纤维加筋土的工程性质研究现状与展望

董芸秀，李 平，杨永东，魏 荣

(1.陇东学院黄土工程性质及工程应用省级重点实验室，甘肃庆阳745000；2.陇东学院土木工程学院，甘肃庆阳745000；3.广东碧桂园职业学院，广东清远511510)

纤维加筋土的工程性质研究现状与展望

董芸秀1,2，李 平1,2，杨永东1,2，魏 荣3

(1.陇东学院黄土工程性质及工程应用省级重点实验室，甘肃庆阳745000；2.陇东学院土木工程学院，甘肃庆阳745000；3.广东碧桂园职业学院，广东清远511510)

纤维加筋土是一种采用机械、水压或气压方式将纤维材料连续或离散地掺入到土中形成的具有优良工程力学性能的新型复合土。目前，纤维加筋技术已应用于挡土结构、路堤、水利水电、岩土工程等多个领域，所以，深入开展纤维加筋土的理论和工程应用的研究必将对推动我国未来土体补强技术产生深远影响。系统总结了纤维加筋土的强度特性、变形特性及渗透特性等工程特性的研究现状，阐述了近年来纤维加筋土的研究进展，并基于现阶段纤维加筋土的理论及技术研究方面的不足，对今后该领域的研究重点和发展方向进行了展望。

纤维加筋土；纤维加筋技术；工程性质；研究进展

纤维加筋土与传统土工合成材料加筋土不同，传统的加筋土往往由于分散性差、不易拌和等缺点，常被认为是非均质的各向异性材料而进行分析和应用，而纤维加筋土恰恰弥补了这一缺点，它是将一定比例的纤维丝材料与土体采用机械方式、气压方式或水压方式充分拌合形成的一种新型土工复合材料，大大提高了土的工程力学性能。上世纪60年代，法国工程师Henri Vidal成功设计出第一个加筋构筑物，标志着纤维土的研究和应用正式拉开帷幕。我国自上个世纪90年代初开始了关于纤维加筋土的研究，至今已取得一定成果[1-3]。目前，纤维加筋技术已逐渐应用于很多领域，如挡土结构、路堤、水利水电、岩土工程等，而纤维加筋土的理论研究及工程应用依然是工程界的研究热点。本文阐述了近年来纤维加筋土工程性质的研究进展，提出并探讨了目前纤维加筋土研究领域中存在的若干问题，并对今后该课题的研究重点和发展趋势进行了展望。

1 纤维加筋土的强度特性研究

1.1 纤维加筋土的抗剪强度

土的抗剪强度的高低直接反映着土体抵抗剪切破坏的极限能力的大小，是土体强度的重要组成部分，也是影响土体稳定的重要参数，土的剪切破坏是工程中最常见的病害问题之一。丁万涛对膨胀土及其加筋土进行了三轴剪切试验研究，对比发现，加筋后膨胀土的抗剪强度指标c显著增加而φ值变化较小，加筋层数和布筋形式以及含水量三方面因素对土的抗剪强度影响较大[4]。蔡华南等选用纤维掺入量、压实度、含水率作为控制变量，对不同工况条件制作了纤维加筋黄土及黄土试样，进行了多组直剪试验研究纤维加筋黄土的抗剪强度影响因素，研究表明，纤维掺量主要影响黄土的应力应变状态以及黄土的粘聚力，压实度则直接影响黄土的抗剪强度[5]。宋金岩等采用玻璃纤维对ISO标准砂加筋，对试样进行了室内三轴抗剪强度试验，得出：玻璃纤维加筋对砂土的强度指标c提高效果显著，但对无筋砂土的φ值影响不大，强度指标c与纤维长度、纤维掺加比例呈非线性关系[6]。

现有成果表明，不论对于黏性土还是非黏性土，通过纤维加筋技术均可提高土的抗剪强度，表现为土的粘聚力c的显著增强，而对内摩擦角φ的影响不大；对土的抗剪强度影响分析主要从质量加筋率、纤维长度和形状、含水率、压实度等因素考虑；纤维加筋土的破坏形式与未加筋土相比，呈现出明显的塑性破坏。对于抗剪强度的研究，目前主要还是以室内直剪试验和三轴剪切试验为主，试样尺寸偏小，这与实际工程中土的受力状态相比必然存在偏差。此外，试样的制备方法多样，可能会导致相同加筋条件下的加筋效果不同。关于加筋土的微观结构对抗剪性能影响的研究还未形成完整体系。综上所述，建议进一步开展大尺度模型试验、现场试验、微观力学以及完善试样制备方法等方面的研究工作。

