纤维加筋土抗液化性能的研究进展

刘 超，叶 斌，路家峰

(同济大学地下建筑与工程系，上海 200092)

0 引言

土体地震液化是引起建(构)筑物破坏的一个重要原因。例如，1964年的日本新泻地震［1］、1976年的唐山地震［2］、2008 年的汶川地震［3］以及 2011 年的东日本地震［4］中，均产生了大量由于砂土液化所导致的边坡失稳、桥梁及建筑地基破坏、建筑物上浮以及建筑物过量沉降等破坏现象。除地震作用以外，单调不排水荷载所引起的静态液化问题，也同样会导致诸如滑坡、地基沉降、土体结构破坏、建筑物侧向位移等多种破坏形式［5］。因此，在过去的30多年中，液化问题得到了广泛的研究。

通常用以降低土体液化风险的措施包括加密、增强排水、加筋、固化和置换等。其中，纤维加筋技术作为一种抗液化手段，具有经济效益高、适应性强、受环境影响小且加筋材料种类丰富等优势，引起了越来越多的学者和工程技术人员的重视，并开展了一系列相关研究工作［5-24］。

实际上，早在五千多年前，人们就已经开始利用秸秆或干草等天然纤维来提高建筑材料的稳定性和强度。随着科学技术的发展，多种纤维材料被广泛应用于岩土工程中，主要包括路基建设、挡土墙、边坡防护和地基处理等。大量应用成果已经证明，在静荷载条件下，纤维加筋可显著提高土体的整体强度，减少土体的变形并增强土体的稳定性［25-27］。然而，纤维加筋技术应用于土体抗液化方面的研究还开展得相对较少。因此，本文旨在对目前已开展的关于纤维加筋土抗液化性能方面的研究进行综述，探讨加筋纤维增强土体抗液化性能的机理，为今后这一方面的研究和应用起到参考和借鉴作用。

1 纤维加筋土抗液化性能的研究进展

根据纤维材料分布形式的不同，纤维加筋可分为定向分布的纤维加筋(例如常见的土工格栅、土工织物等土工合成材料)和随机分布的纤维加筋两大类。这两类加筋方式在增强土体抗液化能力方面具有不同的作用机理和效果。因此，本文将对这两类加筋方式的相关研究成果分别加以综述。

1.1 定向分布的纤维加筋

定向分布的纤维加筋是指包括土工织物、土工格栅、土工网等在内的土工合成材料的定向加筋。其中，土工织物又可分为经过编织的有纺土工布和未经过编织的无纺土工布两种形式。在土体中加入这些定向分布的纤维材料以后，可显著改善土体的动态响应特征，包括土体的抗液化强度。Krishnaswamy等人［6-7］首先对定向分布的纤维加筋材料提高土体抗液化强度的作用机理及影响因素进行了研究。他们分别对不同尺寸的有纺和无纺土工织物加筋试样进行了大量不排水动三轴试验，发现纤维加筋可显著提高土体的抗液化性能，且土体的抗液化强度随着加筋层数的增加而逐渐增强。尤其是当密实度较低且加筋材料具有较高的刚度和界面摩擦时，加筋效果更为显著。通过应力分析，Krishnaswamy等人［7］还指出纤维加筋土抗液化强度增强的主要原因是由于加筋层间土体的有效围压在加筋材料的约束作用下得到了极大的提高。由于该有效围压是加筋材料和土体界面间剪应力的函数，而界面间的剪应力又会随着摩擦系数、加筋材料的抗弯刚度以及加筋材料的压缩性的变化而改变。因此，加筋层和土体接触面间的摩擦系数、加筋层的抗弯刚度以及加筋层的压缩性是影响加筋土抗液化强度的主要因素。Altun［8］等人利用空心圆柱扭剪试验获得了有纺、无纺土工织物加筋试样的液化强度曲线(图1)。试验结果表明，有纺及无纺土工织物加筋均可有效提高土体的抗液化强度，并且加筋试样的抗液化强度随着加筋层数的增加而增强，这与Krishnaswamy等人［6-7］通过动三轴试验所得到的结论相一致。Altun［8］等人的试验结果还表明，在相同条件下无纺土工织物的作用效果优于有纺土工织物。

