黄土护坡工程中纤维混凝土掺入纤维的选型应用分析

王红伟

（甘肃省地矿局第三地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730050）

0 引言

黄土具有可塑性强，均质性差，随干湿季节性变化大等特点[1]。在干燥季节容易龟裂收缩，土体较硬，对挖掘和边坡加固等施工带来一定的困难。在湿润季节则容易吸水膨胀，发生变形，坡体在自重作用下容易发生坍塌、滑坡等地质灾害[2]。黄土边坡干燥后保持直立，在降水的作用下，水分的进入增加边坡自重，同时黄土吸水膨胀，降低自身抗剪强度，诱发滑坡。同时，地表径流冲刷作用会导致边坡表面侵蚀，增加边坡的侵蚀敏感性，对边坡稳定性产生不利影响。黄土地区干旱少雨，植被覆盖率低，同时生态修复能力差，需要谨慎设计和实施，以减少生态损害。

普通喷浆护坡，以水泥砂浆为主要原料，材料质量和施工技术要求较高，耐久性差，易开裂。纤维混凝土是一种通过添加各种纤维材料来改善混凝土性能的材料[3-4]。其组成为混凝土中添加纤维以改善混凝土性能，纤维混凝土在抗拉强度、韧性、疲劳性能和冲击抗性上表现出良好的性能[5]，能有效减缓裂缝的扩展。

杨林[6]通过对照试验，对比寒区纤维混凝土的护坡效果，其在抗冻性能上表现较好。胡世国[7]比较PP 纤维与模袋混凝土在灌溉区的应用，PP 纤维在灌区具有一定适用性。李国吉[8]讨论了钢纤维混凝土薄壳护坡在水库区的应用，钢纤维混凝土薄壳护坡结构能有效抵抗冰推力破坏。目前纤维混凝土用于黄土护坡相关文献较少，为探究纤维混凝土对黄土边坡护坡效果，通过文献查找、走访调查、室内试验等手段，研究纤维泡沫混凝土抗渗、安全性能，为今后工程边坡施工提供参考。

1 黄土边坡工程概况

1.1 黄土工程特性

黄土是一种在地球表面广泛分布的粉土，其工程地质特性对于工程设计和施工有着重要的影响。黄土由于含有氧化铁和有机物而呈明显的黄色。主要由细颗粒组成，包括黏土、淤泥质土、砂和含有氧化铁的颗粒，从而直接影响黄土的工程性质，如较高的塑性指数，即在湿润条件下，土壤容易发生膨胀和收缩，可能引起地基沉降或结构变形，同时由于含有相对较多的黏土成分，黄土的排水性一般较差，增加了工程设计和施工的复杂性。黄土在吸水后容易发生膨胀，这可能导致地基沉降或结构变形，降低其抗剪强度。由于其可塑性和含水量变化的敏感性，其湿陷性问题较大。

1.2 影响黄土边坡稳定的因素

（1）坡度和坡向

坡向会影响滑坡流向，地质构造运动造成地势起伏，而山体连片出现，缩小了临空面，调查发现崩滑流主要出现在河流两侧边坡，因此河流流向可决定滑坡流动方向，河流流径结合周边地势共同决定了滑坡的流动范围，滑动距离。坡度越大，边坡稳定性越差，结合现有滑坡灾害分析[9]，陡坡处灾害数较少，而在45°～60°边坡灾害发生较多，直立黄土边坡由于不稳定，因此在自然界中存在较少。

（2）地表水和地下水

降雨对边坡的影响主要分为3 个部分，一是以入渗方式进入坡体内部，二是通过地表径流将流水带走，三是小部分蒸发。水分入渗引起地下水位上升，增加坡体自重，降低边坡稳定性，黄土在降雨作用下吸水膨胀，物理力学性质下降，坡脚抗剪能力下降。地表径流冲刷作用下，坡面侵蚀严重，当地势陡峭时，渗入量降低，地表径流增加，流速增大，坡面侵蚀加剧，因此更需要进行护坡处理。

