摘 要：為了研究玻璃纖維作為離散隨機(jī)加固材料在膨脹路基土中的應(yīng)用，本文制備了不同纖維含量的膨脹土試樣，并對(duì)膨脹土試樣進(jìn)行性能測(cè)試。采用力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)路面設(shè)計(jì)法評(píng)價(jià)了纖維摻入對(duì)柔性路面設(shè)計(jì)和性能的影響。結(jié)果表明：在路基土中摻入玻璃纖維顯著提高了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度和承載比，降低了自由膨脹值。在路基加固中加入玻璃纖維，對(duì)路面粗糙度指數(shù)和塊狀裂縫的影響很小，對(duì)路面車轍總量影響較大。在膨脹土路基加固中使用玻璃纖維可減少路面的厚度，降低路面設(shè)計(jì)的成本，減少路面維護(hù)費(fèi)用，延長路面的使用壽命。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維；自由膨脹；膨脹性路基土；路面設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U 41" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

膨脹土是指浸水后體積變大的土壤。將這種土壤用于輕型結(jié)構(gòu)和高速公路路面會(huì)造成破壞[1]。因此，在施工過程中需要對(duì)膨脹土進(jìn)行改良。可以將土壤與加固材料混合來改善或控制土壤體積穩(wěn)定性，提高其耐久性、強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變性能[2]。水泥、石灰和瀝青等是膨脹土化學(xué)穩(wěn)定的常用加固材料。然而，現(xiàn)有的加固材料會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，例如高能耗、溫室氣體、碳排放等。目前，纖維可以起到土壤加固效果受到世界各國研究者的關(guān)注，通過研究隨機(jī)離散纖維加固對(duì)土體性能影響，結(jié)果表明，纖維在土體中的隨機(jī)分布可以提高土體的強(qiáng)度和延性，減少黏性土的膨脹勢(shì)和壓縮性[3]。

本文制備了不同纖維含量的膨脹土試樣，并對(duì)膨脹土試樣進(jìn)行自由膨脹、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）、間接抗拉強(qiáng)度（ITS）和承載比（CBR）試驗(yàn)，探究了玻璃纖維在柔性路面設(shè)計(jì)中作為路基層的有效性。采用MEPDG軟件比較了玻璃纖維加固和非加固地基土的不同柔性路面的性能。

1 材料及試驗(yàn)方法

1.1 膨脹土

試驗(yàn)用膨脹土試樣由伊利石/蒙脫石、高嶺石、坡縷石和離散伊利石的混合層組成。土為淺灰色細(xì)粒土，液限指數(shù)為82%，塑性指數(shù)為46%，細(xì)粒占比96%，其中黏粒土占62%，屬于彈性淤泥。對(duì)土樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)試驗(yàn)，獲得土樣最大干密度（MDD）為1365kg/m3，最佳含水率（OMC）為32%。

1.2 玻璃纖維

在本研究中，選擇耐堿玻璃纖維作為土壤中的加固材料。玻璃纖維物理力學(xué)性能：長度20μm，斷裂伸長率3.9%，抗拉強(qiáng)度1682MPa，吸水率＜1%。選取5種不同的玻璃纖維含量，分別0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，該含量為纖維與干燥土壤的質(zhì)量百分比。

1.3 試驗(yàn)方法

將土壤用40號(hào)篩子過篩，然后放置烘箱內(nèi)烘干。將預(yù)定量的水與烘干土混合，適當(dāng)攪拌直至土水混合均勻，不斷攪拌混合料，逐漸加入纖維。

按照《膨脹土路基施工技術(shù)規(guī)范》（DB45/T 1305—2016），對(duì)天然土和加固土進(jìn)行自由膨脹測(cè)試，在測(cè)試中，將試樣直接放入試模中，靜壓達(dá)到所需的初始密度。將試樣裝入測(cè)水計(jì)裝置中，使其浸水后自由膨脹。

按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE 51—2009）對(duì)天然土和加固土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度測(cè)試。將試樣分3層夯入直徑100mm×高200mm的分模中。將試驗(yàn)中的軸向應(yīng)變速率控制為1.0mm/min。選擇3種土壤干密度（1300kg/m3、1365kg/m3和1400kg/m3）進(jìn)行測(cè)試。

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE 40—2007），對(duì)天然土和加固土進(jìn)行承載比測(cè)試。土樣在水中浸泡96h后，分別在最大干密度和最佳含水率條件下進(jìn)行制備。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 玻璃纖維對(duì)壓實(shí)特性的影響

不同玻璃纖維含量下土壤試樣的最大干密度（MDD）和最佳含水率（OMC）如圖1所示?？梢钥闯?，玻璃纖維含量增加對(duì)MDD和OMC都沒有明顯的影響。由于土壤試樣的密度為2.79g/mm3，而玻璃纖維的密度為2.79g/mm3，玻璃纖維的密度與土壤試樣的密度幾乎相同，玻璃纖維的摻量很少，因此，摻入玻璃纖維對(duì)土壤試樣的MDD和OMC沒有明顯影響。

