纤维加筋土在交通工程中的应用解析

纤维加筋土在交通工程中的应用解析

李敬

鱼台县交通运输局山东省济宁市272300

摘要：纤维加筋是指在土中掺入连续不断的土工合成纤维来加固土体的一种方法，属于一种新型体积补强技术，它不仅可以提高土的抗剪强度，还可以限制土的竖向和侧向变形。本文从静、动力特性试验和本构关系角度总结纤维加筋土应用研究成果，并对纤维加筋技术在道路交通工程中推广运用面临的关键问题进行分析，指出交通荷载条件下纤维加筋土动力变形特性的认知及如何将纤维材料对土体补强机制引入到土体的应力-应变本构关系式中是拓展纤维加筋技术在交通工程中发展潜能的两大关键理论课题。

关键词：交通工程；纤维加筋土；静力特性试验；动力特性试验；本构理论

1静力特性试验研究

近些年来，国内外关于纤维加筋土的研究多集中于从宏观上分析纤维加筋对土体工程性质的改善程度，在研究手段方面以室内试验为主，如击实、无侧限抗压强度、直剪、三轴和CBR等试验。研究方法及内容主要集中在以下几个方面：

（1）讨论纤维掺量及长度对土体力学强度的影响。在三轴试验中发现，纤维掺量并不是越多越好，单从提高抗剪强度方面考虑，确定最佳的纤维掺量为0.2%；基于无侧限抗压强度结果，也得到最佳的纤维掺量在0.2%附近，并指出纤维长度对强度的影响无明显规律。当纤维掺量介于0.4%~0.5%时，能减少约50%裂隙；当纤维掺量达到0.8%时，最多能减少约90%的裂隙。当纤维掺量达到0.6%时，纤维在土中已难以拌合均匀，因此，在提高加筋土强度和回弹模量的同时，需考虑施工可行性，应控制纤维的掺量。砂性土的纤维掺量为1%时，复合土抗剪强度开始下降。

（2）讨论何种纤维对土体力学补强效果好。将聚丙烯纤维加入黏性土体中，研究其补强效果。水泥土中加入尼龙纤维对土体应力应变关系有显著影响，提高了力学强度。研究椰皮纤维和石灰对软土的加固效果，发现软土的压缩和拉伸强度有显著提高，并能增加固化时间。以植物纤维为加筋材料，土体抗剪强度明显加强，且有一个最佳掺量。当使用橡胶纤维时，最佳掺量为2%，最佳纤维长度为10mm；当使用聚丙烯纤维时，最佳掺量为0.2%，最佳纤维长度为15mm。研究以废弃地毯为加筋材料，同样能有效提高土体的无侧限抗压强度，并同时增加土体韧性。

（3）土体密实度及有无水泥胶结作用。通过离心试验发现素土边坡的破坏具有突发性特点，而纤维加筋土坡的破坏则是渐进性的，据此得出纤维加筋能有效提高土质边坡稳定性。聚丙烯纤维的物理加筋和水泥化学加固对软土力学强度的影响，指出纤维的加入降低了水泥土的脆性，提高了水泥土的断裂破坏韧性，对提高工程的安全性和稳定性有一定意义。通过离心模型试验模拟高填方路堤素土模型和纤维土模型的位移矢量图，试验结果表明纤维均化了路堤内的应力分布，减少了不均匀沉降，对路堤最大侧向位移值减少51.4%，最大竖向位移值减少15.3%，反映出纤维对路堤位移有很强的限制作用。对不同密实度的hostunRFsand进行不同掺量的聚丙烯纤维试验研究，发现三轴压缩条件下，随聚丙烯纤维掺量的增加不管松砂还是密砂的强度都有明显提高，但三轴拉伸试验条件下补强效果不明显。

2动力特性试验研究

从已有研究成果看，纤维加筋技术动力特性主要以室内动三轴试验为基础，研究循环荷载作用下土体强度和变形随纤维掺量、长短、振动次数、围压等的变化规律。实际上，单纯的动三轴试验对土体动力特性研究的方式过于单一，无法反映交通荷载条件下，纤维加筋土的力学性状。交通荷载是比较复杂的荷载形式，土体单元受到的循环应力随主应力方向改变，其循环应力大小也在改变，可用“苹果状”的应力路径来表征土体单元剪应力与偏应力的应力交替关系，对于如此复杂应力条件，纤维复合的补强机制又会如何发挥，工程力学性状如何，目前这一方面的研究工作开展较少，尚待研究。

