广州大学 广东广州 510006
摘要：纤维加筋土是一类新型的复合加筋工程材料，主要是通过往不同类型的土中加入具有一定抗拉强度的纤维使其二者结合，以此增强整体的强度。纤维加筋土的物理力学性能主要取决于加筋材料的抗拉伸情况以及其与土体之间的界面相互作用。
关键词：纤维加筋土；复合材料；力学特性
0纤维加筋土概述
在现有的研究当中，国内外的研究者对于纤维加筋土的研究主要集中在其加固特殊土体的强度以及稳定性上。实验结果表明，纤维加筋土的强度以及本构关系主要取决于无机结合料和纤维的配合比，通过无机结合料稳定的土体在加入纤维之后，其强度得到了明显的提升，同时也增强了其抗裂性。与此同时，往土中加入纤维可以有效地提高其抗冻能力。对于膨胀土，降低了土的膨胀率。一般加筋土是通过在土体中加入条状或者带状的金属或非金属材料，必须按照设计的位置进行布置，只能说是在某种程度上阻止土体的侧向位移，但是纤维加筋土中的纤维是随机加入的，然后进行随机搅拌，纤维会布置在土体的各个位置，对土体每个方向的位移都有限制作用。所以与一般加筋土相比，纤维加筋土能够更好地增强土体的强度等性能。上个世纪60年代，法国建筑师Henri Vidal 提出了现代加筋土理念，并成功设计了世界上第一个加筋挡土墙之后，各国科学家对土工加筋技术进行了深入的研究。在我国古代，充满智慧的劳动人民就在土中加入秸秆、枯草等天然的纤维来增强土的强度和稳定性，用于房屋等建筑物的墙体。现在由于纤维加筋土理念和技术的发展，以及纤维土的低成本、易施工、环保等特点，纤维加筋土被认为是一种较好的改善土体性能的技术，对于纤维加力下，加筋和未加筋砂土破坏时的水平位移也相当。然而，纤维增强剂可以减少土体脆性，提供峰值后强度的较小损失。因此，掺入纤维使砂土的残余剪切强度得到了增加。Shukla SK等人进行了一系列的实验得到了一个可以分析不同反应力下纤维增强土体抗剪强度的模型。研究发现，纤维的存在对土抗剪强度的提高有明显的贡献，而正应力的增加对剪切强度的贡献是有限的。该模型表明，剪切强度的增加符合以前文献中所述的变化趋势。
1纤维加筋土的静力学特性
通过实验测得土体抗剪强度的方法主要是三轴压缩试验和直接剪切试验，这两种方法最为常用。以往试验分析了相同土体下不同种类的纤维对土体抗剪强度的影响和不同纤维用量、不同纤维长度、直径等对土体抗剪强度增强的影响。Welker和Josten的研究表明，聚酯纤维加筋无黏性土可以明显提高土体的抗剪强度和残余剪切强度，试验在最佳含水率条件下进行，最终确定实验最佳纤维加入量为0.2%。随着砂的密度的降低，内摩擦角的提高幅度会明显增大一些。将聚丙烯纤维加入砂性土中可有效提高其抗剪强度。Maliakal研究了往粘土中随机掺加椰壳纤维以增强其抗剪强度的影响规律。Estabragh研究了离散棕纤维以及尼龙纤维对任意加筋粘土固结和剪切性能的影响。韩春鹏等研究了在冻融循环作用下，聚丙烯纤维土抗剪强度的变化情况。Akbulut等研究了聚丙烯纤维加筋粘性土抗剪强度，发现在一定的纤维掺量以及纤维长度下，会使得聚丙烯纤维土的抗剪强度发生变化。试验结果表明，纤维增强对砂土的峰值抗剪强度和初始刚度没有显著影响。在相同垂直正应上述的研究已经表明，在土体中加入纤维可以提高土的无侧限抗压强度，添加剂的使用可以使纤维的作用更加明显。在岩土工程中，土体在干燥环境中由于张拉应力的作用会产生张拉裂缝，是常见的病害之一，张拉裂缝的存在会对岩土工程、路基边坡工程、水利工程等产生较大的负面影响。尽管土体的抗拉强度比较小，难以精确测量。但为了减少工程病害，近年来不少学者开始研究土体的抗拉强度特性，研究已经表明，纤维加筋是一种有效的工程措施。纤维加筋土的抗拉强度主要来源于纤维与土体的界面抗剪强度。纤维加筋土在进行抗拉试验时不会表现出脆性破坏，而是出现了“裂而不断”的现象，抗拉强度大幅度增强。