图1 不同土工织物加筋土体的抗液化性能［8］Fig.1 Liquefaction-resistance characteristics of different reinforced soils

Vercueil等人［9］利用动三轴试验进一步研究了无纺土工织物的压缩性和表面粗糙度对加筋土体抗液化性能的影响，发现当动应力比大于Nl=20(Nl指试样达到液化所需要的应力循环次数)所对应的动应力比时，无纺土工织物对土体抗液化性能的提高效果主要取决于其压缩性;而当动应力比小于Nl=20所对应的动应力比时，无纺土工织物对土体抗液化性能的提高效果主要取决于其表面粗糙程度。Vercueil等人［9］还指出无纺土工织物加筋起到了增强排水的作用，可加快土体中的超孔隙水压的消散从而延迟土体的液化。但是，随着土体在荷载作用下变形逐渐增大，当土工织物达到最大伸长率时，加筋材料的抗液化作用便会降低，这时土体便会发生液化。

除室内试验外，部分学者还利用模型试验研究了定向分布的纤维加筋土的抗液化性能。Maheshwari等［10］对土工格栅加筋的模型地基进行了振动台试验，指出土工格栅加筋可降低试样的最大孔压比，从而抑制液化的发生;同时减小由液化所引起的土体振陷量。在低加速度振动时，加筋效果更为显著(表1)。车金枝［11］同样对多种定向分布的纤维加筋模型地基进行了一系列振动台试验，得出纤维加筋在一定程度上降低了地基底、中、顶部的孔压比从而提高了土体的抗液化强度，这与Maheshwari等人［10］的研究结论相一致。

综上所述，定向分布的纤维加筋材料能够显著地提高土体的抗液化强度，但是加筋材料多方面的性质均会对加筋土的抗液化性能产生影响。

表1 不同纤维材料加筋土在振动台模型试验中抗液化强度的提高率［10］Table 1 Improvement of liquefaction－resistance for different reinforced soils in shaking table tests

1.2 随机分布的纤维加筋

随机分布的纤维加筋是将纤维材料直接掺入土中与土体随机均匀混合，从而改变土体的力学性质，提高土体的抗液化性能。不同于定向分布的纤维加筋，随机分布的纤维加筋土的制备过程与混凝土比较类似，只是将纤维材料与土体进行简单地混合。因此，只要两者混合均匀即可保证加筋土各向同性且无潜在软弱面。早在1989年，Noorany等［12］就对随机分布的纤维加筋土和定向分布的纤维加筋土的抗液化性能进行了比较研究。比较结果表明，随机分布的纤维加筋材料的抗液化效果优于定向分布的纤维加筋材料。Maheshwari等人［10］在振动台模型试验中也研究了随机分布的合成纤维及天然椰壳纤维加筋土体的抗液化性能(表1)。其中，两类纤维均按干砂质量的0.25%、0.50%、0.75%随机掺入土中。试验结果表明，两类纤维均可显著地增强土体的抗液化强度，且随纤维含量的增加抗液化性能逐渐增强。主要表现在以下三个方面，随纤维含量的增加:(1)最大孔压比显著降低;(2)达到最大孔压比的时间延迟;(3)液化所引起的沉降减少。从表1的结果可以看到，随机分布的纤维加筋土的抗液化性能优于定向分布的土工格栅加筋土，其中，椰壳纤维加筋土体的抗液化性能最优。例如，当加速度为0.1g时，对于0.75%纤维含量的加筋砂土来说，土工合成纤维加筋试样及天然椰壳纤维加筋试样抗液化强度的平均增长率分别为88%和91%，振陷量分别为3.7mm和1.6mm;而对于5层土工格栅加筋的砂土，其抗液化强度增长仅为31%，振陷量达到13.7mm。