3本构模型研究

土的本构关系是现代岩土力学的核心内容，也是工程数值计算的基础，关于纤维加筋土的本构理论的研究成果目前还比较少。不少学者基于土体受力平衡以及能量消散理论[来描述纤维加筋对土体抗剪强度的补强效果。考虑纤维与土颗粒的叠加效应提出了一个流程图来预测不同种类的纤维加筋土失效强度。等效附加应力法分析纤维加筋土受力特性，基本思路是把加筋土中筋的作用等效成外力加在土骨架上，取加筋土中的土体进行计算。这种方法能够适用于纤维加筋、分层加筋和土钉墙等，能克服一般复合材料中复合材料本构模型难以建立，及把加筋土分开考虑的方法中接触面单元过多的弊病。早期研究考虑纤维与砂土的叠加效应基于连续介质理论提出加筋土一个相对完整的本构理论。其中本构模型指出了纤维分布方向的重要性，并将其作为一个参数来表征纤维加筋的有效性。根据循环荷载试验结果总结出一个适应动力荷载的非线性弹性模型。依据在单向压缩荷载在考虑材料体积均一性基础上，提出了一非线性弹性模型。采用离散元的方法分析了加筋纤维与土颗粒间的微观力学行为。提出采用有限元的方法来分析纤维加筋土力学特性。提出用理想弹塑性Mohr-Coulomb模型来模拟加筋纤维土三轴压缩和三轴拉伸状态的应力应变关系。依据无侧限压缩试验结果基于颗粒群优化算法和人工神经网络提出一个多项式模型来预测纤维加筋土的力学特性。在纤维/土体界面相互作用机理方面，国内外研究相对较少。将纤维和土视为两相，先后提出了用于描述纤维加筋土应力-应变关系的本构模型，并通过试验进行验证。从单根纤维和土体相互作用的角度，建立纤维加筋土的各向异性本构模型，讨论了强度参数对主应变率方向的依赖性。

虽然研究者们对纤维加筋土的本构模型进行了一些探讨，但缺乏能考虑动荷载及复杂应力路径的本构模型。如果将纤维加筋土作为路堤或路基材料时，交通荷载的作用势必会引起主应力轴的循环旋转和幅值的连续变化，土体的受力和变形性状用现有理论难以给出准确计算结果，因此研究交通荷载作用下纤维加筋和水泥固化土的动力本构模型有重要的意义，为此类纤维加筋土在交通工程中实现有限元数值分析奠定基础。

4结论

从国内外研究发展动态可知，过去的研究主要集中在纤维材料选取、纤维掺量、尺寸、密实度、围压等因素对纤维加筋土力学特性的影响。研究的手段也大多以静力特性试验为主，简单着眼于为不同工程性质土体找到某一恰当的纤维掺量、长度等工程施工参数，虽然也开展了动三轴试验研究，但相对静力特性试验，仅仅是多增加了一个循环动荷载的影响因素。随着交通工程尤其是铁路建设的迅猛发展，路堤及基础的稳定与变形控制亟需新型工程处置措施来克服固有的岩土工程问题。纤维加筋土技术作为一种新型的土体补强技术有广泛的应用前景和环保价值，要拓展其在交通工程中的发展潜能，有以下两个关键的科学问题需要解决：（1）以往纤维加筋土力学特性试验研究过于传统，不能充分反映交通荷载条件下，纤维加筋土的补强机制，不足以刻画交通荷载条件下纤维加筋土变形性质，缺乏对纤维加筋土动力特性的认知；（2）未将纤维材料对土体补强机制引入到纤维加筋土的应力-应变本构关系式中，使得在实际工程应用中纤维加筋土稳定和变形性状难以预测，工程设计中也缺乏完善的设计依据。

参考文献

[1]尹锦明，赵晓东，孙舒.聚丙烯纤维土路用性能试验研究[J].公路工程，2015，40（6）：238-241

[2]介玉新，李广信，陈轮.纤维加筋土和素土边坡的离心模型试验研究[J].岩土工程学报，1998，20（4）：12-15.