基于天然植物纤维材料的土体加固技术

2019-09-09高文杰董思文陈思奇

城市建设理论研究（电子版） 2019年8期

高文杰董思文陈思奇

杭州未来科技城建设有限公司浙江杭州 311100

一、引言

土体是一种具有较弱抗拉性能的多孔介质，其岩土性能随环境因素而变化。由于人口增长和城市化进程的不断加快，对不稳定和侵蚀性土地以及土工性能较差的土地提出了很高的要求。因此，需要为这些环境敏感的土地和土体开发有效的稳定技术[1-2]。纤维加固土体以其运输方便，价格便宜，强度高等特性在传统土体加固方法中脱颖而出，成为了研究的热点。纤维加固土的概念和原理最早由Vidal在1969年提出，他发现在土体中添加加固材料可以增加介质的抗剪强度[3-4]。自1969年Vidal提出土体加固概念以来，迄今为止，已有近4000项应用在37个以上的国家进行[5]。过去的研究反映了一系列增强材料，从低模量聚合物材料到高抗拉强度的金属板，这些材料被用作土工合成材料，使纤维加固土体成为可能[2,6-8]。这些传统的合成纤维主要是石油的副产品，石油是地球上一种不可再生的有限资源[9]。此外，由于锈蚀钢对环境的毒性很大，在其使用寿命结束时对环境产生了有害影响，因此将钢筋作为土体加固手段已被报道为一种非环保的方法[10]。近年来，天然纤维土加固由于其环保、资源丰富、能耗低、成本效益好、比其他已有材料有较大潜力等独特优势，成为岩土工程中不断发展的可持续土加固技术之一[11-14]。利用天然纤维替代传统的土工合成材料增强材料的可持续性已显示出巨大的潜力，并日益受到岩土工程的重视。利用天然纤维仍然是一项比较新的技术，值得进一步研究。

本文说明了天然纤维的特点，列举出主要的天然纤维，对其生化，物理力学性质进行对比，并阐述了纤维加固土的方式和机理。

二、天然纤维

2.1 天然纤维的特点

目前，天然纤维以其丰富性、可持续性、成本效益、低密度、良好的强度和刚度等特点，广泛应用于汽车、食品、农业等许多工程应用和行业。首先，天然纤维可根据其来源分为三个部分：（1）植物纤维（竹子、黄麻、椰壳纤维、大麻等）；（2）含有蛋白质的动物部位（丝、毛、羊毛等）；（3）矿物质。而基于大规模的可用性和适用性，岩土工程中的土体加固技术主要集中在植物纤维方面[15]。

从经济角度来看，用于土体加固的植物纤维可分为三类：（1）作物物种，（2）非作物物种和（3）入侵物种。这种植物纤维可能来源于茎、叶、种子、水果、木材、谷物秸秆和其他残余物。然而，纤维来源于植物的哪一部位、植物的年龄和纤维的处理方式，是影响天然纤维耐久性和性能的一些因素。本综述不关注木材纤维/树木碎片，因为将木材纤维用于土体加固时，存在许多实际限制。事实上，木材纤维在木材、混凝土和其他材料的复合工业中有很高的发展趋势，但与其他讨论的天然纤维相比，由于其大量采购困难、非经济、低弹性和低再生性等因素，使得木质纤维在土体补强中的应用范围越来越小。

2.2 天然纤维的生化特性

从微观结构上看，天然纤维可以定义为天然形成的复合材料，主要由木质素和半纤维素基质固结在一起的中空纤维素纤维组成。此外，还可能存在果胶和蜡，而果胶为纤维提供柔性，而蜡构成纤维和酒精化合物的最后一部分。由链状纤维素分子组成的纤维素纤维(直径约为1030nm)沿着纤维的长度排列，除了提供刚性外，还具有更高的机械(拉伸和弯曲)强度。木质素作为一种保护层，在防止微生物降解纤维内部结构方面发挥着重要作用。纤维素是一种生物聚合物，纤维素和半纤维素的含量影响着纤维结构的吸湿性能[6]。天然纤维的性能与纤维素的性质、结晶度以及有关[16]。