（3）降雪和气候条件

针对西北地区冬季漫长，气温寒冷等因素，降雪周期长，雪体堆积在坡面形成堆载，增加坡体自重。冻融循环作用下，雪层慢慢流动，雪层与坡面接触面不断摩擦，坡面被磨蚀。同时，水分渗入坡体，在低温下结冰膨胀，破坏坡面结皮层，加速水体入渗。

（4）植被覆盖

黄土地区植被主要以低矮灌木和草本植物为主，在背阴面还存在苔藓、地衣等结皮，起到类似护坡作用，但部分观点认为植物根劈作用会导致岩质边坡开裂，从而影响边坡稳定，但总体上植被护坡对边坡稳定起到积极效果。

（5）人为活动

人为活动如挖掘、开采、建筑和道路施工等会对边坡稳定性产生直接影响。不当的人为干预可能改变地表水流、地下水位和土壤的力学特性，增加边坡失稳的风险。

（6）地震活动

地震活动会对地表和地下结构产生振动和变形，加剧边坡的变形和破坏。

2 纤维混凝土及作用机制

2.1 纤维混凝土的作用机制

（1）纤维间距机理

“纤维间距机理”由J.P.Romualdi 提出，其研究以线弹性断裂力学理论为基础，该理论认为混凝土在制备过程中不能够消除，只能通过减小缺陷来提高材料强度，提高材料的韧性，降低裂隙两端应力集中。该假定认为，纤维与基体完全黏结，随后该假定扩展到其余尺寸。

（2）复合材料机理

复合材料机理从复合材料的观点出发，素混凝土在原有强度基础之上，掺入纤维，形成纤维强化体系，即利用混合原理来研究纤维混凝土的物理力学性能。若假定集体和纤维完全黏结，且纤维在集体中均匀分布，施加外力时，复合体强度取决于纤维和基体的体积比。

2.2 掺入纤维分析

为探究掺入纤维对纤维混凝土强度的影响，采用研究方法如图1所示。通过递进试验，首先选取最佳纤维材料；然后以最佳材料为基础制作不同纤维形状，选出最优纤维形状；第三步以最佳纤维材料、最佳形状为基础，制作不同纤维尺寸，以此类推，选择出最佳掺入纤维。该研究方法减少了试验次数，提高试验效率。为保持纤维为唯一变量，水泥采用普通C30硅酸盐水泥，加入烧热冷却至室温的自来水。

图1 最佳掺入纤维选型

（1）纤维材料

现有纤维类型以钢纤维、聚合物纤维（合成纤维）、玻璃纤维、天然纤维和碳纤维等为主，从表1可以看出，在强度上钢纤维和碳纤维表现较好，远远超出其他纤维；在价格上钢纤维和天然纤维更为低廉。通过类层次分析，弹性模量最低到最高给1～5分，价格从最高到最低给1～5 分，在不同情况下，各权重占比可能不一样，对于重要或高危边坡，强度要求更高，权重占比更大；而乡镇道路边坡，经济因素考虑更多。综合比较下，钢纤维在不同场景下综合性能表现较好，因此，钢纤维选作最佳纤维材料。

表1 常见纤维弹性模量及价格

（2）纤维形状

市面常见纤维包括平直形纤维、端钩形纤维、压痕形纤维，如图2所示。

图2 纤维形状

平直形纤维为长直形，结构较简单。端钩形纤维为平直形纤维在端部弯起，压痕形纤维为在切断前将构件按压形成压辙。

比较在1%体积含量下，长径比67时，平直形钢纤维、端钩形钢纤维、压痕形钢纤维在水胶比16、30时混凝土中拔出强度。由图3 可知，无论在哪种水胶比下，平直形纤维混凝土峰值强度都较低，在达到极限强度之后性能迅速下降，当位移伸长一段时间后，荷载下降速度减缓。在水胶比为16 时，端钩形纤维峰值强度较高，当拔出位移增加时，荷载出现台阶式下降，压痕形纤维在峰值强度较前者低，且峰值强度所在位移较前者大。而在水胶比为30时，端钩形纤维、压痕形纤维的峰值强度恰好相反，压痕形纤维拔出强度较高，但比水胶比16 时的低，峰值强度所在位移提前。综上，水胶比越小，混凝土强度越高，端钩形纤维具有较好的优势。