2.2 玻璃纖維對(duì)自由膨脹的影響

土壤試樣的自由膨脹是土壤活性的一種表現(xiàn)，盡管土壤的活性很低，土壤的膨脹勢(shì)較大。在不同玻璃纖維含量下，土壤試樣的自由膨脹率如圖2所示，可以看出，與未摻入玻璃纖維土壤相比，即使玻璃纖維的含量很少，土壤樣品的自由膨脹率明顯下降。自由膨脹率隨玻璃纖維含量增加而減少。添加玻璃纖維形成了具有較高強(qiáng)度的纖維-土壤基質(zhì)，因此土壤膨脹受到了限制。

2.3 玻璃纖維和干密度對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）的影響

干密度對(duì)不同玻璃纖維含量下土壤試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖3所示，可以看出，玻璃纖維含量和干密度對(duì)土樣的強(qiáng)度有顯著影響。加入玻璃纖維增加了土壤的UCS值，當(dāng)纖維含量相同時(shí)，隨著干密度增加，UCS值也隨之增加。

干密度對(duì)不同玻璃纖維含量下土壤試樣的最大線應(yīng)變的影響如圖4所示，可以看出，玻璃纖維含量和干密度對(duì)土樣變形有顯著的影響。隨著玻璃纖維含量增加，土壤的最大線應(yīng)變也隨之增加，但干密度對(duì)土壤的最大線應(yīng)變的影響規(guī)律不明顯。

軸向破壞應(yīng)變是材料延性的一個(gè)指標(biāo)，數(shù)值越高，延性越好。纖維含量增加導(dǎo)致土壤與纖維之間的接觸面變大，因此UCS值會(huì)增加。當(dāng)玻璃纖維含量為2.0%時(shí)，土壤的UCS值增幅最大，纖維含量為1.0%時(shí)獲得的延展性最高。在試驗(yàn)中，所有纖維含量下的UCS值都會(huì)大幅度增加。而土壤的延展性會(huì)隨著纖維含量增加呈先增后減的變化。在土壤中加入玻璃纖維后，纖維之間會(huì)形成被包裹的土壤團(tuán)，導(dǎo)致土壤內(nèi)部的圍壓增加，土壤的整體強(qiáng)度提高。

2.4 玻璃纖維對(duì)間接抗拉強(qiáng)度（ITS）的影響

采用ITS試驗(yàn)評(píng)價(jià)玻璃纖維對(duì)土體抗拉強(qiáng)度的影響。不同玻璃纖維含量下土壤試樣的ITS如圖5所示，可以看出，在玻璃纖維含量達(dá)到1.5%前，ITS持續(xù)增加，含量達(dá)到1.5%后，ITS逐漸減少。加入玻璃纖維增加了纖維-土壤界面處的摩擦力，使纖維-土壤的質(zhì)地轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈邚?qiáng)度和更好延性的連續(xù)基質(zhì)。但是，當(dāng)玻璃纖維含量較高時(shí)，纖維-土壤相互作用被纖維-纖維接觸所替代，導(dǎo)致土壤強(qiáng)度下降。

2.5 玻璃纖維對(duì)承載比（CBR）的影響

承載比在路面設(shè)計(jì)中常用來評(píng)價(jià)路基材料強(qiáng)度。未添加加固材料的膨脹土承載比很低，因此，在路面施工中使用此類土前，需要進(jìn)行加固處理。將不同玻璃纖維含量下的土壤試樣在浸泡4天后的承載比與對(duì)照組（玻璃纖維含量為0%）相比，在添加玻璃纖維后，對(duì)照組的承載比有明顯提高。隨著玻璃纖維添加，土壤試樣的承載比逐漸增加，承載比從0%玻璃纖維穩(wěn)定土的1.6%增至2.0%玻璃纖維穩(wěn)定土的9.6%。

2.6 力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)路面設(shè)計(jì)法（MEPDG）性能評(píng)估

本研究采用MEPDG軟件對(duì)玻璃纖維加固路基土設(shè)計(jì)的柔性路面進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。路段路面具有相同的結(jié)構(gòu)，由132mm的瀝青混凝土層和300mm的基層材料組成。

將研究道路的壽命設(shè)計(jì)為20年，交通增長率為每年4%。在分析中采用的年均每日卡車交通量為1000輛/天，其中50%貨車行駛在設(shè)計(jì)方向，80%貨車行駛在設(shè)計(jì)車道上。在分析中使用MEPDG軟件的交通流量分布默認(rèn)值。

交流層使用3級(jí)輸入，瀝青選用本地常用的PG 64-10。對(duì)路基層來說，根據(jù)我國的道路規(guī)范，2級(jí)輸入采用300mm的基層厚度，承載比為80%。將本研究獲得的玻璃纖維穩(wěn)定土的CBR測(cè)試結(jié)果作為路基層的2級(jí)輸入。MEPDG分析中使用的輸入?yún)?shù)見表1和表2。