表1总结了一些具有土体加固潜力的植物纤维及其种类、来源和生化成分。红麻、大麻、亚麻、剑麻、黄麻和竹纤维中纤维素含量较高（＞50%），反映了纤维的强度。然而，在亚麻和大麻中，木质素含量相对较低（＜10%），而在椰壳纤维中，木质素含量最高。因此，与其他天然植物纤维相比，纤维素和木质素含量的主要生化成分清楚地保证了竹纤维在土体加固中的能力。

表1 植物纤维的生物化学成分及其种类和来源

2.3 天然纤维的物理力学性能

天然纤维的物理和机械性能与纤维的生化成分有关，其中纤维素化合物决定了纤维的强度[2]。由于土的加固设计阶段还没有与生化成分直接耦合，因此在岩土工程中，纤维物理力学性质的测定和解释是非常必要的。表2总结了与土体加固有关的植物纤维的物理力学性质。红麻、亚麻、竹子和大麻在潜在的天然纤维中表现出更高的机械强度参数，这主要是由于它们的生化成分。此外，表3通过与合成纤维基本力学和物理性能的比较，说明了植物纤维在土体加固中的潜力。

表2 潜在植物纤维加固土体的物理力学性能

表3 传统合成纤维与植物纤维性能的比较

三、天然纤维加固土的方式及机理

土体加固可以定义为一种通过引入具有所需特性的材料来改善土体工程特性和性能的技术。加固土体的首要目标是提高其稳定性，即抗剪能力和承载力，从而减少土体变形[17]。目前，天然纤维复合加固技术已在岩土工程中得到了广泛的应用。天然纤维加固技术因其独特性而受到全球的关注，但天然纤维在地基条件下的有效寿命有限，这是研究需要面临的一个挑战[10]。埋入土体中的纤维在形式、质地、刚度、含量、长度或长宽比、方向等方面都有变化，其中纤维的含量、长度和方向是岩土工程应用中最实际的问题[18]。基本上，纤维加固土按其应用方法可分为两类：（1）定向分布纤维加固土随机分布纤维加固土。

定向分布纤维加固土是一种著名的加固机制，在这种机制下，可以系统在垂直、水平或双向引入天然纤维。一般来说，定向分布纤维加固土允许根据应用要求，通过编织、装订、组合或打孔等修改对天然纤维进行机械增强。定向分布纤维加固土的机理与传统的土工合成方法相似，在这种方法中，材料被引入土体的薄弱面，如土工格栅、土工垫、土工织物等。定向分布纤维加固土技术通过沿纤维增强平面附加摩擦力，而非加固区域则需要依靠自身强度防止破坏，但仍有可能通过强度较弱的非加固区域生成失效破坏平面。

另一方面，随机分布纤维加固土是一种公认的土体改良技术，在该技术中，由所需性能和数量组成的纤维随机组合并就地压实。随机分布纤维加固土的掺入近年来变得更加流行，因为短的离散纤维可以简单地添加到土体中，并与土体随机混合，就像水泥、石灰或其他添加剂一样，因此它可以在不引入连续薄弱面的情况下，向各向同性增加土体复合材料的强度。这种随机分布纤维加固土方法利用了植物根系的类似行为，通过增加摩擦和交错来加固土体。受拉分布的纤维对试样强度的增加有一定的作用。最初，土体颗粒受到压力趋于紧密，使纤维材料产生形变，随后由于土体颗粒的旋转和直接作用，压力使纤维和土发生了耦合。与此同时，与纤维接触的土体颗粒除了产生耦合力外，还会对纤维产生摩擦力[2]。最后，耦合力与摩擦力共同作用，使纤维材料上的拉应力趋于运动。此外，纤维的随机分布促进了纤维-土体黏结作用，这利用了土颗粒和柔性纤维之间的复合加固作用，表现为一个结构网格，将土体连接在一起，增加了土体结构的完整性[5,18]。