纤维加筋固化土动力特性研究进展

（宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000）

0 前言

在进行道路工程、边坡工程、堤岸工程以及各类基础工程建设过程当中不可避免地会遇到土体强度和刚度不足需要加固的情况，通常采用水泥、石灰、粉煤灰以及各种生物、化学固化剂等固化物对土体进行固化以提高其强度，但是其脆性较大。大量的室内试验及工程实践表明通过在土体中掺入一定比例的纤维可以有效地改善水泥、石灰等固化土体的强度和韧性，现已发展为一项经济有效且广泛应用的土体改良加固技术。工程结构在建设以及服役过程当中需要承受包括结构本身的自重以及雪荷载、交通荷载、风荷载、波浪荷载、地震等外部荷载的作用，这些荷载最终都将通过上部结构以及基础传递到地基当中对土体产生作用使土体呈现静态和动态两方面的力学响应。针对纤维加筋土体的力学特性，国内外许多专家学者针对不同工况进行了广泛的理论和技术研究并取得了较为丰硕的成果，有力地推动了土体加固技术的发展和应用。然而，目前关于纤维加筋固化土力学特性的研究还存在系统性、对比性以及创新性不足等问题，普遍关注纤维加筋固化土的静力特性，对其在地震作用，尤其是风浪、交通等长期荷载下动力特性的研究明显不足。因此，有必要对现有的研究成果进行总结和分析，寻找以往研究存在的不足和盲点所在，从学科交叉的视角并借助先进的试验技术及方法为纤维加筋固化土力学特性的研究提供新的思路和方向。

1 纤维加筋固化土的动强度特性

工程结构位于土体之上在建设以及服役过程中将受到各种动荷载的作用从而在土体中引起不同的动力响应，如道路工程中地基土体将受到长期交通车辆荷载的反复作用，桥梁、高层建筑在风荷载的作用下将通过基础对地基土体产生动力效应，在海洋环境中风浪荷载是风力发电设备以及海洋石油平台等海洋工程结构基础设计必须考虑的主要荷载同样需要研究土体的动力响应问题，加之近年来地震频发，土工结构抗震形势严峻。早期的研究表明，纤维可以有效地提高砂土、粉煤灰的抗液化能力和提高粘土的动强度和动模量，但是多是定性的描述也缺乏系统性的研究。张向东等研究了长度为12cm的聚丙烯纤维掺量对二灰土（石灰、粉煤灰与天然土体混合）动力特性的影响，发现纤维加筋二灰土的动剪切强度伴随破坏振次的增加而降低可用幂函数进行表征，进一步分析并分别构建了动粘聚力和动内摩擦角与聚丙烯纤维掺量之间的定量数学关系表达式，并建议在实际二灰土工程当中聚丙烯纤维的掺量不宜超过0.32%。然而该研究并未考虑土性参数、纤维长度以及不同应力路径等因素的影响，研究结论的适用性也有待进一步的验证。

2 纤维加筋固化土的变形特性

土体的变形特性是进行工程结构设计和稳定性分析的重要参数，通常以模量（如弹性模量、剪切模量、回弹模量）、应力-应变关系或弹性变形、塑性变形等形式进行表征。Cai等通过张拉裂缝的宽度来反映聚丙烯纤维对石灰土变形的影响，并将其应力-应变关系曲线划分为弹性-塑性-软化三个阶段。部分研究者从试样破坏的模式上对纤维加筋土的变形特性进行了定性的分析。张向东等对纤维加筋二灰土在循环荷载下的动应变发展规律进行了研究，发现纤维在一定程度上抑制了二灰土变形的产生，但是存在最优掺量，一味地增加纤维的掺量可能会适得其反，导致土体变形增大。总体上关于纤维加筋固化土变形特性的探究还非常欠缺，有待加强。