1.2 纤维加筋土的抗压强度

目前，无侧限抗压强度试验和三轴压缩试验是研究纤维加筋土的抗压强度性能的主要方法。Cai等在无侧限条件下，选用纤维掺量、石灰掺量和养护时间作为变量，对聚丙烯纤维加筋石灰土的抗压强度特性进行了研究，分析了这些变量对土的抗压强度的影响，结果表明：增加纤维掺量和养护时间可提高土的无侧限抗压强度，过于增加石灰掺量会使土的无侧限抗压强度下降[7]。卫杰等采用正交试验设计方法对黄麻纤维崩岗岩土进行了无侧限抗压强度试验，结果表明：在最优加筋条件下土的无侧限抗压强度明显提高，最高达到了39.58%；未加筋土与加筋土无侧限抗压强度两者存在线性回归关系；黄麻纤维加筋后可提高土体抵抗横向变形能力[8]。马福全等以聚丙烯纤维为加筋材料，制备出红黏土、粉质粘土和砂土3种加筋土样，通过对不同纤维掺量的土样进行抗压强度试验得出：三种土样的无侧限抗压强度与纤维掺入量存在正相关性，随纤维掺量增加红黏土的无侧限抗压强度曲线为单调递增，而粉质粘土和砂土的无侧限抗压强度曲线均为先增大后减小；纤维掺量对红黏土的应力应变关系影响较小，对粉质粘土、砂土应力应变关系影响较大[9]。

研究表明，对试样纤维加筋后可增强试样的临界断裂韧度，提高土的抗压强度；加筋率、压实度、含水率、养护龄期等是影响纤维加筋土抗压强度的主要影响因素；纤维加筋土的整体空间性较好，三轴压缩试验中，试样破坏破裂面不明显，外形均匀，主要破坏形式呈鼓胀破坏。加筋土的抗压强度的尺寸效应明显，往往存在抗压强度测量值随试样尺寸的增大而增大的现象。纤维加筋土的抗压强度研究方法同样多为室内宏观土工试验的方法。因此，对于纤维加筋抗压强度的研究也应进一步开展大尺度模型试验、离心模拟试验等方面的研究工作，并建议对不同地区土样采用不同特性的纤维材料单独加筋和复合加筋后进行效果对比，分析研究各种工况下土的最优加筋条件，为各地区的相关工程建设提供理论依据。

1.3 纤维加筋土的抗拉强度

传统的土力学认为，由于土体具有离散特性，土的强度主要是由抗压强度和抗剪强度提供，抗拉强度一般非常小，饱和度较高的土体抗拉强度甚至接近于0，因工程中难以测量常忽略土的抗拉强度，但事无绝对，如土的收缩裂隙现象就会极大影响土的工程性质，对实际岩土工程会产生负面影响[10,11]。李建等为了研究纤维加筋土的抗拉强度性能进行了一系列拉伸试验，结果表明：纤维掺量对提高土的抗拉强度相当有效，0.2%的纤维掺量即可使土的抗拉强度提高65.7%；干密度在一定范围内的增加也能达到提高土的抗拉强度的目的；而含水率的增加会降低土的抗拉强度；纤维-土界面作用力和纤维材料本身的抗拉能力是影响纤维加筋土的抗拉强度的主要因素[12]。其后又开展了基于单根纤维拉拔试验的波形纤维加筋土界面强度研究，发现对于直线形纤维，拉拔试验得到的典型单峰曲线，拉力达到峰值后迅速减小，达到残余值后趋于稳定，而波形纤维的拉拔曲线为多峰曲线，各峰值对应的界面剪切强度及残余剪切强度随拉拔变位呈指数递减趋势[13]。

目前对土的抗拉性能的研究主要采用的试验方法有单轴拉伸试验、常规三轴伸长试验、减载的三轴伸长试验和间接拉伸试验等方法。研究发现，在土体应变较大时，土的加筋作用最为显著，破坏时表现为“裂而不断”，土的抗拉强度主要由纤维材料的性质、掺加比例及纤维长度决定。现阶段对纤维加筋土的抗拉强度的研究对象主要是玻璃纤维、波形纤维和聚丙烯纤维对ISO标准砂和粉质黏土加筋效果的研究，对于其他性质的土以及其他传统纤维材料的加筋效果的研究资料匮乏，未形成系统的理论体系，为此，应扩展研究其他传统纤维材料和新型纤维材料对土的抗拉强度的影响，完善理论体系；对土的抗拉问题，工程上也应予以足够重视。

