纤维土—一种新的加固材料

纤维土——一种新的加固材料 黄生文 鳊译 (长抄 交通学 院) 【摘要】本文旃连丁纤维土的发展历史 和性蕾 测试情况，舟绍丁它的主要抗点和 加周土 的机 理．并 列举一 项工程 斑甩 实例， 连 一步 说明纤 墟土 作 为一种 新的加 固材 抖 的优 越性． 、 众所周知，为了改善土 的 物 理 力学性 质，可在土中加进一 些 添 加 剂 和 包 裹 物 (InclusiOns)。复 台 材料技术随着加筋混 凝土和水泥的发展而得到较快的发展。在土 中加入水泥 石灰 沥青等添加剂，可获得 刚度很大的复合土，但它的抗拉强度低 ，不能 适应韧性变形。为了获得具有较高抗拉强度 的土，人们进行了许多研究和尝试。法国的 H．Vidal(1963)首先发明了“加筋土 技术。 这种土的加固技术目前在土木工程特别在挡 土墙的建造中已得到 日益广泛的应用。随着 化纤工业的发展，自七十年 代开 始，由于 Handfelt等人的研究，人造纤维开始进入土 木工程领域，其中发展得最快 的首推土工织 、 、 、：^ l号和3号试验的比较表明，路面纹理应 在沥青路面上进行试验更为有效。 4号试验 的结果很为有趣：因 为 用 光 面轮胎 (硬质 的)拖斗车测试显示，在修补细沟槽和处理 裂缝段方面用来改善滑动摩擦阻力比用软质 轮胎斗车测试要明显得多，并且前者得到的 滑动摩擦阻力比20年来一直没有维修过的且 有细淘槽的老路面所测试到的摩擦系数要小 些。车胎与带细沟槽路面的接触减少也许是 引起这一结果的原因。 这个喷射机做出来的路面纹理是通过用 钢 研 磨 介 质以高速度撞击路面的方法得到 48 物。但加筋土的筋条和土工织物都是成层分 布于土体中，为了使土和 加 固材 料充分接 触，构成一种可认为是 “均 匀 的 复 合 材 料，八十年代开始，法国交通运输部路桥维 心实验室 (LCPc)对以土 和 连续的长纤中 构成的复合材料的可行性进行了研究。其后 法国路桥 试 验 中 心 (CER)和 Rouen 模 型建造研究中心 (CECP)、Rhone—Poulenc 纤维拂会及一些企业也参与了这一工作。他 们研究了这种复合材料的性质和应用范围， 特别是成功地解决了施工问题。他们的研究 成果于八 十年代初期先后在法国和其它一些 国家获得专利，并把这种连续纤维与土构成 的基金越 盒名为 盟土 (Texso1)。这种 的。这些微小的粒予打毛和清理水泥或沥青 路面表层，这些表层被油污和其它残积物弄 得很光滑了。上述这一过程是在—段交通封 闭的路面上进行的。研磨介质随着机器的运 动连续地重复落到路面上。机器安装在一辆 卡车上，以便保持一个干净的路面和无尘的 环境。 — — 摘 译 自 ((ROADS & BR]DGES))。 译I刘崇先 (长抄变通学院) 校l张起森 (长社变通学院) 维普资讯 http://www.cqvip.com 纤维土在法国已应用于高速公路路堤、挡土 墙、斜坡稳定等土术工程 中，如里昂至瓦朗 斯的 A 7号高速公路在斜坡稳定方面就广泛 使用了纤维土。 一 、纤维土性能的现场试验 1．通行性试验 在野外一块没有经过压实和其它处理的 砂土上，卡车因轮轴陷 入 砂 土 中而不能行 驶，加入重量百分比不到0．1％的纤维后的 砂土，卡车就能轻而易举地通过。 2．承载力试验 将几吨重的荷载施加在一堆圆锥形的混 合有不到0．1％连续纤维的砂土上，这堆砂 土不仅髓支撑这一荷载，而且只有很小的变 形。 3．抗侵蚀试验 从周围各个方向对约 1m 的 纤 维土体 连续喷射20分钟高压水，结果纤维土体表面 的砂被水冲走，但与此同时，其表面的纤维 丝的密度却增大了，并且最终在表面形成了 一 层有效的抗侵蚀防护层。 二、实验宣研究 1．CBR试验 试验结果表明，单纯的砂土，其承载比 值为37，加入0．1 的连续纤维后，承载比 达到65，加入0．35 的连续纤维后 CBR值 则提高到100。 2．单轴压缩试验 对一些高 20 cm，直径 10 cm的纤维土试 样的单轴压缩试验表明，纤维的抗压强度大 致与纤维含量成正比。纤维含量为 0．I 的 纤维土，其抗压强度为300~400 kPa。 3．三轴试验 对三种不同舶砂、不加纤维和分 别加入 0．14％一O．