Sobhan和Mashnad研究发现纤维增强了纤维土的抗拉强度和抗折强度[1]。Harianto等的干燥试验结果指出了纤维的拉筋作用可以减少压实试样的的表面裂隙数量降低其体积收缩应变[2]。也有研究表明，纤维的长度对于土体的抗拉强度的有着明显的影响，纤维的形状对土体的抗拉强度也有一定影响。Oliveira PJV等人的研究[3]比较了钢纤维和聚丙烯纤维的加筋效果，进行了无侧限抗压强度，直接拉伸强度，劈裂抗拉强度和弯曲强度试验。结果表明，纤维增强复合材料的脆性降低，韧性最高的是聚丙烯纤维。试验表明，纤维在土-粘结剂浆中的影响取决于纤维的类型和破坏机理，即每种试验所施加的应变水平。经过国内外学者的研究可以发现，纤维加筋有效增强了土的抗拉强度，在一定程度上抑制了土体裂纹的发展。
2纤维加筋土的动力学特性研究
目前为止，国内外的学者都已经证实，在静荷载作用下，纤维加筋对土体的抗拉、抗压、抗剪强度都有明显的增强，有效的抑制了土体膨胀。但是纤维加筋土的动力学特性研究却不多。最早开始的是纤维加筋对砂土的动力特性影响的研究，美国学者Maher和Wood对随机纤维中沙的动模量和阻尼特性的研究表明，纤维加筋改善了砂土的动力特性。进一步研究又发现纤维加筋可以增强粘性土的动强度和动模量。在之后的研究中，Boominathan和Hari对纤维加筋粉煤灰进行了研究，研究发现粉煤灰的抗液化强度有所提高。Jamshidi等对加筋细砂的动力学研究中发现，纤维加筋可以明显提高其动力学性能和板桩挡土墙的变形特性。现有的研究还不够充分，只是简单证明了纤维加筋可以减小动荷载的破坏作用，并且只对砂土、粉煤灰、粘性土和细沙等进行了研究。在研究方法上还有待提高。
3纤维加筋土的变形特性研究
研究纤维加筋土的变形特性是为了保证土工构造物的稳定性，确保工程的安全。素土在破坏时呈现明显的剪切破坏，纤维加筋土的变形特性与素土类似，但两者的破坏裂缝有着明显的区别，素土的破坏裂缝较宽较长，而纤维加筋土的裂缝较短较细，裂而不断。纤维加筋能够明显减小土体的张拉裂缝。对于膨胀土而言，只有在土体应变较大时纤维才会发挥作用，破坏模式主要有中部或底部鼓胀、竖向裂缝密集分布、剪切带处试样剥离与脱落等局部破坏模式。纤维形状以及试样龄期对加筋土的变形特性也有一定的影响，研究表明，环状纤维加筋土的最大应变要比一般加筋土要大；龄期短的试样没有明显的破裂面，而龄期长的试件具有明显的脆性破坏。
4结束语
近年来，我国交通行业发展飞速，相应的对于工程结构的要求也更为严格。土工合成材料被广泛应用于各类土工构造物之中。纤维加筋土体以提高其物理力学性能使其能满足高标准的工程需求。对于往土中加入拉筋、格栅等加筋材料的研究主要集中在提高结构整体的安全性以及稳定性上，而在土中掺加短切纤维可以使得土体的力学材料性能得到提高，并且由于短纤维掺加的离散性，使得纤维材料整体是各向同性的，这与铺陈拉筋等有所不同。
参考文献
[1]符冠华,卢拥军.土工合成材料在改造旧水泥路面中的应用研究[J].土木工程学报, 2002, 35(1): 57-61.
[2]韩春鹏,何钰龙,申杨凡,等.冻融作用下纤维土抗剪强度影响因素试验研究[J].铁道科学与工程学报, 2015, 02: 275-281.
[3]刘威,孙海龙,李绍才,等.加筋纤维类型及用量对薄层土体抗剪强度的影响[J].中国水土保持, 2011, (10) : 58-60.
作者简介：李晨(1997-)，女，汉族，江西鹰潭人，广州大学硕士研究生，研究方向：岩土工程