁圖5）。同時，從圖4～5中可以看到，土中的碳纖維含量越高，其樣本的剪切剛度也會隨之增大。

4.3.2"纖維含量對纖維混摻加筋土力學(xué)參數(shù)的影響

如下頁圖6所示是分別摻入和同時摻入兩種纖維材料后加筋土的最大內(nèi)摩擦角和最大粘聚力的變化規(guī)律。值得注意的是，根據(jù)以往的研究結(jié)果可知［4-5］，加筋土的內(nèi)摩擦角和粘聚力與摻入的纖維含量成正比關(guān)系，即兩者隨著纖維含量的增加而增大。

4.3.3"結(jié)果分析

對于剪應(yīng)力變化來說，這是由于碳纖維本身具有較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，摻入土體后能更有效地給土提供加筋作用，最終提高土的抗剪強(qiáng)度。由于碳纖維的比重小于聚丙烯纖維，意味著在相同質(zhì)量、相同體積條件下，摻入土里的碳纖維數(shù)量要比聚丙烯的數(shù)量多，因此在土里的碳纖維含量＞50%時，其樣本剪應(yīng)力與含100%碳

纖維樣本剪應(yīng)力相近。通過對本次所有加筋樣本進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)，所有加筋樣本均沒有發(fā)生大應(yīng)變軟化的情況，這是因為聚丙烯和碳纖維在給土體提供加筋作用的同時，自身沒有達(dá)到破壞狀態(tài)。

從微觀結(jié)構(gòu)來說，內(nèi)摩擦角和粘聚力的提升，說明土顆粒與纖維材料之間的相互作用更充分，從而使土的整體穩(wěn)定性得到提高。而本文中得到的內(nèi)摩擦角與粘聚力的發(fā)展規(guī)律與以往的研究結(jié)果有較大出入，這是因為摻入兩種不同纖維材料后，兩種纖維材料因其分別具有不同的材料特性，會使土的微觀結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜；另一方面，由于本次制樣采用的方法為纖維隨機(jī)分布法，這可能會導(dǎo)致樣本局部區(qū)域產(chǎn)生纖維“結(jié)團(tuán)”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致受力不均勻，影響試驗結(jié)果。

5"應(yīng)用展望

纖維加筋土作為一種新型的土體加筋技術(shù)已經(jīng)受到歐美等發(fā)達(dá)國的廣泛關(guān)注。該項技術(shù)已應(yīng)用于美國空軍機(jī)場跑道，可滿足C-170等大型運輸機(jī)的起落要求，試驗跑道的沉降量最終控制在＜16 mm［6］。纖維加筋土技術(shù)也被用在美國里奇湖環(huán)湖公路的路基邊坡修復(fù)中［7］。此外，纖維加筋土還具有以下優(yōu)勢：

（1）纖維材料就地取材。不同纖維的種類可滿足不同條件下的使用要求。比如，摻入天然纖維材料的加筋土可用作短期的施工便道路基，減少施工便道受雨水沖刷后的二次維護(hù)成本。因合成纖維具有很強(qiáng)的耐腐蝕性和高抗拉強(qiáng)度的特征，含聚丙烯纖維材料的加筋土可用于特殊條件下的道路、邊坡加固等領(lǐng)域?？梢猿浞掷卯?dāng)?shù)氐妮p、重工業(yè)體優(yōu)勢，滿足資源回收再利用、特殊纖維材料制作等要求，整體上降低了材料加工、運輸成本。

（2）纖維加筋土的施工工藝對設(shè)備、工人的技術(shù)要求低，操作簡單。傳統(tǒng)的攪拌工藝即可滿足纖維材料與土壤的充分混合，如遇特殊土壤類型，可在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)即可，無須重新進(jìn)行設(shè)計。

6"結(jié)語

本文主要對纖維混摻加筋土的力學(xué)性能開展室內(nèi)三軸試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，主要有以下結(jié)論：

（1）混摻纖維加筋土的應(yīng)力隨著纖維含量的增大而增大，這是由于纖維材料自身具有高抗拉、高模量的特性，使得土的整體剛度、延度得到提高。

（2）在相同試驗條件下，混摻纖維土的剪應(yīng)力隨著碳纖維的含量增加而增大，當(dāng)碳纖維含量占纖維含量的50%時，其剪應(yīng)力的峰值與含有100%碳纖維含量的纖維土近似。此成果可以達(dá)到“降本增效”的目的。

（3）雖然內(nèi)摩擦角受纖維含量變化的影響而減少，但混摻纖維可有效增加土體與纖維的粘結(jié)度，提高土的整體強(qiáng)度。

混摻纖維加筋土的誕生，在一定程度上降低了對筋材用量的需求，也滿足了當(dāng)今巖土工程可持續(xù)和適應(yīng)性的要求。但混摻纖維加筋土技術(shù)在國內(nèi)的實際應(yīng)用還較少，其重要的原因有：纖維-土顆粒的拌和工藝不成熟，纖維材料的各向異性計算理論難度復(fù)雜，纖維分布不均勻等。

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