纤维加筋土在交通工程中的应用研究综述

王艳芳，周治刚

（1.南京大学金陵学院城市与资源学院，江苏 南京 2100933；2.江苏省水利工程科技咨询有限公司，江苏 南京 210029）

纤维加筋土在交通工程中的应用研究综述

王艳芳1，周治刚2

（1.南京大学金陵学院城市与资源学院，江苏 南京 2100933；2.江苏省水利工程科技咨询有限公司，江苏 南京 210029）

纤维加筋土是一种新型体积补强技术，运用在路堤路基工程中时具有限制土体竖向和侧向变形，改善土体力学强度，增强边坡稳定性的作用。文章从静、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。

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 概述

纤维具有强度高、分散性好、易于拌合、不产生环境污染等优点，纤维加筋能提高土体抗剪强度、抑制土体张裂缝、增强土体渗透性，以及改良土性等。纤维能提取自废弃旧衣物，塑料产品（如回收的塑料袋、塑料瓶）、玻璃产品、植物遗体（如稻草、秸秆、椰子壳）等。纤维加筋土技术能改善多种土体，诸如砂性土、软土、黄土、膨胀土、红黏土、冻土、石灰、粉煤灰，甚至坝体砂砾料等的工程力学性能，尤其对防止土体裂缝变形，增强土体稳定性有显著效果。目前，纤维加筋技术在国内外诸多的高速公路路堤、挡土墙、斜坡加固、坝体防渗等工程都有运用，取得了明显的工程经济效益。与此同时，纤维加筋技术对土性改善与补强机制及纤维复合土的工程应用研究也受到广泛关注，对纤维加筋土技术的理论研究和应用推广成为研究热点。

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。

2 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。Welker［1］等在三轴试验中发现，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%；Akbulut［2］等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。Miller［3］研究得出当纤维掺量介于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。尹锦明［4］认为当纤维掺量达到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。Mohamed［5］发现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。介玉新，Consoli等［6-8］将聚丙烯纤维加入黏性土体中，研究其补强效果。Estabragh［9］发现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。Babu等［10］则研究椰皮纤维加筋土的抗拉强度及变形性质。Anggraini等［11］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。Manbeian［12］、Mohamed［5］等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。Akbulut［2］等研究得出当使用橡胶纤维时，最佳掺量为2%，最佳纤维长度为10 mm；当使用聚丙烯纤维时，最佳掺量为0.2%，最佳纤维长度为15 mm。Mirzababaei［13］等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。介新玉等［6］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。唐朝生等［14］研究了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。荆林立［15］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。Diambra等［16-17］对不同密实度的hostun RF sand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。Hamidi，Hooresfand［18］则指出掺入聚丙烯纤维对密实水泥胶结砂土的剪切强度提高更为显著。Saman，Asskar［19］通过三轴试验对比研究发现对于级配极差的砂土，掺入聚丙烯纤维（长度18 mm，直径0.023 mm）对素砂的黏聚力和内摩擦角都有明显影响，而聚丙烯纤维对水泥胶结砂的黏聚力提高有一定帮助，对内摩擦角影响却不明显。(4)纤维对特殊土的改良作用。赵宁雨［20］通过对素红黏土和聚丙烯/涤棉纤维加筋红黏土进行三轴试验研究，得出红黏土合理的纤维加筋长度为10～13 mm，最佳掺量为0.3%，且聚丙烯纤维加筋效果要优于涤棉纤维。韩春鹏［21］研究得出冻融条件会导致纤维土的黏聚力逐渐下降，内摩擦角逐渐升高。雷胜友［22］发现纤维加筋能抑制膨胀土膨胀性。陈乐［23］等则开展了聚丙烯纤维加筋高岭土的固结压缩特性试验，Gumuser［24］等以不同含量的聚丙烯纤维掺入粉煤灰，能抑制土体的张拉裂缝和变形，并增加土体的承载力和韧性。

上述多方面的研究成果均表明不同的纤维是通过与土颗粒接触面间的摩擦力来增加土体的黏聚力，限制土体变形的。因此纤维影响土体抗剪强度的主要因素是黏聚力，各种纤维土都显示出内摩擦角变化不大。张艳美［25］将纤维土的补强机理分为弯曲机理和交织机理。尹锦明［4］认为纤维的掺入对土颗粒起到了一定的润滑作用，有利于土颗粒重新分布和压实，以提高土体承载力。唐朝生等［26］利用扫描电镜对纤维土作用机理进行微观研究，并将纤维-土骨架之间的相互作用力定义为界面力，大小主要取决于界面摩擦力和黏结力。由于土体中随机分布大量纤维，交织成网，故纤维的补强方式主要以纤维网的三维拉筋作用为主。

