玄武岩纤维改良华东地区红黏土的工程适用性分析

葛宏盛，刘丽萍，汪朝明，郑贞成

1.西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安 710021；2.浙江成明试验检测有限公司，浙江 衢州 324300

0 引言

红黏土广泛分布在亚热带季风气候区，具有吸水膨胀、脱水硬化[1]的特点，性质极不稳定。若红黏土路基边坡治理不当，易引发路基不均匀沉降[2]、边坡滑动变形[3]等灾害。同时，红黏土区域性明显，各地区红黏土性质也不尽相同。结合文献资料[4-6]总结出：华东地区红黏土具有高液限、高塑限、低黏聚力、干密度大的特点。

常用的红黏土路基边坡治理有：换填法[7]、掺砂石[8]等集料、化学固化剂[9]等，但上述方法不仅需要消耗大量人力、财力，且治理后的效果良莠不齐，难以有长久有效的治理措施。随着科学技术的发展，纤维材料逐渐走入公众的视野，其中玄武岩纤维材料因为具有造价低、耐腐蚀性好、抗拉能力强、绝缘性好、导热率低等特点，被广泛使用于土建领域，尤其是公路、铁路等路基工程中。

玄武岩纤维加筋土体的改良，有专家已进行深入的研究，总结出了珍贵的成果。部分学者采用玄武岩纤维对湿陷性黄土[10，11]力学性能进行改良，通过重型击实试验、承载比试验，发现纤维含量、纤维长度对玄武岩纤维加筋土CBR值影响呈现先增大后减小的趋势，随着击实次数的增加，玄武岩纤维加筋土CBR值均不断升高，纤维的掺入使通过提高击实功带来的强度收益变得更大，98击素土相比30击素土CBR值提高273%，加入纤维后强度提升327%，说明纤维的掺入能大幅提升土体抗压强度。徐科宇[12]和杨擎宇[13]通过试验发现玄武岩纤维的掺入会使红黏土的压缩性变强，同时最终孔隙比随纤维掺入率一直降低；干密度提升后压缩性一直降低。压实土样的收缩，干密度越大抑制收缩能力越强；掺入玄武岩纤维后线缩率、体缩率先减小后增大，0.3%掺入率的玄武岩纤维最能抑制土样收缩。王子翔[14]和汪明武[15]通过无荷膨胀率试验、三轴试验分析玄武岩纤维改良膨胀土的可能性。试验结论表明：玄武岩纤维能有效抑制膨胀土膨胀，在掺量为0.3%时效果最明显，纤维能较小程度提高强度，并能明显改良膨胀土延性，纤维掺量为0.3%时达到改良效果最佳。结合各位学者的研究，发现纤维材料能有效提升特殊土的各项物理力学参数，纤维加筋技术具有较高的研究价值及前景，或可适用于大面积红黏土片区，满足土体路用性能的要求。

1 实验内容

1.1 试验材料

试验所用红黏土取自浙江省常山县黄冈山一带，取土深度2.5～3.5 m。其物理力学指数如表1所示。试验所用玄武岩纤维采购于弄潮复合材料科技有限公司，其物理力学参数见表2，外观如图1。

图1 玄武岩纤维Fig.1 Basalt fiber

表1 红黏土的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of red clay

表2 玄武岩纤维的物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of basalt fibers

1.2 试验方案

对取得的土样严格按照《土工试验规程》[18]，进行击实试验，液、塑限试验等，测得土样的基本物理力学参数。考虑到纤维长度、掺量对红黏土力学性能的影响，采用10组试验进行直接剪切试验、无侧限抗压强度试验。其中第1组试验为素土试验，第2组—第10组分别为掺入不同纤维长度、不同纤维含量的加筋土，具体参数见表3。对上述10组试验进行直剪试验和无侧限抗压试验，最后采用承载板法测试红黏土及纤维加筋红黏土静态回弹模量。

表3 试验分组Table 3 Trial grouping

2 试验结果分析

2.1 直剪试验结果及分析

根据直剪试验的结果可以推算出纤维加筋土体的黏聚力c值和内摩擦角φ值，具体见图2、表4。由图2可以看出，随着纤维的掺入，加筋土体的黏聚力会发生大幅度增加，且内摩擦角也会小幅度上升；从表4可以看出，纤维掺入能使土体的c值提升至未添加纤维土体的1.75～2.12倍，φ值提升至1.02～1.18倍。可能的原因是：随着纤维的掺入，纤维在土体中产生了“锚固”作用，使土体粘结能力得到了提高，从而有效的提升了抗剪能力。此外，从图2看出，纤维掺量超过2‰后，加筋土体的黏聚力发生了下降现象。可能的原因是：纤维的过量掺入发生了“缠绕”反应，破坏了原先稳固的土体结构，在受剪切后丧失了较强的稳定性，从而产生c值不升返降现象。可以发现9 mm纤维长度、2‰掺量为最优掺量，此时的黏聚力、内摩擦角效果最佳。

