纖維混摻加筋土用于擴建路基的力學性能研究

摘 要：文章以某高速公路擴建項目為依托，對其路基土樣進行力學性能提升研究。通過在土體中摻入聚丙烯纖維和碳纖維，采用室內三軸排水剪切試驗對纖維混摻加筋土的力學性能進行分析，重點研究混摻纖維材料對土體粘聚力、內摩擦角的影響，并對纖維混摻加筋土在實際施工過程中的質量控制提出建議。

關鍵詞：路基；纖維加筋土；加固；三軸實驗；應力—應變關系；工程應用

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，近年來被許多學者廣泛關注［1-3］。與傳統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力，從而整體提高土體的承載力和穩定性（圖1）。近年來我國出臺了許多關于綠色節能的政策，纖維加筋土憑借環保、經濟和相比其他傳統加固技術有更大的潛力等優點，正逐漸成為交通領域所不能忽視的一項新工藝。

1"纖維加筋土研究背景

在交通領域，土作為路基承載的核心，需要對其進行穩定性和承載力的提升，而纖維的摻入恰好可以彌補土抗拉強度的不足，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，傳統纖維加筋土（Fiber-reinforced soil，FRS）力學性能（如剛度和延性）的改善由于單一纖維的特性而受到限制。纖維混摻加筋技術是對傳統纖維加筋技術的改進和提升，通過在土中摻入兩種不同類型的纖維，讓纖維發揮出各自的特性，以此提高土體的抗剪強度和剛度。但目前國內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建項目，對其路基土樣進行力學性能提升研究。通過在土體中摻入聚丙烯纖維和碳纖維，采用室內三軸排水剪切實驗對纖維混摻加筋土的力學性能進行研究和分析，重點分析混摻纖維材料對土的粘聚力、內摩擦角的影響，并對纖維混摻加筋土在實際施工過程中的質量控制提出建議。

2"工程概況

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

3"地質概況

剝蝕構造丘陵地貌：K983+046～K986+140段，地面標高為60～130 m，局部達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。地表種植經濟作物。沖溝地表分布第四系全新統坡積、洪積粉質黏性土，下部多分布殘積黏性土；斜坡地表多分布殘積成因的黏性土，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處的粉質黏土，其基本參數見表1。粉質黏土取出后經機械破碎過篩后制成顆粒均勻的砂土并用塑膠袋進行封裝保存，保證試驗質量。

4.2"試驗準備

本次室內試驗共計進行12個三軸樣本，均在廣西大學國家重點實驗室完成，采用GDS三軸儀進行試驗。為貼近實際工程條件，所有樣本采用微濕法進行制樣，含水率數據取自地質勘察報告，為20.11%。制樣完成后，樣本經過真空飽和至少24 h后取出進行試驗，再經過機械飽和確保樣本的B值達到0.95以上，確保樣本接近完全飽和狀態。

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，并經過機械充分攪拌、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量的0.25%和0.5%進行摻和，隨后采用標準制樣模具分3次倒入混合土樣進行人工搗鼓、壓實，最終得到試驗樣本。聚丙烯和碳纖維的材料參數如表2所示，碳纖維材料在彈性模量、抗拉強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，摻入類似的經濟型纖維材料，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行設備調試。為了提高試驗數據可信度，試驗開始前已經完成3組重復性試驗。由試驗結果可知，各樣本（純黏土、纖維土）在相同加載條件下應力-應變關系數據結果相差值不大，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性能的影響

土的抗剪能力是評估土體穩定性及承載力的重要指標。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力在大應變下的軟化情況。

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

由上述試驗可以說明，對于單一纖維加筋土，當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力得到明顯提升?；鞊嚼w維土的試驗結果如下頁圖4～5所示。在試驗初始階段時（應變lt;5%），單一纖維加筋土與混摻加筋土的剪應力發展趨勢相似，而后隨著應變增大（應變gt;5%），含有100%碳纖維的纖維土（C100）剪應力增長明顯，含有100%聚丙烯纖維的纖維土（P100）剪應力值最低。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）的剪應力值卻與C100纖維土的應力值相近（下頁圖4）。這樣類似的發展規律在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參數的影響

