葛宏盛，劉麗萍，汪朝明，鄭貞成

1.西安工業(yè)大學 建筑工程學院，陜西 西安 710021；2.浙江成明試驗檢測有限公司，浙江 衢州 324300

0 引言

紅黏土廣泛分布在亞熱帶季風氣候區(qū)，具有吸水膨脹、脫水硬化[1]的特點，性質極不穩(wěn)定。若紅黏土路基邊坡治理不當，易引發(fā)路基不均勻沉降[2]、邊坡滑動變形[3]等災害。同時，紅黏土區(qū)域性明顯，各地區(qū)紅黏土性質也不盡相同。結合文獻資料[4-6]總結出：華東地區(qū)紅黏土具有高液限、高塑限、低黏聚力、干密度大的特點。

常用的紅黏土路基邊坡治理有：換填法[7]、摻砂石[8]等集料、化學固化劑[9]等，但上述方法不僅需要消耗大量人力、財力，且治理后的效果良莠不齊，難以有長久有效的治理措施。隨著科學技術的發(fā)展，纖維材料逐漸走入公眾的視野，其中玄武巖纖維材料因為具有造價低、耐腐蝕性好、抗拉能力強、絕緣性好、導熱率低等特點，被廣泛使用于土建領域，尤其是公路、鐵路等路基工程中。

玄武巖纖維加筋土體的改良，有專家已進行深入的研究，總結出了珍貴的成果。部分學者采用玄武巖纖維對濕陷性黃土[10，11]力學性能進行改良，通過重型擊實試驗、承載比試驗，發(fā)現(xiàn)纖維含量、纖維長度對玄武巖纖維加筋土CBR值影響呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，隨著擊實次數(shù)的增加，玄武巖纖維加筋土CBR值均不斷升高，纖維的摻入使通過提高擊實功帶來的強度收益變得更大，98擊素土相比30擊素土CBR值提高273%，加入纖維后強度提升327%，說明纖維的摻入能大幅提升土體抗壓強度。徐科宇[12]和楊擎宇[13]通過試驗發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的摻入會使紅黏土的壓縮性變強，同時最終孔隙比隨纖維摻入率一直降低；干密度提升后壓縮性一直降低。壓實土樣的收縮，干密度越大抑制收縮能力越強；摻入玄武巖纖維后線縮率、體縮率先減小后增大，0.3%摻入率的玄武巖纖維最能抑制土樣收縮。王子翔[14]和汪明武[15]通過無荷膨脹率試驗、三軸試驗分析玄武巖纖維改良膨脹土的可能性。試驗結論表明：玄武巖纖維能有效抑制膨脹土膨脹，在摻量為0.3%時效果最明顯，纖維能較小程度提高強度，并能明顯改良膨脹土延性，纖維摻量為0.3%時達到改良效果最佳。結合各位學者的研究，發(fā)現(xiàn)纖維材料能有效提升特殊土的各項物理力學參數(shù)，纖維加筋技術具有較高的研究價值及前景，或可適用于大面積紅黏土片區(qū)，滿足土體路用性能的要求。

1 實驗內容

1.1 試驗材料

試驗所用紅黏土取自浙江省常山縣黃岡山一帶，取土深度2.5～3.5 m。其物理力學指數(shù)如表1所示。試驗所用玄武巖纖維采購于弄潮復合材料科技有限公司，其物理力學參數(shù)見表2，外觀如圖1。

圖1 玄武巖纖維Fig.1 Basalt fiber

表1 紅黏土的物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of red clay

表2 玄武巖纖維的物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of basalt fibers

1.2 試驗方案

對取得的土樣嚴格按照《土工試驗規(guī)程》[18]，進行擊實試驗，液、塑限試驗等，測得土樣的基本物理力學參數(shù)?？紤]到纖維長度、摻量對紅黏土力學性能的影響，采用10組試驗進行直接剪切試驗、無側限抗壓強度試驗。其中第1組試驗為素土試驗，第2組—第10組分別為摻入不同纖維長度、不同纖維含量的加筋土，具體參數(shù)見表3。對上述10組試驗進行直剪試驗和無側限抗壓試驗，最后采用承載板法測試紅黏土及纖維加筋紅黏土靜態(tài)回彈模量。

表3 試驗分組Table 3 Trial grouping

2 試驗結果分析

2.1 直剪試驗結果及分析

根據(jù)直剪試驗的結果可以推算出纖維加筋土體的黏聚力c值和內摩擦角φ值，具體見圖2、表4。由圖2可以看出，隨著纖維的摻入，加筋土體的黏聚力會發(fā)生大幅度增加，且內摩擦角也會小幅度上升；從表4可以看出，纖維摻入能使土體的c值提升至未添加纖維土體的1.75～2.12倍，φ值提升至1.02～1.18倍?？赡艿脑蚴牵弘S著纖維的摻入，纖維在土體中產(chǎn)生了“錨固”作用，使土體粘結能力得到了提高，從而有效的提升了抗剪能力。此外，從圖2看出，纖維摻量超過2‰后，加筋土體的黏聚力發(fā)生了下降現(xiàn)象?？赡艿脑蚴牵豪w維的過量摻入發(fā)生了“纏繞”反應，破壞了原先穩(wěn)固的土體結構，在受剪切后喪失了較強的穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生c值不升返降現(xiàn)象?？梢园l(fā)現(xiàn)9 mm纖維長度、2‰摻量為最優(yōu)摻量，此時的黏聚力、內摩擦角效果最佳。

