浅谈纤维加筋土的作用机理与工程意义

张崇康 邱泰瑞 孙侨甫

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.东北农业大学水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

20世纪60年代，纤维加筋技术被首次提出，由于其采用物理方法加固土体对生态环境无害，且施工方式简便，从此被广泛应用在土木工程领域。早时期是采用土工编织物等传统方式进行覆盖，以达到加固目的。近些年，向土中掺杂纤维的新型加固方式得到重视和发展。因其具有施工便捷、易于拌和等良好的施工性能，在国内外，得到了广泛的研究。刘宝生，包承纲等[1，2]论述了纤维增强土体的土工强度与应用。Muge Elif Orakoglu，韩春鹏等[3，4]研究了冻融条件对纤维加筋土强度的影响。唐朝生、施斌等[5，6]从微观角度阐述纤维与土体间的交互作用。虽然大量知名学者从各个角度分别阐述了纤维的作用机理，但其研究体系尚未完善。

1 概述

纤维加筋技术的原理是通过物理方法均匀地将纤维散入土中，使其成为一种具有一定工程力学强度性能的材料，用以提升土体强度与整体性能。因为纤维具有很好的力学强度、耐酸碱盐、防水性好、一定的延伸率，并且与土有很好的相容性，形成的纤维增强土整体性能好，力学性能强。因此该项成果现已被实际运用到工程构造物中。例如挡土结构物，边坡防护，路堤、路基加固等。

常见纤维的力学强度参数见表1。

2 纤维加筋的作用机理

2.1 剪切强度理论

纤维与土颗粒之间交界面的交互作用是影响纤维加筋土体力学强度的主要因素。因此，从微观角度唐朝生等[5,6]通过电镜扫描分析了聚丙烯纤维与土颗粒之间的交互作用，认为接触面之间的摩擦力与粘聚力，即界面剪切强度是纤维加筋机理的本质。当土体受外力作用产生形变或者产生破坏时，纤维在土中主要受拉应力，能够阻碍张拉裂缝的出现与生长，从而提高稳定性。当荷载作用力增大，界面之间的抗剪切强度就随之变高，土颗粒彼此之间的嵌挤作用变强，纤维在土颗粒之间相对的滑移或被拔出的可能性就越低。通过研究分析强度较低、孔隙率较高、压缩性较高的特殊软土，Prabakar和Sridhar[8]得到掺加纤维能够明显增加软土抗剪强度的结论。通过三轴压缩试验和现场平板载荷试验，Consoli等[9]对比分析了纤维掺入前后土体的强度指标，得到纤维增强技术能够使得土颗粒之间的内摩擦角和粘聚力得到明显提高，并且变形越大，纤维加筋的效果越明显的结论。

表1 常见纤维的力学强度参数[7]

2.2 弯曲机理与交织作用

在加筋土中，纤维彼此之间并不是相互独立存在于土颗粒之间的，而是弯曲相互交错，彼此搭接形成空间网络骨架结构，增加松散土体的结构性，增加土颗粒之间的连接性能，可以达到增强土体的强度目的。因此，可以把纤维加筋的作用机理总结为两方面：弯曲机理和交织机理。

“弯曲机理”是指土颗粒之间的纤维并不是以直线方式存在的，而是以连续弯曲的几何状态分散在其中，外荷载作用于加筋土时，纤维与其相接触的土体之间会产生摩阻力与压力。

“交织作用”是指纤维在土中彼此相互交错形成空间网络骨架结构。这种立体网络骨架结构增强了土体整体性能，任何一部分受荷载作用时都会带动周边邻近纤维共同承担作用，进而形成空间网络骨架型受力体系。

程志良等[10]通过室内三轴试验和室内固结试验，以弯曲机理和交织机理作为作用机理，通过改变纤维长短以及其配合比，研究二者对抗剪强度与压缩性的影响。包承纲等[11]以交织作用和弯曲机理作为研究基础，探索了加筋后土体的强度影响及其破坏形式。

3 纤维加筋土的工程应用

3.1 软土地基处理

软土地基的压缩性较大导致其承载能力较低，当施工过程遇到软土地基时，要选择换土或进行加固处理，使其承载能力符合工程要求。常见的加固处理方式是把纤维加筋土层铺设整个路基全宽范围内的路堤底部，同时还可以增加软土区域的排水性能，因而可以提高软土在土工方面的性能。王协群[12]运用极限平衡原理对于加筋土平衡与破坏进行分析，确认了加筋土的实际效果以及工程中的实用性。

3.2 边坡加固处理

边坡稳定问题在工程中较为常见，植物防护稳定不足，而混凝土等工程防护不仅经济效益较低而且美化效果较差。因而可以将纤维加筋技术应用到边坡稳定性问题当中，不仅稳定性能能够得到保障，而且经济效益好，环保美观。为了探究素土与加筋土的边坡稳定性问题，介玉新等[13]通过毕肖普条分法建立治理边坡模型试验进行研究，并且肯定了纤维加筋技术对于稳定边坡的工程意义。

3.3 特殊土体处理

纤维加筋技术还可以改良特殊土体的工程性质，目前对于膨胀土体胀缩性的控制效果非常好，但是对于振动液化土体、湿陷性黄土、冻胀土体的研究尚不成熟，有待进一步的研究与探索。邓友生等[14]以聚丙烯的掺量作为无侧限抗压强度试验以及直剪试验的变量，证明了对于膨胀土的工程缺陷，纤维加筋技术起到一定的减缓作用，因此具有一定的土工应用价值。

4 总结与展望

对于普通和不良土体的力学性能均可以通过纤维加筋技术进行改良，使其强度得以提高，因此其必将成为土工领域的热门研究趋势。目前，对于纤维加筋土的强度主要从纤维长度、掺量、压实度、含水率等方面进行室内研究。室内试验的模型由于受尺寸效应，且受人为环境等条件影响较大，因此应该加强现场试验和大尺寸模型的建设与发展。因对其研究的方法与体系尚不成熟，目前纤维加筋土并未大范围应用于工程领域，但其潜力不可忽视，将来会成为改善不良土体、加固地基、边坡稳定性等主要方法。