2 纤维加筋土的变形特性研究

对于软土、膨胀土及湿陷性黄土等特殊地质条件，竖向变形通常是导致其上所修建建筑物破坏的主要原因之一，由于纤维加筋土具有较好的变形特性，通常被视为各向同性材料在工程中采用，对因沉降引起局部变形的情况有较好的适用性。宋金岩通过系统的纤维土的室内试验得出：掺入一定量的玻璃纤维使土体的抗侧向变形的能力大幅度提高；纤维加筋土的压缩特性与纤维掺入量及纤维长度直接相关，增大纤维掺量以及增长纤维长度会降低压缩指数，提高压缩模量，造成土的压缩性下降；纤维加筋土的σ～ε曲线近似呈硬化特性；纤维加筋砂土和黏土主要以鼓胀破坏为主[14]。陈乐等基于一维固结试验研究了加筋高岭土固结压缩特性，得出在控制干密度和纤维长度条件下，逐步增加纤维掺量，纤维加筋土的固结系数和压缩模量会随之增加，达到峰值后逐渐下降至稳定；逐步增加纤维长度，纤维加筋土的固结系数随之减小，当纤维长度增加至10mm时固结系数出现拐点，之后其固结系数缓慢增大；在较高固结压力条件下，压缩模量与纤维长度存在负相关性[15]。

土的变形特性直接影响着土的稳定性，土的变形和土体失稳会对周边环境、上部结构及地下结构造成严重影响，在土体变形特性和土体稳定问题研究中，土的动力学特性是一项非常重要的研究内容。但是从目前来看，有关这方面的研究还相当薄弱，仅有对砂土、粉煤灰和黏性土的研究，今后有待在纤维加筋土的抗震性能、抗冲击性能的动力学特性方面的深入研究；纤维加筋土的渗透变形特性也应进一步研究。

3 纤维加筋土的渗透特性研究

土中水的渗透常常引发岩土工程问题的根本原因。刘芳在砂土中掺入玻璃纤维，制成的玻纤土渗透系数出现增大趋势；并在控制纤维掺量和纤维长度条件下得到了玻纤土渗透系数的变化范围[16]。蒋正国对不同纤维掺量的红黏土的渗透性能进行了变水头渗透试验研究，结果表明，掺入纤维后，红黏土的渗透系数与未加筋红黏土对比略有增大，土样具有低渗透性特征[17]。

现有资料表明，纤维加筋技术对改善土的渗透特性的效果并不显著，但是由于在纤维加筋土的渗透特性方面的研究资料非常匮乏，还不足以对此结果下定论，因此对于纤维加筋土的渗透特性的研究还应继续深入，以形成独立的研究体系。

4 纤维加筋特殊土的研究进展

对于特殊土，最敏感的工程问题是其对工程有危害性的特殊性质，如膨胀土的胀缩性、冻土的冻胀融沉性，盐渍土的盐胀溶陷性、黄土的湿陷性等，纤维加筋技术是否能够针对特殊土的工程特性有效发挥改善作用以及改善效果如何还值得深入研究。丁万涛以膨胀土为研究对象，取含水率、压实系数及上部垂直荷载为可变条件计算其膨胀率，通过三轴固结不排水剪切试验(CU试验)，开展了纤维加筋在膨胀土中的作用机理的研究[5]。韩春鹏等采用聚丙烯纤维对东北季冻区黏土进行加筋开展正交试验，分析了纤维长度、纤维掺量、冻融循环次数对加筋土抗剪强度的影响，结果表明：纤维加筋后土样的粘聚力有所提高；冻融循环次数越多粘聚力增加幅值越大，内摩擦角先增大后减小[18]。魏丽等开展了麦秸秆加筋海滨盐渍土的三轴不固结不排水剪切试验(UU试验)，得到的三轴抗剪强度及偏差应力应变曲线表明：麦秸秆纤维土的黏聚力大幅提高，内摩擦角增幅较小；纤维加筋土的偏应力应变曲线与盐渍土的变化形式相近，均呈应变硬化型；确定了最优加筋条件[19]。王天等在浸水条件下对纤维加筋水泥固化黄土开展了无侧限抗压强度试验和无侧限劈裂抗拉强度试验，研究了纤维加筋黄土的水稳性质，结果表明纤维加筋效果显著，纤维长度这一因素尤其对土样的浸水抗压强度和劈裂抗拉强度影响明显；添加多种纤维材料后反而对加筋效果有负面降低作用[20]。