图2 直剪试验c、φ值对比Fig.2 Comparison of c and φ values in a direct shear test

表4 玻璃纤维土体与素土的c、φ值Table 4 The values of c and φ between glass fiber soil and pure soil

2.2 无侧限抗压试验结果及分析

2.2.1 掺玄武岩纤维红黏土无侧限抗压峰值对比

玄武岩纤维加筋红黏土无侧限抗压强度峰值对比如图3、表5。从图3、表5可以看出，在掺入同长度纤维时，无侧限抗压强度峰值随着纤维含量的增加而增大；掺量相同时，无侧限抗压强度峰值同样随纤维长度的增加而增大。纤维加筋土的qu值是素土qu值的1.49～1.82倍，且在纤维长度为9 mm、掺量为3‰时，qu值达到峰值2.15 MPa。由此可以说明，纤维的掺入对土体的无侧限抗压强度有很明显的提升。可能的原因是：玄武岩纤维比表面积大、分散性极强且抗拉强度好，在制备土样时均匀的分散在土体中，使土体中的孔隙被纤维得以填充。土体、纤维、水分三者的结合，使得土体内部形成了由纤维和土为主体的三维网状结构，该网状结构很好的起到了传导、分散力系的作用，使得土体的抗压能力得到很大的提升。

图3 纤维加筋土无侧限抗压峰值对比Fig.3 Comparison of unconfined compressive peaks in fiber-reinforced soils

表5 纤维加筋土无侧限抗压峰值应力表Table 5 Unconfined peak stress table of fiber-reinforced soil

2.2.2 掺玄武岩纤维红黏土应力—应变关系

掺玄武岩纤维红黏土无侧限抗压试验应力—应变关系如图4、表6所示。由图4可以看出，在同纤维长度的情况下，qu值随纤维掺量的增加而增大，在应变约0%～4%时段，图像存在明显的陡增现象，且纤维含量越高，增幅越大；从峰值过后，曲线呈缓和形态，呈缓慢下降趋势。可能的原因是：在陡增阶段，因单侧受压，力系整体比较均匀，土体内部可承受一定的荷载，在合理荷载内纤维土体产生的“三维空间网状结构”使得土体不易产生破坏，所以应变变化较小，始终保持在合理的应变范围内；随着轴向力的增加直至过载，曲线产生了峰值，在峰值过后，土体内部严重破坏变形，受力也由原先的均匀转变为非均匀，致使应变变化明显，曲线呈现出缓和。同时由图4可以看出纤维红黏土在峰值附近应力存在一小段“平稳期”，说明在此阶段可能产生了残余应力的现象。由表6可以看出掺纤维土体相对应的应变峰值约集中在3.8%～4.2%之间，而在相同条件下，素土的应变峰值集中在2.6%附近，说明纤维的掺入可增强土体的塑性变形能力。

图4 加筋红黏土无侧限应力—应变曲线Fig.4 Unconfined stress-strain curve of reinforced red clay

表6 加筋红黏土无侧限抗压峰值对应应变表Table 6 Unconfined peak compressive strain table of reinforced red clay

2.3 静态回弹模量结果

回弹模量试验结果见表7、表8，由表7、表8计算出红黏土路基静态回弹模量为159.57 MPa，纤维加筋红黏土路基静态回弹模量为171.08 MPa，表明纤维掺入能提高土体回弹模量。

这是家知名的小咖啡馆，店主是名画家，墙上挂着不少文艺复兴时期的仿制品。进门的墙边放着一架老式钢琴，一个十来岁的小男孩坐在钢琴前正全神贯注地弹奏一支肖邦的练习曲。

表7 红黏土路基静态回弹模量试验结果Table 7 Static resilience modulus test results of red clay subgrade

表8 纤维加筋红黏土路基静态回弹模量试验结果Table 8 Test results of static resilience modulus of fiber-reinforced red clay subgrade