2 的 连续纤维，分别制成击实 和未经击实的试样， 然 后 作 固结 不 排 水 (cu，三辅剪切试验，结果表明，加了纤维 的试样的内摩擦角并没有增大，但内聚力却 大大增加。对于经过击实的含纤维0．14 一 0．2 的 试样，其内聚力C为150~250 kPa， 疏松且未经击实的试样，其C值小于100 kPa， 而这足以使10m高的墙能 保 持 稳 定。试验 结果还表明，试样破裂时，含纤维试样的轴 向变形比不含纤维试样的轴向变形高得多， 前者轴向变形达6％～8 ，而后者只 有2 ～4％。 4．重复荷载三轴试验 其试验条件为：试样含水量12％，侧压 应力 =50 kPa，动荷载的偏应力 ( l— 3) 与静态剪破时的偏应力 ( 一 )的比值为 0．4—0．46—0．5—0．64}循环作用次数 (振 次)为l0 }频率 循环作用次数 N=200以 下为0．5Hz，N=200~2000时为 1珏 ，N： 2000~10 时为 5 Hz(t Hz=1循环／秒)，纤 维含量为0．2％。 结果显示，试样 轴向累计变形与循环 作用次数N(振次)的对数呈线性增大关系， 最终变形为2 5 一6％。两个含纤维的试样 在经受了l0 振次的重复荷载试验后，在静态 下剪破，结果发现其强度比相应的未受 重复 荷载作用的试样高出55％。这是因为受到重 复荷载作用I的试样，其 固结度 提高了。此 外，含纤维试样的变形模量 E口也要 稍大一 些 可见，在砂土中添加柔软的连续纤维， 在增太其破裂变形的同时可增l大试样的内聚 力。 三、纤维土的主要优点 1．加进纤维并不影响土 的 渗 透 性．因 0．2 的纤维体积l灵占据土体1 左右的孔隙 体积，这是可以忽略不计的。 ’2．从水力学观点看，如采用的纤维丝足 够细，而且与土颗粒均匀混合，那么纤维就 构成了一个结台在土体 中的三维渗流网。因 而可改善颗粒土 内的抗侵蚀能力。因此用纤 维土来加固有水渗流的边坡是 十分合适 。 这一优点也使纤维土在土坝、挡土墙、土坝 维普资讯 http://www.cqvip.com 的排、渗水工程中能有效地改善土体内部的 水稳性。 3．从力学观点看，纤维土 是 一 种 均质 的、非刚性的、不脆裂能适应地基变形的新材 料，这特别适应于因沉降差引起局部变形的 情况。因此纤维土在公路、铁路 基础层、 软弱地基的改善及抗震 建 筑 中 可以大显身 手。 4．由于纤维土中纤维含量很低，需用的 砂土也很便宜，且常可就地取材，因此其工 程费用一般都大大低于其它土的加固方法 四、连续纤维加固±的机理 埋在砂土中的连续纤维是通过粘结力把 纤维和土颗粒粘结在一起的。由于纤维在土 中弯曲地延伸，每荣纤维丝上都有多道弯曲， 当某一段纤维丝处于张拉状态时，整条纤维 丝的各个弯曲带都会发挥出一些摩擦力，从 而提高抗拉强度 该抗拉强度随着作用在纤 维丝上拉力的增大而增大。发挥出来的摩擦 力在一个局部位置尽管很小，但也会起到阻 止纤维滑动酊作用。这种机理好象只需一个 人拿条缆绳绕在泊位的铁 (石)桩上就可固 定住船舶一样。 第二个机理是因为各条纤维丝在土介质 中是错综交织在一起的。如果一个张力作用 在一个交织的结点上，这个张力就会使纤维 产生横向位移，那么它就会立即牵动别的纤 维丝，使其它纤维丝动员起来阻止这种位移。 这样就把一部分应力传递到了其它的纤维丝 上，进而传递到纤维土体的其它各个部位， 从而使局部受到的张力逐渐消散减弱，不致 首先出现局部某一点的破坏。 上述两种机理无论在加筋土还是在短纤 维加固的土体中都是不存在的。连续纤维在 土中的作用-机理与土r织物也是有区别的， 虽然组成土工织 物 的 纤 维丝相互交织在一 起，但土工织物只与 2—3 cm厚的土层有关， 而与土的整体不相作用。 五、纤维±在工程上的应用实恻 法国鲁 昂道路试验中心于1982年冬季首 先在Caudebce—en—Caux镇的边坡工程中使用 了纤维土。该地塞纳河右岸自垩质峭壁上建 造了许多建筑物。由 于 自 垩 强度低，易风 化，加上水的渗 流等因素，天 然 峭 壁 上半 部 6 m高的自垩层经常发生崩塌，致使峭壁 顶 1．5 m宽通向镇 中心的人行道遭到破坏， 附近的建筑物和水、煤气管道也受到严重威 胁。考虑各方面条件后，当局基 定 对 受 塌 方影响较小的下 半 部 6m采 用 加 筋 土 挡 墙，已塌方的上半部 6 m用纤维土填方，重 建一个人工边坡，以防止峭壁进一步坍塌， 人行道就重建在纤维土填方的上部表面 (见 图1)。 ■ ， 圈1 一百圈 该工程采用的河砂粒径小于 5 mill，纤 维材 料 为聚 脂，每条纤维由60根纤维丝组 成，每根纤维丝直径 为 20 纤维土中纤 维重量百分比含量为0．23 。纤维被卷成高 25 cm、直径30 cm的圆筒，每筒重l5 kg。施 工时甩压力为 2— 3巴的压缩空气将砂通过 直径5era、长数十米的橡皮管喷射到工地上， 砂的流量为 6—7 t／u。八卷纤维每四卷放在 一 个封闭的大盒子中，这两个盒子置于一个 升降机的滑架上。纤维以每秒15~20 m的速 度疏解，通过橡皮管从工地上空被高压水喷 维普资讯 http://www.cqvip.com 用于道路和机场工程的纤维混凝土 【摘薹】车丈舟绍了纤维混蓑土在苏联的一些应用情况，并对其镧备方法、力学 性能 渊试情况盈经济效益进行了筒洼． 目前，国外和苏联在建筑结构 (薄壳、 壁板、飞机场和道路面板)和整体式纤维混 凝土建筑工程的计算、设计和生产工艺方面 积累了一定的经验。这些工程主要采用钢纤 维，用玻璃纤维的比较少。 在道路和飞机场工程中，纤维混凝土可 用于修建跑道、桥和跨线桥桥面，也可用于 隧道工程 (制作管片、建造整体式隧道衬砌 等)，这 已为国外的实践所证明。 以不同的纤维加强并采用多次挤压、动 力振动碾压和振动等方法压实的纤维混凝土 的物理力学指标，现在全苏建筑工程函授学 院、混凝土和钢筋混凝土科学研究所共同进 行研究。采用了以下材料来加 强 混 凝土； Ⅱ卜 15)'KT型耐碱玻璃纤维，YKH--5000型 碳素纤维和T，6O6—453—78规定的高模 数合成纤维。 用玻多里斯克工厂生产的 400号波特兰 水泥和粒 度 模 量 为2．7、河 砂 采 用 多次挤 压法制备棍台物，28天后水泥的抗压强度为 36．5MPa，抗拉强度为5．3MPa 各种压实方 法的灰砂比均取 1；1，为了获得抗压强度为 35,~40MPa的样件，水灰比采用0．33"-- 0．4o纤维含量 占棍台物重量的1％一1．5 。 除了用10"--15和20",--25mm (各占50％) 长的纤维加强的尺 寸 为 100×100×400mm 射到工地上 工地上只需一人拿着喷砂橡皮 管，一人拿着喷纤维的橡皮管在工她上来回 掠过，使纤维较均匀地分布到砂土 中，从而 逐渐重建起一个纤维土边坡。施工中要求水 流量为砂流量的10％左右，这样可使填土最 为紧密。该卫程施工时气候恶劣，在两个多 月的旌工中，纤维土填方 表 面 来作任何处 理。经风吹雨打，建 成 的 边坡只是表面有 5—1O mm的砂被最初的几场大雨冲剧掉。 由于表面 的砂 粒 被剥蚀，纤维表面密度增 大，从而防止了边坡进一步被剥蚀。两个月 后，在用纤维土建起的斜坡上种植草皮，人 行道上铺上沥青，使斜坡与环境融为一体。 综上所述，纤维土是一种 均 质、强度 高、非刚性的新加固材料，此外，它与砂土 混台后并不影响砂土的渗透性。这些性质是 现今土木工程中采用的任何其它材料都不完 全具备的。特别是它可用来建造一些对水非 常灵敏的重要工程，作为建筑物基础层的纤 维土，在地基有较大轴向变形的情况下，它 髓保证上部结构的安全。同时采用纤维土还 可降低工程造价。因此纤维土的发明和应用 是土木工程技术上的一个重大进步，具有广 阔的应用前景。 参 考 文 献 【l】 E．Lefla~．ve，M ．Khay， J-C．Blivet(1983) ． Un nouveau mat~riaul Le Texso1． Bull L is。n Labo．P．et ch．’125，ma iuinI E23 H ．Perrier， C．Blivet，M．Khay (1986)。 Stabmsa on de tal~s par renforcement tout textile~ ouvr~ges ex!~rimeatal et ree1．C ． R．1 Congr．int．G~otextiles．Vienne。 ． avH1，Vo1．II [3】 H ．Gray(1983)．Mechanlcs of fiber rein~or． cement in sand，J．Geotechaical Eagiaeering， VDl1舳 N ． 51 维普资讯 http://www.cqvip.com