图3 纤维形状与拔出强度

（3）纤维尺寸

综合分析了纤维长度和直径对混凝土的强度的影响，以端钩形钢纤维为基础，选取体积含量为1%，长径比分别为43、67、86 和110 时，纤维混凝土抗压强度的变化。由图4 可以看出，长径比在86时，抗压强度表现较好，而长径比为110 时，抗压强度降低。理论分析较大的长径比增大了纤维和混凝土的接触面积，外力作用下混凝土和纤维两者出现应变差，导致裂隙扩展，强度下降。

图4 抗压强度随长径比变化

（4）纤维含量

比较长径比86，不同端钩型钢纤维含量（0、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%）对纤维混凝土强度的影响，如图5所示，纤维含量从0增到1.8%时，强度不断提高，但增长幅度减缓。比较抗压强度发现，纤维含量在0～1.2%时，抗压强度增长率最大，随后增长率下降，到含量为1.8%时，抗压强度达到60 MPa。劈裂强度随纤维含量增加而提高，纤维体积含量在0～1.2%增长54.7%，在体积含量为1.8%时达到最大，为4.07MPa。纤维含量对混凝土的强度不会永久提升，纤维的增加会使得纤维团聚，导致混凝土强度降低。

图5 纤维参量下混凝土强度

3 纤维混凝土护坡作用

3.1 数值模型

上述实验说明，采用长径比在86、纤维体积含量在1.8%、端构形钢纤维用于数值分析（表2），为探究该纤维混凝土对黄土边坡的护坡效果，以西北地区某黄土边坡为例，坡面微向内凹，上部为黄土，下部为基岩，边坡高度132 m，倾角45°，边坡较高，边坡稳定性较差（图6）。为验证纤维混凝土的护坡效果，比较2 h降雨条件下，有无纤维混凝土护坡下边坡的稳定性。

表2 岩土体物理力学参数

图6 边坡示意图

3.2 边坡稳定性分析

比较黄土边坡在降雨条件下，有无最优掺入纤维混凝土护坡效果下边坡稳定性分析。无护坡边坡后缘在降雨条件下边坡上部位移增大，边坡后缘出现张拉应力，后缘出现张裂隙，随时间逐步向下延伸，直至贯穿形成滑动面，坡体安全系数为0.8，处于完全失稳状态。

坡面设置纤维混凝土，由于纤维混凝土抗渗能力大，坡体内部地下水位未明显上升，相比无护坡坡面，坡顶位移大大降低，坡脚应力小范围集中，但最高值小于坡顶，坡面纤维混凝土受张拉应力明显。边坡稳定性系数为1.4，因此，坡体整体在降雨作用下，纤维混凝土护坡边坡稳定性较好，表明纤维混凝土具有较好的护坡效果。

4 讨论

（1）通过实验分析纤维材料、纤维形状、纤维尺寸、纤维体积含量等影响因素，对于低水胶比混凝土，长径比在86、纤维体积含量在1.8%的端构形钢纤维制作的纤维混凝土有着很好的工程性能，在价格、力学性能上表现出优势。

（2）以西北地区某一典型黄土边坡为例。比较在降雨条件下，有无最优掺入纤维混凝土护坡时，边坡的稳定性。通过有限元分析，采用本实验选出的最优掺入纤维混凝土能有效降低雨水入渗，提高边坡自稳能力。