随机分布纤维加筋的抗液化效果同样也受到多种因素的影响。Maher等［13］通过大量的振动台试验和空心圆柱扭剪试验，研究了随机分布纤维的种类、分布方向、含量、长径比等多种因素对加筋土体动态响应特征的影响，指出随机分布的纤维加筋能够显著提高加筋试样的动剪切模量及其抗液化强度。Omarov［14］选用两种不同种类的土工纤维进行随机分布加筋，纤维含量分别为干砂质量的0.2%、0.5%、1%，并对加筋试样进行了大量不排水动三轴试验，发现纤维加筋可以降低砂土的超孔隙水压从而提高其抗液化性能。同时，Omarov等［14］还发现纤维种类对超孔隙水压的发展有较大的影响，而纤维含量对超孔隙水压的影响却较小。

随着人们环保意识的提高，多种废弃物，如废弃轮胎制成的橡胶颗粒或废弃地毯制成的纤维长条等，也常用于掺入土体中作为加筋材料。这些废弃物在功能上也起到随机分布的纤维加筋作用。Ghiassian等人［15］将废弃地毯制成的纤维长条作为加筋材料，通过动三轴试验发现纤维长条可有效的改善加筋细砂土体的动力特性，并指出纤维长度和含量对加筋细砂的动力特性均有影响。Feng等人［16］通过振动台模型试验研究了橡胶颗粒掺入土体后对土体剪切模量和阻尼比的影响，发现随着橡胶颗粒掺入量的增加，土体在振动过程中的阻尼比会显著增加。这说明橡胶颗粒可作为减小振动影响的阻尼材料，从而提高土体在动荷载下的抗液化性能。Hazarika等［17］进一步验证了将橡胶颗粒作为加筋材料用于提高砂土抗液化性能的可行性，指出掺入土体中的橡胶颗粒可以有效地抑制振动过程中超孔隙水压的增长。然而，需要注意的是，橡胶颗粒与土体的互锁能力较差，因此，掺入土体中的橡胶颗粒所占的体积需要达到一定的比例，才能对土体的动力特性产生影响。否则，加筋效果并不明显。例如，Feng等人［16］在进行试验时，所选用的橡胶颗粒所占体积比例达到29%以上。Hazarika等人［17］指出橡胶颗粒所占体积比例大于50%时，土体的最大孔压比才会显著降低。

除了动荷载以外，单调的静荷载也可能诱发土体的液化破坏现象。近年来，不少学者针对随机分布的纤维加筋土的静态液化问题开展了研究工作。Ibraim等［20-21］通过大量的直剪试验和常规三轴试验，证明随机分布的纤维加筋可显著提高试样的抗静态液化性能，主要表现在:(1)在排水试验条件下，加筋纤维可以增强试样的体积膨胀能力，从而使得试样在较高的荷载水平下才会达到液化所需要的孔隙水压力;(2)在不排水三轴压缩条件下，随机分布的纤维加筋可使静态液化完全被抑制;(3)在不排水三轴拉伸条件下，随机分布的纤维加筋可以增加试样的抗剪强度，并且能有效地抑制由于静态液化所引起的变形。加筋与未加筋试样在液化后的具体形态如图2所示。Liu等人［22］通过不排水环剪试验研究了砂土密实度和纤维含量对随机分布的纤维加筋砂土抗静态液化性能的影响，指出加筋对松砂的抗液化特性影响不大，但对中密和密实砂土的影响则较为显著。同样，Liu等人［22］也对试样破坏后的形态进行了观察，指出纤维加筋可以有效的抑制由于液化所引起的砂土侧向变形，保持砂土结构的稳定性。

图2 试样完全液化后的照片［21］Fig.2 Photographs of liquefied samples

通过大量学者的研究均可发现，随机分布的纤维加筋对于增强土体的抗液化能力具有显著的效果，是一种具有良好应用前景的抗液化措施。然而，一些学者也指出了随机分布的纤维加筋技术在实践中的一些难点，主要表现在要使掺入的纤维在土体中达到均匀分布的状态十分困难。这对纤维长度及纤维含量均有一定的要求。