总体来看，纤维加筋技术能够改善特殊土的工程特性，尤其对纤维加筋抑制膨胀土的胀缩性有较好的效果。但目前对黄土的湿陷性、冻土的冻胀沉融性等研究还相当匮乏，尤其是对可液化土的振动液化性的研究几乎空白，建议对此进行深入探讨和研究。

5 研究展望

综上所述，据纤维加筋土力学特性的研究显示，纤维加筋技术的应用对于提高土体的抗剪强度、抗压强度以及抗拉强度有显著效果；纤维掺量、纤维长度和形状、含水率及压实度是影响纤维加筋土强度和变形的主要影响因素；对于纤维加筋土的渗透特性，目前国内外理论和应用的研究还很不成熟，尚需完善和深入研究；针对特殊土的纤维加筋理论研究近年来逐步展开，总体来说没有形成完整的体系。因此，纤维加筋土课题依然是工程界研究的热门领域，还应该从以下几方面加深：

(1)纤维加筋土的力学特性研究方面，大多采用室内土工试验，如：三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验、直剪试验等，所选试验尺寸较小，且受外界环境、人为因素、边界条件等因素限制，得到的结果可能与工程中纤维加筋土的实际工作状态并不相符，故需进一步开展大尺度模型试验、现场试验以及微观力学等方面的研究。

(2)在土体的稳定性研究中，土的动力学特性是一项非常重要的研究内容。但是从目前来看，有关这方面的研究还相当薄弱，仅有对砂土、粉煤灰和黏性土等相关研究，今后有待在纤维加筋土的抗震性能、抗冲击性能、抗液化性能的力学特性等方面进行深入研究。

(3)对于纤维加筋特殊土的研究，从总体来看，纤维加筋技术能够改善特殊土的工程特性，尤其对纤维加筋抑制膨胀土的胀缩性有较好的效果，但对于黄土的湿陷性、冻土的冻胀沉融性、可液化土的振动液化性等研究目前还相当匮乏，仍值得进一步探讨和研究。

(4)据相关资料，纤维加筋能极大提高土体的残余强度，并呈现裂而不断的特点，即使土体发生破坏，破坏裂隙的发育与未加筋土体也存在显著差异，但目前关于纤维加筋土的破坏和失效机理这方面的探讨还比较少见，仍是今后探索和研究的重点。

(5)时下纤维加筋技术还没有在实际工程中广泛应用，究其原因在于施工工艺和技术的缺失，如何在现场将离散的纤维均匀地掺入土体中，不同土体的纤维掺入量、纤维长度及其他参数应怎么取值才能达到最优加筋效果以及发挥纤维土的最佳性能对于工程应用显得极为必要且意义重大。

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【责任编辑 赵建萍】

A Review on the Situation and Prospect of Engineering Property of Fiber Reinforced Soil

DONG Yun-xiu1,2，LI Ping1,2，YANG Yong-dong1,2，WEI Rong3

(1.KeyLaboratoryofEngineeringGeologicalPropertyandEngineeringApplicationofLoess,
LongdongUniversity,QingYang745000,Gansu;2.CivilEngineeringSchool,LongdongUniversity，
QingYang745000,Gansu;3.CountryGardenPolytechnic,QingYuan511510,GuangDong)

Fiber reinforced soil is a kind of new composite soil with good engineering mechanical properties formed by the mechanical,hydraulic or pneumatic way of continuous or discrete incorporation of fiber material into soil. Fiber reinforcement technology has been applied to the retaining structure,embankment,water conservancy and hydropower,geotechnical engineering and other fields. A research on the theory and engineering application of fiber reinforced soil will exert a far-reaching influence on promoting the future soil reinforcement technology in China. The research status of strength characteristics,deformation characteristics and seepage characteristics of fiber reinforced soil were summarized. In addition,the research progress of fiber reinforced special soil in recent years was expounded. Based on the research on the theory and technology of fiber reinforced soil,the future research emphasis and development direction of fiber reinforced soil were prospected.

fiber reinforced soil;fiber reinforcement technology;engineering properties;research progress

1674-1730(2017)03-0078-04

2016-06-01

董芸秀(1989—)，女，陕西旬邑人，助教，硕士，主要从事地基处理和桩基工程教学与研究。

TU531

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