基于公路边坡防护评价的玄武岩纤维网应用研究

叶子坤

（北京兴怀基业建筑工程有限公司，北京 101400）

0 引言

玄武岩纤维是一种以火山喷发出的玄武岩矿石为原料，经1 450～1 500℃的高温熔融处理后利用铂铑合金拉丝漏板可以得到具有良好力学性能与耐腐蚀特性的纤维，其是现代工业中的一类新型高性能绿色无机材料。此外，生产玄武岩纤维的过程中不会产生碱性氧化物，在自然环境中一段时间后会降解为土母质，对环境较为友好［1］。早期的玄武岩纤维生产工艺主要有池窑拉丝、人工加料全铂坩埚拉丝以及漏板组合式拉丝等，经过多年的发展出现了多种现代化玄武岩纤维生产工艺，各工艺间的区别主要反映在漏板孔数与冷却方式的选择等层面。随着现代工业技术的迭代与生产工艺的不断成熟，玄武岩纤维的生产效率与质量得到不断提高，并在电力电子、建筑工程以及化工生产领域中得到了十分广泛的应用［2-3］。我国针对玄武岩纤维的研究起步较晚，2001年，国内部分研究机构开始关注该材料的性能与应用前景，并在两年后开始投建生产企业进行生产。由于越来越多的机构关注到玄武岩纤维的优异性能与环境友好属性，该材料在我国得到了较快的发展，现阶段我国可生产玄武岩纤维成品的厂家已多达20家，年总产能达到1.5万t［4］。

1 玄武岩纤维用于公路边坡防护的优势

玄武岩纤维具有较好的力学性能与耐久特性，使用该材料制成的玄武岩纤维网也能很好地沿袭其抗压与抗拉性能，因此玄武岩纤维网在现代工程领域中具有十分显著的应用优势。其一，我国玄武岩矿石的总储量十分丰富，特别是在山东省的储量尤为集中。随着开采技术的发展、开采工艺的升级以及开采经验的积累，目前我国的玄武岩矿产年产能已经达到较高水平，同时我国玄武岩纤维制造与深度加工技术近年来也实现了较快的发展，这些都为玄武岩纤维网的大规模应用奠定了基础［5］。其二，玄武岩纤维具有较好的环境友好性，属于高性能绿色环保型材料，在自然环境条件下其能够降解为土母质，大规模的使用不会造成环境破坏与污染。其三，使用玄武岩纤维和混凝土与砂浆按照一定的比例掺和能够得到抗震与抗压性能更好的工程材料，在某些工程场景下还可以大幅提高材料的结构强度，一些学者提出在混凝土中掺入一定量的玄武岩纤维可将混凝土强度提升至原先的1.6倍。基于以上所述玄武岩纤维的优势，将玄武岩纤维制成网状应用于公路边坡水土保持与防护，可显著改善公路边坡受流水侵蚀出现失稳或局部结构崩坏的状况［6］。

2 玄武岩纤维网用于公路边坡防护的评价试验

2.1 试验材料

经过多年的工程实践积累与技术发展，现阶段玄武岩纤维网已经在公路工程中取得了十分广泛的应用。目前，玄武岩纤维网的生产工艺较多，本研究选取其中较为主流的坩埚单元式玄武岩纤维制造工艺，可得到超过4 000个漏板孔数的成品。玄武岩在我国山东省具有较为广泛的分布，其中尤以济南市章丘区的玄武岩质量较好，且当地已经有相对成熟的生产工艺［7-8］。因此，以济南市章丘区的玄武岩纤维为原材料，将其制成土工网状结构，再利用表面涂覆与烘干工艺可得到具有良好力学性能的土工格栅。本研究选择孔径大小为20 mm×20 mm，单股玄武岩纤维宽度为5 mm的两经两纬与四经四纬型玄武岩纤维网为研究对象，计算与分析其与使用聚丙烯制成的规格为600 mm×400 mm×200 mm的传统植生袋在公路边坡防护方面的效果。需要说明的是，本研究所进行的模拟计算均是在室内环境条件下进行的，因此可能与自然环境场景中的应用数据存在一定的出入。

2.2 强度分析

玄武岩纤维网的强度分析主要通过断裂强力与断裂伸长率来体现。断裂强力是指按所规定的条件进行测试，拉伸绳索至断裂，取其至断裂时最低值的力，其数值可通过式（1）进行确定。

式中：P代表玄武岩纤维网的断裂强力，kN·m-1；p代表一组纱线处于临界断裂状态时所承受的力，N；N代表玄武岩纤维网的网眼数量，个。

断裂伸长率是玄武岩纤维受外力作用至拉断时，拉伸前后的伸长长度与拉伸前长度的比值，通常用百分率表示，其数值的大小可通过式（2）进行确定。

式中：ε代表玄武岩纤维网的断裂伸长率，%；ΔL代表一组纱线处于断裂的临界状态时的伸长值大小，mm；L代表测试纱线的初始长度值，mm。

2.3 边坡条件分析

边坡形式与坡体条件会对边坡的稳定性产生较大的影响，因此本研究选取了均质土坡、非均质土坡以及表面覆有薄土层的岩石边坡等3种类型的公路边坡进行玄武岩纤维网对边坡稳定性的影响研究。同时，还讨论了边坡坡度、植物措施以及护坡形式等对玄武岩纤维网护坡稳定性的影响。研究的公路边坡坡体形式如图1与图2所示，相关参数如表1与表2所示。

表1 不同坡体条件参数

表2 不同边坡类型坡体土壤和岩石参数设定

图1 不同坡体条件示意图

图2 两种坡面配置示意图

3 玄武岩纤维网用于公路边坡防护的稳定性评价

经实际测量，得到植生袋的长×宽×高尺寸为600 mm×400 mm×200 mm，植生袋内填充土壤后的质量经承重后得知为64.8 kg。可以得到如表3所示的不同坡度条件下的植生袋荷载。

表3 坡长变化时的外加载荷

玄武岩纤维网是一种复式设计的结构，由于网格状结构的截面积较小，因而进行玄武岩纤维网的附加作用力学分析时可以通过计算单位面积的玄武岩纤维网的抗破坏强度来分析其对公路坡体的防护效果。本研究选择的玄武岩纤维网孔洞尺寸为20 mm×20 mm，单根纤维的宽度为5 mm，得到如表4所示的单位面积条件下玄武岩纤维网对公路边坡的加筋力。

由表4可知，选择植生袋&四经四纬型玄武岩纤维网的边坡防护效果更好，不同类型坡体对应的安全系数如表5所示。

表4 玄武岩纤维网规格与加筋力的关系

表5 不同类型坡体对应安全系数

分析表5中数据发现，不同类型坡体条件下玄武岩纤维网对公路边坡的防护效果存在一定的差异，主要体现在坡体安全系数提升幅度的大小。分析表5中数据可知，公路边坡的坡度在一定范围内增大时玄武岩纤维网的护坡效果也呈现出一定的上升趋势，且对于不同类型的边坡而言玄武岩纤维网应用于均质土坡的效果最好，其次分别为非均质土坡与浅土层边坡。

4 结语

水土保持是公路工程边坡防护的重要内容，在降水与积水影响下土质边坡容易出现滑动与崩塌等问题，因此采用科学的技术手段提高公路工程边坡的稳定性具有重要的现实意义。通过对比研究发现，玄武岩纤维网应用于公路边坡的防护能够有效提高其安全系数，且这种改善效果在均质土坡型边坡中尤为显著。玄武岩纤维网作为一种高性能环境友好型工程材料，未来应深化其与植生袋等传统型护坡措施的融合，以进一步改善公路边坡的防护效果。