圖2 直剪試驗c、φ值對比Fig.2 Comparison of c and φ values in a direct shear test

表4 玻璃纖維土體與素土的c、φ值Table 4 The values of c and φ between glass fiber soil and pure soil

2.2 無側限抗壓試驗結果及分析

2.2.1 摻玄武巖纖維紅黏土無側限抗壓峰值對比

玄武巖纖維加筋紅黏土無側限抗壓強度峰值對比如圖3、表5。從圖3、表5可以看出，在摻入同長度纖維時，無側限抗壓強度峰值隨著纖維含量的增加而增大；摻量相同時，無側限抗壓強度峰值同樣隨纖維長度的增加而增大。纖維加筋土的qu值是素土qu值的1.49～1.82倍，且在纖維長度為9 mm、摻量為3‰時，qu值達到峰值2.15 MPa。由此可以說明，纖維的摻入對土體的無側限抗壓強度有很明顯的提升?？赡艿脑蚴牵盒鋷r纖維比表面積大、分散性極強且抗拉強度好，在制備土樣時均勻的分散在土體中，使土體中的孔隙被纖維得以填充。土體、纖維、水分三者的結合，使得土體內部形成了由纖維和土為主體的三維網(wǎng)狀結構，該網(wǎng)狀結構很好的起到了傳導、分散力系的作用，使得土體的抗壓能力得到很大的提升。

圖3 纖維加筋土無側限抗壓峰值對比Fig.3 Comparison of unconfined compressive peaks in fiber-reinforced soils

表5 纖維加筋土無側限抗壓峰值應力表Table 5 Unconfined peak stress table of fiber-reinforced soil

2.2.2 摻玄武巖纖維紅黏土應力—應變關系

摻玄武巖纖維紅黏土無側限抗壓試驗應力—應變關系如圖4、表6所示。由圖4可以看出，在同纖維長度的情況下，qu值隨纖維摻量的增加而增大，在應變約0%～4%時段，圖像存在明顯的陡增現(xiàn)象，且纖維含量越高，增幅越大；從峰值過后，曲線呈緩和形態(tài)，呈緩慢下降趨勢?？赡艿脑蚴牵涸诙冈鲭A段，因單側受壓，力系整體比較均勻，土體內部可承受一定的荷載，在合理荷載內纖維土體產(chǎn)生的“三維空間網(wǎng)狀結構”使得土體不易產(chǎn)生破壞，所以應變變化較小，始終保持在合理的應變范圍內；隨著軸向力的增加直至過載，曲線產(chǎn)生了峰值，在峰值過后，土體內部嚴重破壞變形，受力也由原先的均勻轉變?yōu)榉蔷鶆?，致使應變變化明顯，曲線呈現(xiàn)出緩和。同時由圖4可以看出纖維紅黏土在峰值附近應力存在一小段“平穩(wěn)期”，說明在此階段可能產(chǎn)生了殘余應力的現(xiàn)象。由表6可以看出摻纖維土體相對應的應變峰值約集中在3.8%～4.2%之間，而在相同條件下，素土的應變峰值集中在2.6%附近，說明纖維的摻入可增強土體的塑性變形能力。

圖4 加筋紅黏土無側限應力—應變曲線Fig.4 Unconfined stress-strain curve of reinforced red clay

表6 加筋紅黏土無側限抗壓峰值對應應變表Table 6 Unconfined peak compressive strain table of reinforced red clay

2.3 靜態(tài)回彈模量結果

回彈模量試驗結果見表7、表8，由表7、表8計算出紅黏土路基靜態(tài)回彈模量為159.57 MPa，纖維加筋紅黏土路基靜態(tài)回彈模量為171.08 MPa，表明纖維摻入能提高土體回彈模量。

這是家知名的小咖啡館，店主是名畫家，墻上掛著不少文藝復興時期的仿制品。進門的墻邊放著一架老式鋼琴，一個十來歲的小男孩坐在鋼琴前正全神貫注地彈奏一支肖邦的練習曲。

表7 紅黏土路基靜態(tài)回彈模量試驗結果Table 7 Static resilience modulus test results of red clay subgrade

表8 纖維加筋紅黏土路基靜態(tài)回彈模量試驗結果Table 8 Test results of static resilience modulus of fiber-reinforced red clay subgrade

3 FLAC3D數(shù)值模擬

3.1 材料參數(shù)