表1 MEPDG分析中使用的輸入?yún)?shù)（一）

層數(shù) 參數(shù) 數(shù)值

第1層 設(shè)計(jì)水平 3級(jí)

材料類型 瀝青混凝土

層厚度 132mm

瀝青等級(jí) PG 64-10

第2層 設(shè)計(jì)水平 2級(jí)

材料類型 碎石

層厚度 300mm

承載比 80%

200號(hào)篩通過率 8.1%

4號(hào)篩通過率 41.6%

最大干密度 2026kg/m3

最佳含水率 5.9%

第3層 設(shè)計(jì)水平 2級(jí)

材料類型 纖維增強(qiáng)路基土

使用20年后的最終設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：粗糙度指數(shù)為2600mm/km，塊狀裂紋為23%，路面總車轍為20mm。

2.7 力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)路面設(shè)計(jì)法（MEPDG）評(píng)價(jià)結(jié)果

使用MEPDG軟件對(duì)本研究分析路段的路面損傷參數(shù)（粗糙度指數(shù)、塊狀裂紋和車轍）進(jìn)行評(píng)估，分析20年后的粗糙度指數(shù)預(yù)測(cè)值。將結(jié)果與對(duì)照組相比，玻璃纖維加固路基土的粗糙度指數(shù)隨玻璃纖維含量增加而減少。

表2 MEPDG分析中使用的輸入?yún)?shù)（二）

年均每日

卡車交通量 設(shè)計(jì)方向上

的車道數(shù) 貨車在設(shè)計(jì)

方向的百分比 貨車在設(shè)計(jì)車

道上的百分比 交通

增長率

1000輛/天 2道 50% 80% 4%

采用MEPDG分析斷面的塊狀裂紋預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，玻璃纖維加固路基土的塊狀裂紋略有減少。隨著玻璃纖維含量增加，路面的塊狀裂紋減少，但下降速率逐漸降低。MEPDG分析斷面的總車轍預(yù)測(cè)結(jié)果表明，其變化規(guī)律與粗糙度指數(shù)和塊狀裂紋相似，總車轍變形量隨玻璃纖維含量增加而明顯減少。

2.8 路面厚度設(shè)計(jì)結(jié)果

采用MEPDG分析了玻璃纖維加固路基對(duì)瀝青混凝土層設(shè)計(jì)厚度的影響，本文對(duì)未添加玻璃纖維的路面進(jìn)行MEPDG分析。為路段分配20mm的總車轍閾值，以確定實(shí)現(xiàn)目標(biāo)車轍值所需的瀝青混凝土層的厚度。預(yù)測(cè)的路面總車轍與瀝青混凝土層厚度的關(guān)系。結(jié)果表明，未添加玻璃纖維的路面所需的瀝青混凝土層厚度為204mm，使用1.0%玻璃纖維加固路基所需的瀝青混凝土層厚度為132mm。與未添加玻璃纖維的路面相比，玻璃纖維加固路基路面所需的瀝青混凝土層厚度更小。使用玻璃纖維加固路基可以降低路面設(shè)計(jì)的成本，減少路面維護(hù)和修復(fù)，延長路面的使用壽命。

3 結(jié)論

本文通過自由膨脹、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）、間接抗拉強(qiáng)度（ITS）和承載比（CBR）試驗(yàn)研究了玻璃纖維對(duì)膨脹土性能的影響，采用MEPDG評(píng)價(jià)了玻璃纖維在路面加固中的應(yīng)用。得出以下3點(diǎn)結(jié)論。1）在膨脹土中加入玻璃纖維，對(duì)土壤的最大干密度和最佳含水率沒有明顯影響。對(duì)其自由膨脹、UCS、ITS和CBR均有很大的影響。添加玻璃纖維提高了土壤的強(qiáng)度和剛度，并降低了膨脹勢(shì)。提高土壤的強(qiáng)度和降低膨脹勢(shì)與玻璃纖維的含量成正比。2）MEPDG分析表明，在路基加固中加入玻璃纖維，對(duì)路面粗糙度指數(shù)和塊狀裂縫的影響很小。當(dāng)玻璃纖維添加量為2%時(shí)，粗糙度指數(shù)和塊狀裂縫的最大增幅分別為6.1%和4.9%。在路基加固中使用玻璃纖維可顯著減少路面車轍總量。當(dāng)玻璃纖維添加量為2%時(shí)，總車轍減少23.1%。3）在膨脹土路基加固中使用玻璃纖維可以減少路面的設(shè)計(jì)厚度。與使用玻璃纖維加固路基相比，未添加玻璃纖維路基的瀝青混凝土層厚需要增加55%的厚度，才能達(dá)到相同的車轍效果。

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