一般来说，纤维较短且含量不高时，容易与土体混合均匀，但是过短的纤维和过低的纤维含量可能无法达到预期的加筋效果;相反，纤维长度过长或是含量过高时，又会增大加筋体制备的难度，导致纤维的不均匀分布进而影响加筋效果。Newman等人［23］指出当纤维长度超过51mm时，加筋不仅没有显著改善土体的性质，反而会导致纤维材料难以与土体均匀混合，并易形成潜在软弱面从而影响加筋效果。另外，在室内研究中，常用湿夯法制备随机分布的纤维加筋试样，因为湿夯法可以较好的控制土样密实度、避免纤维分离，且由湿夯法制备纤维加筋试样的过程与现场击实制备纤维加筋土的过程相似。Diambra［24］发现湿夯法会使纤维形成近水平的定向分布，因此，将加筋体认为各向同性会高估加筋体的强度。Ibraim等人［21］的试验研究也表明由纤维加筋所引起的强度增长呈各向异性，且由三轴压缩试验所得到的摩擦角与由三轴拉伸试验所得到的摩擦角差别较大。因此，在将随机分布的纤维加筋技术应用于实际工程之前，这些关键难点问题需要进一步深入地研究.

2 总结

关于纤维加筋在增强土体抗液化性能方面的作用效果，不少学者已经进行了试验和理论上的探索，得到了一些初步结论:

(1)大量研究结果均表明定向分布纤维性质加筋可以显著提高土体的抗液化性能，并且提高效果随着加筋层数的增多而增强，同时减小土体液化后的沉降量。然而，关于定向分布的纤维加筋机理及加筋土的主要影响因素并未达到统一，既有的研究成果主要可以概括为:

1)加筋材料可作为渗流通道起到增强排水的作用，加快土体中的超孔隙水压的消散，从而降低土体的超孔压比进而延迟土体的液化。

2)加筋材料可起到侧向约束的作用，通过提高加筋层间土体的有效围压从而提高土体的抗液化强度。

(2)随机分布的纤维加筋抗液化效果优于定向分布的纤维加筋，其原因在于在随机分布的纤维加筋不存在明显的各向异性，只要混合均匀，土样则不存在潜在软弱面，因而可以更大程度地降低土样的孔压比，减小液化所引起的沉降，同时还可以延缓液化发生的时间并且显著减小由液化所引起的变形。

(3)多种废弃物，如废弃轮胎制成的橡胶颗粒或废弃地毯制成的纤维长条等，也常用于掺入土体中作为加筋材料。现有的研究同样表明，此类掺入物同样可以提高土体的抗液化性能。

(4)随机分布的纤维加筋不仅可以有效地抑制动荷载所引起的液化，同样可以抑制土体的静态液化，并且减小液化后所发生的变形，保持土体结构的稳定性。纤维含量及砂土密实度是其主要影响因素。

3 展望

通过对之前学者的大量研究进行综述，笔者认为纤维加筋土对提高土体的抗液化性能具有显著的效果，但是将纤维加筋技术应用到土体的抗液化工程实践中仍然存在一些具体问题需要解决，主要包括以下三个方面:

(1)关于纤维材料在土体中的抗液化作用机理及其影响因素，目前还主要处在定性研究阶段，定量的研究成果还较少，需要进一步通过各类试验研究确定不同参数对加筋土的影响作用。同时也未对该问题进行深入的数值模拟分析，应当加强该方面的研究，这对以后在工程实践中正确选取加筋材料以及加筋形式具有重要的意义。

(2)人工或机械的方法均可用于制备随机分布的纤维加筋土，但是，在实际工程中纤维成团、混合不均的实际问题，很大程度上限制了随机分布的纤维加筋土的工程应用。

(3)目前，将纤维加筋土技术应用于抗液化实际工程中，还缺少专门的技术标准及科学的评价标准，因此，需要在加强应用研究的基础上，制定相关技术标准，推进纤维加筋技术在工程中的应用。

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