3 纤维加筋固化土的模型构建及机理探究

3.1 纤维加筋固化土的本构模型

在试验的基础上构建本构模型是土力学研究的最重要也是最棘手的问题之一，本构模型是采用有限元软件对实际工程进行模拟的核心要素。目前关于纤维加筋土的相关试验研究大多关注其强度特性，因而大多纤维加筋土的本构模型多是基于其强度预测分别按力学平衡（纤维与周围土体之间的相互作用）原理和能量耗散（纤维与土体之间产生相对滑移发生摩擦或者纤维发生拉伸变形而产生的能量耗散）原理进行构建的；Zornberg在其构建的理论框架下通过纤维和土体的特征参数来对纤维加筋土的有效抗剪强度进行预测；Gao等通过对姚仰平的统一硬化模型进行改进构建了纤维加筋土的强度预测模型并可以考虑纤维分布方向的影响。鉴于以往的模型无法反映纤维加筋土的应力-应变关系，DIAMBRA等基于三轴加载试验并结合复合材料力学中的混合物原则建立了可以考虑纤维分布方向影响的纤维加筋土本构模型；王磊等在Gao等和DIAMBRA等模型的基础上进行修正，结合修正剑桥模型和线弹性模型提出了一种可以描述纤维加筋土应力-应变关系的两相本构模型；张诚成等为深入探究纤维与土体的相互作用机理提出了纤维与土体界面切应力与切应变的三参数模型，该模型通过将单根纤维在加筋土中的拉拔过程分为5个典型阶段以描述离散纤维在加筋土中的渐进性破坏特性；MANDOLIN等借助空心扭剪仪研究了纤维加筋砂土在多向荷载下的强度各向异性并据此建立并讨论了各向异性纤维强化贡献的分析模型。

3.2 纤维加筋固化土的作用机理

关于纤维加筋固化土作用机理的探究大多从宏观和微观两个层面展开，在宏观层面上主要是从宏观试验结果出发，通过对不同影响因素单独及其耦合作用下（含水率、干密度、水泥掺量、养护龄期以及纤维种类、掺量和长度等）纤维加筋固化土试样渐进破坏过程中界面剪切强度、抗拉与抗压强度的观测并结合相关的本构模型对纤维与土体的界面相互作用机理加以描述和讨论；在微观层面上则多是借助扫描电子显微镜等技术手段对纤维加筋固化土体的微观结构进行观测以分析纤维在纤维加筋固化土中的微观力学作用机理，唐朝生等将纤维的加筋效果归结于纤维/土体的界面作用强度，力学作用分为粘结力和摩擦力两种形式，究竟哪一种力起关键作用或是共同作用则取决于土颗粒的大小、级配、含水率、粘粒含量以及固化物的种类等多种因素。

4 总结

经过几十年的发展，纤维加筋固化土技术在软弱土体加固领域取得了长足的发展和进步，但是在相关研究方面还存在一些不足从而限制了该技术推广应用的深度和广度，需要从以下几个方面寻求突破：

①根据工程的实际工况开展室内及现场纤维加筋固化土的试验研究，重点探究真实服役环境下纤维加筋固化土的工程力学特性，尤其是在各种灾变荷载（地震、台风、海啸等）下的动力特性以及静载与动载联合作用下的力学特性；

②结合实际工程的服役环境开展混杂纤维加筋固化土的相关研究工作，尝试对不同纤维联合加筋效果及作用机理进行探究以扩展纤维加筋固化土技术的应用范围；

③进一步加强纤维加筋固化土微观层面的研究工作，尝试寻找和建立可以定量表征其微观力学特性的特征参数，最关键的是要建立微观力学特性与宏观力学特性之间的定量关系；

④从多因素（多场）耦合作用的视角描述和探究纤维加筋固化土的力学行为，遵循从简单到复杂的科学研究规律，结合室内及现场试验结果构建关键因素影响下的纤维加筋固化土工程设计的理论框架，为实际工程的设计、施工以及运营维护提供科学的理论依据。