另外，一些学者研究将废弃的蛇皮袋、可降解的废弃塑料袋或塑料瓶（主要成分为聚丙烯纤维）等搅碎均匀掺入土体中，发现亦能起到增加土体抗剪强度，限制土体变形的作用，从而进一步提升了纤维加筋土技术的环保价值［27-28］。

3 动力特性试验研究

铁路、道路工程中的路堤、路基在正常工作状态是连续不断地承受交通荷载反复作用的，且随着地震增多及抗震设计概念的提出和推广，为了保证路堤路基工程的设计安全，有必要了解纤维加筋土在复杂应力条件下的工作性状。

目前关于纤维加筋土动力特性试验的研究还不多，已有成果主要以室内动三轴为基础，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。1991年美国学者R.P.Wood对非定向纤维加筋砂土的动模量和阻尼特性的研究表明，纤维加筋对砂土的动力特性有明显的改善。张小江［29］研究在单轴应力条件下纤维加筋粘性土受周期荷载作用下的抗张拉和抗断裂特性。试验中用相同密度和含水量的素黏性土为对比组，判定纤维加筋对黏性土的静、动强度，变形特性和断裂特性的影响，发现纤维加筋能提高土体在动荷载作用下的强度、韧性和塑性。张艳美［30］通过动三轴试验，研究围压、纤维长度、纤维细度和配合比等因素对聚丙烯纤维加固粉砂的动应力-应变关系及动强度的影响规律。S.A.Naeini［31］通过动三轴试验研究粉细砂加筋土的动力特性，得到土工织物能增加土体的轴向刚度同时降低其循环受剪的延展性能。刘寒冰［32］通过动三轴试验研究了聚丙烯纤维加筋粉煤灰土的动力特性，高围压下纤维对粉煤灰动强度影响较大，改良土受动应变的影响比粉煤灰土小，比较稳定。杨帅东［33］采用动三轴试验对加筋土试样进行固结不排水三轴剪切试验，发现加筋土的动弹性模量随围压和固结应力比的增加而增大。

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。

4 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［34-35］以及能量消散理论［36-37］来描述纤维加筋对土体抗剪强度的补强效果。Zornberg［38］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。我国学者介玉新［39］提出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［40-41］。其中Villard［40］提出的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。Li等［42］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。Ding等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［43］。Ibraim等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［44-45］。Babu等［46］提出采用有限元的方法来分析纤维加筋土力学特性。A Diambra［17］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。Okóvat N［47］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。DI Prisco［41］等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。Michalowski［48］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。张树光［49］等利用离散单元法模拟了直立纤维加筋边坡内部裂隙产生和发展过程。

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。

5 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。

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Research on Fiber-reinforced Soil Applying in Traffic Engineering

Wang Yanfang1, Zhou Zhigang2
（1.Jin Ling Academy, Nanjing University, Nanjing 210093, China；2. Jiangsu Provincial Water Engineering Sci-tech Consulting Co., Ltd., Nanjing 210029, China）

Fiber-reinforced soil is a new kind of bulk-reinforcement technology. When used in embankment or subgrade engineering, this technology could limit the vertical and lateral deformations of soil, and improve the mechanical strength of soil, and strengthen the slope stability. In this paper, a review of fiber-reinforced soil was given from aspects of the static and dynamic characteristic tests and constitutive relationship. The crucial problems were analyzed about promoting the application of fiber-reinforced soil in traffic engineering. The two crucial theoretical issues were pointed out about advancing this technology in the traffic engineering. First was properly recognized the fiber-reinforced soils'dynamic deformation characteristics under the complicated traffic loads. The second was how to establish the stress-strain constitutive formula considering the fiber's mechanical reinforcement effect.

traffic engineering; fibre-reinforced soil; static characteristic test; dynamic characteristic test; constitutive theory

U414

A

1672-9889（2016）06-0017-05

2016-02-26）

王艳芳（1983-），女，湖北荆州人，讲师、博士，主要从事岩土工程地基处理及相关教学工作。