3 FLAC3D数值模拟

3.1 材料参数

上述试验已分析出纤维加筋土和红黏土的主要参数，具体材料参数见表9。

表9 材料的计算参数Table 9 Calculating parameters of materials

3.2 基本假定条件

(1)认为地基已经固结，即不再产生沉降变形。

(2)路基土和地基土层为各向同性连续介质，为理想的弹塑性模型，符合摩尔—库伦强度准则。

(3)不考虑气候及孔隙水压力的影响。

3.3 设置计算模型

运用Rhino软件进行三维建模，模型关于路基中心线对称，为简化模型方便计算及分析，取路基横截面半跨，路基宽度为10 m，路基以下为地基土层，路基以上高填方为模拟所需红黏土及纤维红黏土，路基填方高度为16 m，边坡弧度30°，具体计算模型见图5。为了模拟路基沉降，在堆积路基前先对地基进行整平，本次模型建立采取分层填载的方法，共分16层，每分完一层进行一次整平后继续堆载，直至全部堆载完成。最后在顶部施加80×103N均布荷载(如图6)观察应力分布云图、沉降云图；采用FISH语言找出施加均布荷载后的最大沉降点。

图5 计算模型Fig.5 Computational model

图6 均布荷载分布Fig.6 Uniform load distribution

3.4 模拟结果分析

3.4.1 塑性区分析

红黏土路基塑形区与纤维红黏土路基塑性区如图7所示。从图7可以看出红黏土路基在受力后发生了大面积的塑形流动，产生了明显的滑动变形，说明土体发生了严重的受压及受剪切变形破坏，土体大面积失稳；纤维加筋红黏土在受力后仍能保持良好的稳定性，大部分区域未发生塑形变形，仅小部分区域失稳变形。说明纤维加筋土能缓解塑形变形的发生，提高土体的稳定性。

图7 路基塑性区分布云图Fig.7 Subgrade plastic zone distribution program

3.4.2 应力分析

红黏土高填方路基与纤维加筋土高填方路基应力云图如图8。从图8可以看出，红黏土路基与纤维加筋土路基应力分布高度相似，主要呈东北—西南方向均匀分布，应力峰值均出现在地基最深处的左侧。这是由于在路基顶部施加了均布荷载使应力伴随这土层重力堆载下的荷载实现了重分布，从上往下传导力系，最后在最下方应力达到了峰值。另外可以看出，边坡应力由浅部向深部逐渐增加，这是因为边坡能有效缓解应力的分布，应力可以得到扩散，从而使得边坡应力分布均匀。

图8 路基应力zz方向分布云图Fig.8 zz distribution nebulae of subgrade stress

3.4.3 沉降分析

从图9可以看出，在路基顶部施加均布荷载条件下，z方向位移呈现出环状放射分布，变形从左上向右下有序递减，靠近均布荷载处变形最大。红黏土路基位移变形峰值区域明显大于纤维加筋土，相比于纤维加筋土，红黏土路基位移分布更不均匀，可能的原因是：因为施加的均布荷载较大，使得红黏土路基发生了明显的塑性变形，土体发生了滑动变形，使得发生了大面积位移错动，从而导致位移分布不均。

图9 路基z方向位移分布云图Fig.9 Subgrade displacement distribution nebulae in z direction

关键位置节点如图10所示，各节点沉降位移见表10。从图10、表10可以看出，纤维加筋土路基沉降位移远低于红黏土路基，其中最大沉降点红黏土路基为1.748 8 cm，纤维加筋土为0.810 8 cm，沉降位移同比缩小53.64%；从表10可以看出，所测节点加筋土路基沉降位移均小于普通红黏土路基，可以反应出纤维改良土体能有效缓解沉降。

图10 关键节点布控图Fig.10 Key node layout diagram

表10 各节点的沉降位移Table 10 Settlement displacement of each node

4 结论与展望

(1) 纤维加筋土体能大幅提高土体的黏聚力，小幅度提升土体的内摩擦角。纤维的掺入使土体的抗剪能力得到提升。纤维掺入土体能起到“锚固”作用，有效的传导、分解力系，从而增强土体抗变形能力。

(2)通过无侧限抗压试验发现玄武岩纤维能大幅提高土体的无侧限抗压能力，增强土体延性；纤维土体峰值应变得到提升，土体由“脆性”向“塑性”转变。纤维的掺入能有效缓解应力集中现象。

(3)掺入纤维能提高土体的回弹模量，增强土体抗变形能力，提升土体的稳定性。

(4)通过FLAC3D对高边坡红黏土进行建模，发现纤维掺入土体能缓解塑性变形，减缓土体塑性流动，有效缓解应力、位移变化速率，减缓土体沉降。

(5)红黏土在华东地区分布广泛，纤维材料具有价格低廉、抗变形能力强、抗腐蚀等特点，若将纤维加筋技术应用于土体改良将有很好的应用前景，纤维加筋土体能作为合格的路基填料得以使用。