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摩擦角和最大粘聚力的變化規律。值得注意的是，根據以往的研究結果可知［4-5］，加筋土的內摩擦角和粘聚力與摻入的纖維含量成正比關系，即兩者隨著纖維含量的增加而增大。

4.3.3"結果分析

對于剪應力變化來說，這是由于碳纖維本身具有較高的抗拉強度和彈性模量，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度。由于碳纖維的比重小于聚丙烯纖維，意味著在相同質量、相同體積條件下，摻入土里的碳纖維數量要比聚丙烯的數量多，因此在土里的碳纖維含量＞50%時，其樣本剪應力與含100%碳

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

從微觀結構來說，內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，從而使土的整體穩定性得到提高。而本文中得到的內摩擦角與粘聚力的發展規律與以往的研究結果有較大出入，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，會使土的微觀結構變得更為復雜；另一方面，由于本次制樣采用的方法為纖維隨機分布法，這可能會導致樣本局部區域產生纖維“結團”現象，從而導致受力不均勻，影響試驗結果。

5"應用展望

纖維加筋土作為一種新型的土體加筋技術已經受到歐美等發達國的廣泛關注。該項技術已應用于美國空軍機場跑道，可滿足C-170等大型運輸機的起落要求，試驗跑道的沉降量最終控制在＜16 mm［6］。纖維加筋土技術也被用在美國里奇湖環湖公路的路基邊坡修復中［7］。此外，纖維加筋土還具有以下優勢：

（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成本。因合成纖維具有很強的耐腐蝕性和高抗拉強度的特征，含聚丙烯纖維材料的加筋土可用于特殊條件下的道路、邊坡加固等領域?？梢猿浞掷卯數氐妮p、重工業體優勢，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備、工人的技術要求低，操作簡單。傳統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，可在傳統機械設備的基礎上進行改進即可，無須重新進行設計。

6"結語

本文主要對纖維混摻加筋土的力學性能開展室內三軸試驗。根據試驗結果，主要有以下結論：

（1）混摻纖維加筋土的應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，混摻纖維土的剪應力隨著碳纖維的含量增加而增大，當碳纖維含量占纖維含量的50%時，其剪應力的峰值與含有100%碳纖維含量的纖維土近似。此成果可以達到“降本增效”的目的。

（3）雖然內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度，提高土的整體強度。

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，也滿足了當今巖土工程可持續和適應性的要求。但混摻纖維加筋土技術在國內的實際應用還較少，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雜，纖維分布不均勻等。

參考文獻：

［1］Wang，Y. X.，Guo，P. P.，Ren，W. X.，et al. Laboratory investigation on strength characteristics of expansive soil treated with jute fiber reinforcement ［J］. International Journal of Geomechanics，2017，17（11）：399-406.

［2］Gao，Z.W.，Lu，D.C.，Huang，M. Effective skeleton stress and void ratio for constitutive modelling of fiber-reinforced sand ［J］. Acta geotechnica，2020，15（1）：2 797-2 811.

［3］孫"紅，姜開鋒，吳雪萍，等. 軟弱土路堤的玻璃纖維加筋土加固技術［J］. 地下空間與工程學報，2014，10（S2）：1 893-1 898.

［4］張艷美，張旭東，張鴻儒. 土工合成纖維土補強機理試驗研究及工程應用［J］. 巖土力學，2005，26（8）：1 323-1 326.

［5］高文杰，董思文，陳思奇.基于天然植物纖維材料的土體加固技術［J］.城市建設理論研究（電子版），2019（8）：205-207.

［6］Hatami，Kianoosh，Garry H. Gregory，and Gregory Scott Garland Jr. Guidelines for the Use of Fiber Reinforced Soil （FRS） in Highway Construction.University of Oklahoma，2019. No. SPTC15. 1-24-F.

［7］Consoli，N. C.，Prietto，P. D.，Ulbrich，L. A. Influence of fiber and cement addition on behavior of sandy soil ［J］. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering，1998，124（12）：1 211-1 214.20240403