纤维土的试验研究：性能及应用实践

纤维土的试验研究大多仍集中于砂土，关于黏性土的试验较少。最近，长江科学院对高塑性膨胀土的纤维加筋进行了研究。本节先简单介绍以往国内外若干较为典型的试验成果。

法国道桥中心研究所进行了纯砂和不同配合比纤维土的室内试验，包括CBR试验、无侧限抗压强度试验、三轴饱和固结排水试验等，研究成果表明：相对纯砂而言，掺入1‰的纤维可使CBR值提高1.76倍，掺入3.5‰时则可提高2.7倍；无侧限抗压强度随纤维掺入量的增大而呈线性增长；三轴试验得到1‰纤维配合比产生的平均黏聚力可达104～166kPa，远远高于其他加筋材料所能产生的似黏聚力，且纤维土的φ角同无加筋土的基本相同。

英国布拉德福德大学对不同强度土工格栅加筋砂挡墙和两种聚酯纤维加筋砂挡墙进行了室内模型试验，从改善竖向变形和挡墙墙面承受水平力两方面对比分析了格栅加筋和纤维加筋的效果。认为连续纤维丝加筋对减小竖直压力下砂土的竖向变形有明显效果（图5.51），当采用直径0.2mm、配合比2‰的纤维加筋土时，其最大沉降仅有无加筋土沉降的11%～21%，纤维直径为0.6mm时的差别不大。相对而言，采用土工格栅时的竖向变形（图5.52）要比纤维高出约2倍（图5.53）。另一方面，连续纤维可以减少50%～70%的墙面所受横向力，也优于土工格栅（图5.50）。

图5.51　纤维丝加筋后施加竖向压力的垂直沉降

（a）0.2mm纤维丝；（b）0.6mm纤维丝

英国R.B.Weerasinghe和A.F.L.Hyde采用直径0.17mm的聚酯纤维进行了不同配合比条件下加筋砂的排水三轴试验（图5.55、图5.56），结果表明：掺入2‰的纤维即可使峰值抗剪强度提高60%；纤维加筋土的残余应力高于不加筋砂，即使破坏后，纤维土仍能承受相当的拉伸荷载，从而增大了土体的残余抗剪强度；纤维加筋后，可使松散砂和密实砂的内摩擦角分别提高7°和5°。

图5.52　SS3土工格栅加筋后施加竖向压力的垂直沉降

图5.53　纤维丝和土工格栅竖向加载时的垂直沉降比较

图5.54　竖向加载时纤维丝对墙面的水平力(https://www.xing528.com)

（a）0.2mm纤维丝；（b）0.6mm纤维丝

国内王正宏进行了聚丙烯网片加筋砂和黏性土的三轴试验，同样得到了相似的结论。加入网片后，强度包线基本平行于未掺网片土的强度包线，即内摩擦角的变化不大，但黏聚力C有明显增加，且掺入量越大，C值越大；另外，王正宏还从土的韧性和脆性方面分析了网片加筋的效果，从图5.57可见，网片掺入量越大，相应于峰值的轴向应变越大，说明掺入量越大，土的韧性越显著。大比尺室内模型试验还得出，砂中加入2‰和6‰的网片后，承载力可分别提高到原来的1.41倍和3.30倍，且约束了水平方向的位移，竖向沉降趋于均匀（王正宏，1990）。

图5.55　应力应变关系曲线（围压500kPa）（R.B.Weerasinghe和A.F.L.Hyde）

图5.56　破坏包络线（R.B.Weerasinghe和A.F.L.Hyde）

图5.57　网片不同掺入量的强度比较（王正宏）

清华大学李广信等从20世纪80年代即开始对纤维加筋黏性土的力学性质进行了较为系统的试验研究，包括抗剪强度、抗拉强度、极限拉应变、断裂韧度、抗水力劈裂、抗冲刷性等多个方面。单轴拉伸试验以及厚壁圆筒试验等均得到了相似的试验成果，在此仅列举若干典型的纤维加筋黏性土的水力特性试验成果。根据水力劈裂试验成果（表5.5），纤维加筋可以改善黏性土的抗水力劈裂性能，表现在可以限制土体开裂的范围（但不能制止土体开裂），并使复合土体具有一定的自愈能力。当发生水力劈裂时，土体结构不会被破坏，且可以承受更大的水压力（李广信，1995）。

表5.5　素土和加筋土试样的致裂水压力uif（李广信）　单位：kPa

抗冲刷试验反映出以下几点成果：纤维加筋能大幅提高砂土的抗冲刷能力；在纤维含量不变的情况下，增加纤维长度能够提高其抗冲刷能力。试验表明，纤维对于提高土体抗冲刷能力所起的作用主要为锚固土体在迎水面与土颗粒联合形成复合网垫减缓水流冲击速度，并起到反滤排水作用；在水流作用下，大多数土粒最终只能从加筋土坡底部流出。