上述試驗已分析出纖維加筋土和紅黏土的主要參數(shù)，具體材料參數(shù)見表9。

表9 材料的計算參數(shù)Table 9 Calculating parameters of materials

3.2 基本假定條件

(1)認為地基已經(jīng)固結，即不再產(chǎn)生沉降變形。

(2)路基土和地基土層為各向同性連續(xù)介質，為理想的彈塑性模型，符合摩爾—庫倫強度準則。

(3)不考慮氣候及孔隙水壓力的影響。

3.3 設置計算模型

運用Rhino軟件進行三維建模，模型關于路基中心線對稱，為簡化模型方便計算及分析，取路基橫截面半跨，路基寬度為10 m，路基以下為地基土層，路基以上高填方為模擬所需紅黏土及纖維紅黏土，路基填方高度為16 m，邊坡弧度30°，具體計算模型見圖5。為了模擬路基沉降，在堆積路基前先對地基進行整平，本次模型建立采取分層填載的方法，共分16層，每分完一層進行一次整平后繼續(xù)堆載，直至全部堆載完成。最后在頂部施加80×103N均布荷載(如圖6)觀察應力分布云圖、沉降云圖；采用FISH語言找出施加均布荷載后的最大沉降點。

圖5 計算模型Fig.5 Computational model

圖6 均布荷載分布Fig.6 Uniform load distribution

3.4 模擬結果分析

3.4.1 塑性區(qū)分析

紅黏土路基塑形區(qū)與纖維紅黏土路基塑性區(qū)如圖7所示。從圖7可以看出紅黏土路基在受力后發(fā)生了大面積的塑形流動，產(chǎn)生了明顯的滑動變形，說明土體發(fā)生了嚴重的受壓及受剪切變形破壞，土體大面積失穩(wěn)；纖維加筋紅黏土在受力后仍能保持良好的穩(wěn)定性，大部分區(qū)域未發(fā)生塑形變形，僅小部分區(qū)域失穩(wěn)變形。說明纖維加筋土能緩解塑形變形的發(fā)生，提高土體的穩(wěn)定性。

圖7 路基塑性區(qū)分布云圖Fig.7 Subgrade plastic zone distribution program

3.4.2 應力分析

紅黏土高填方路基與纖維加筋土高填方路基應力云圖如圖8。從圖8可以看出，紅黏土路基與纖維加筋土路基應力分布高度相似，主要呈東北—西南方向均勻分布，應力峰值均出現(xiàn)在地基最深處的左側。這是由于在路基頂部施加了均布荷載使應力伴隨這土層重力堆載下的荷載實現(xiàn)了重分布，從上往下傳導力系，最后在最下方應力達到了峰值。另外可以看出，邊坡應力由淺部向深部逐漸增加，這是因為邊坡能有效緩解應力的分布，應力可以得到擴散，從而使得邊坡應力分布均勻。

圖8 路基應力zz方向分布云圖Fig.8 zz distribution nebulae of subgrade stress

3.4.3 沉降分析

從圖9可以看出，在路基頂部施加均布荷載條件下，z方向位移呈現(xiàn)出環(huán)狀放射分布，變形從左上向右下有序遞減，靠近均布荷載處變形最大。紅黏土路基位移變形峰值區(qū)域明顯大于纖維加筋土，相比于纖維加筋土，紅黏土路基位移分布更不均勻，可能的原因是：因為施加的均布荷載較大，使得紅黏土路基發(fā)生了明顯的塑性變形，土體發(fā)生了滑動變形，使得發(fā)生了大面積位移錯動，從而導致位移分布不均。

圖9 路基z方向位移分布云圖Fig.9 Subgrade displacement distribution nebulae in z direction

關鍵位置節(jié)點如圖10所示，各節(jié)點沉降位移見表10。從圖10、表10可以看出，纖維加筋土路基沉降位移遠低于紅黏土路基，其中最大沉降點紅黏土路基為1.748 8 cm，纖維加筋土為0.810 8 cm，沉降位移同比縮小53.64%；從表10可以看出，所測節(jié)點加筋土路基沉降位移均小于普通紅黏土路基，可以反應出纖維改良土體能有效緩解沉降。

圖10 關鍵節(jié)點布控圖Fig.10 Key node layout diagram

表10 各節(jié)點的沉降位移Table 10 Settlement displacement of each node

4 結論與展望

(1) 纖維加筋土體能大幅提高土體的黏聚力，小幅度提升土體的內摩擦角。纖維的摻入使土體的抗剪能力得到提升。纖維摻入土體能起到“錨固”作用，有效的傳導、分解力系，從而增強土體抗變形能力。

(2)通過無側限抗壓試驗發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能大幅提高土體的無側限抗壓能力，增強土體延性；纖維土體峰值應變得到提升，土體由“脆性”向“塑性”轉變。纖維的摻入能有效緩解應力集中現(xiàn)象。

(3)摻入纖維能提高土體的回彈模量，增強土體抗變形能力，提升土體的穩(wěn)定性。

(4)通過FLAC3D對高邊坡紅黏土進行建模，發(fā)現(xiàn)纖維摻入土體能緩解塑性變形，減緩土體塑性流動，有效緩解應力、位移變化速率，減緩土體沉降。

(5)紅黏土在華東地區(qū)分布廣泛，纖維材料具有價格低廉、抗變形能力強、抗腐蝕等特點，若將纖維加筋技術應用于土體改良將有很好的應用前景，纖維加筋土體能作為合格的路基填料得以使用。