纤维加筋土技术文献综述-revised

1文献综述题目：纤维加筋土技术指导教师：刘志彬小组成员：靳昕杨子安潘楷阳崔初阳22015-04-101纤维加筋土技术摘要：介绍纤维加筋土的定义、作用机理、优点。同时介绍纤维加筋材料的分类以及加筋材料和含水率对纤维加筋土强度的影响关键词：纤维加筋土加筋材料含水率TechnologyoffiberreinforcedsoilAbstract：Thispaperbrieflyintroducesthebasicsoffiberreinforcedsoil,workingmechanismandbenefitsoffiberreinforcedsoil.AlsointroducetheclassificationofthefiberreinforcedmaterialsandtheinfluenceofreinforcementmaterialsandmoisturecontentonthefiberreinforcedsoilstrengthKeywords：fiberreinforcedsoilreinforcedmaterialwatercontent1背景加筋土技术由法国工程师亨利·维达尔在20世纪60年代初发明,1964～1965年在法国比利牛斯山区的普拉聂尔建成第一座加筋土工程,1966年获得法国专利,1979年加筋土技术传到我国。矿业系统在云南修建了一座高2m的储煤仓下挡土墙,这是我国修建的第一座加筋土结构物。1980年以后,相继修建了大量加筋土工程,逐步在公路、水运、铁路、矿山和水利工程中试用,【1】近几年在公路建设和水利、矿山工程建设中的软弱地基处理和挡土结构中应用较多,取得了巨大的经济和社会效益,加筋土工程的设计计算理论和施工技术也日臻成熟。2定义纤维土加筋是将连续的纤维丝或者有一定长度的短纤维丝采用机械、气压或水压等方式随机地掺入到土中，形成加筋土。由于纤维的作用，使加筋土体形成三维结构，它的整体性将会增强，强度会增大，抗冲性能也会得到加强，此外，由于纤维具有较高的抗拉强度和较大的延伸率，也能使纤维土具有一定的韧性。关于纤维土的研究和正式的应用，大约始于上世纪七十年代。1969年法国工程师H维达尔(Vidal)发表了关于加筋土原理的文章。他将延伸性小的金属条带埋在土内,和土构成一种复合材料,依靠条带与土接触界面上的摩阻力,限制土体侧向膨胀,增加土强度,从而达到提高土体稳定性的目的。这样加筋的2土体,在布置筋条的方向上强度明显增大,但是在其它方向上没有显著效果,甚至有所减弱。更清楚的是,此种复合材料将呈各向异性,因此,传统的适用于均质土体的土力学设计计算方法在此可能不便采用。【2】在1973~1976年，法国道桥中心和瑞士Battle学院合作，对短纤维与砂的混合物进行了研究。目前，纤维土技术已应用于多种土木工程中，如挡土结构、路堤、以及路基的稳定结构等。3作用机理纤维的加筋效果主要取决于纤维—土界面的力学作用。为了研究聚丙烯纤维在不同的土介质中筋/土界面间的微观力学作用机理，唐朝生等运用扫描电子显微镜(SEM)分别分析了纤维在素土、水泥土和石灰土中的表面形态学特征及筋/土界面之间力的产生和传递过程。分析结果显示:纤维的加筋效果取决于筋/土界面作用强度，筋/土界面之间的力学作用主要两种形式:即摩擦力和黏结力。界面摩擦力的大小除了与土的颗粒形状以及级配有关外，还取决于界面摩擦系数、界面有效接触面积、土的含水率和正压力大小等因素，而界面黏结力的大小则主要取决于土中黏粒含量和天然胶结物质特性等因素。在纤维加筋素土中，筋/土界面作用力主要来自纤维表面与黏土颗粒的相互作用;在纤维加筋水泥土中，纤维主要与水泥水化产物发生作用，筋/土界面作用力以黏结力为主;在纤维加筋石灰土中，纤维表面发生严重的挤压变形，筋/土界面作用力以摩擦力为主。【3】为了定量获得纤维—土界面的作用力大小，唐朝生等以及Tang等研发了一套单根纤维拉拔试验装置，分别对不同含水率、干密度和水泥掺量及养护龄期的单根纤维加筋土试样开展了一系列拉拔试。发现:(1)筋/土界面剪切强度随含水率的增加而减小。这主要是因为试样中的水分对界面作用有一定的润滑作用，会减小筋/土界面的摩擦系数，含水率越高，润滑作用越明显。此外，随着含水率的增加，黏土颗粒的水化程度提高，水化膜变厚，拉拔过程中界面土颗粒重排所需克服的摩擦功也相应减小。(2)筋/土界面剪切强度随干密度的增加而增大。这主要是因为干密度越大，压实土样时所需的正压力也越大，则界面上土体颗粒与纤维之间的作用力越强。此外，干密度大的土样孔隙比小，土体颗粒与纤维表面的有效接触面积因此增加，界面作用力也会增大。(3)筋/土界面剪3切强度随水泥掺量和养护龄期的增加而增加，且水泥土中筋/土界面剪切强度远远高于素土。这主要是因为水泥的水化产物相对黏土颗粒具有很高的黏结强度，能极大改善界面的力学作用关系，而水泥的水化产物随龄期的增加而增加。根据界面剪切强度和纤维的抗拉强度，他们还提出了纤维临界加筋长度的确定方法，这对指导纤维加筋土工程实践有一定意义。4加筋土的优点在纤维加筋土工程性质方面，纤维加筋能有效提高土体的抗剪、抗压、抗拉强度和承载力，增加土体的破坏韧性和渗透性，降低膨胀土的胀缩性和裂隙发育程度。【4】5纤维加筋材料的分类目前在土体工程中得到应用的纤维加筋材料可分为两大类:人工合成纤维和自然纤维。人工合成纤维的产品种类非常多，常见的有聚丙烯、聚酰胺(尼龙)、聚酯、聚乙烯、高弹膜聚乙烯醇、聚丙烯腈(腈纶)、聚氯乙烯纤维、碳纤维、钢纤维、玻璃纤维、石棉纤维等。目前工程中最常用的为聚丙烯纤维，它是以丙烯(化学式CH3—CH=CH2)为原材料，通过特殊工艺聚合而成的高分子化合物，具有高强度、耐热、耐酸碱、不吸水等特性。【5】Maher等、Alrashidi等、Akbulut等、李广信和陈轮在试验中就采用了聚丙烯纤维作为加筋材料，取得了较好的结果。Akbulut等在试验中还采用了聚乙烯纤维。值得一提的是，从保护环境和废物利用的角度而言，不少学者在试验中所采用的聚乙烯纤维都来自回收的塑料，但是Cavey等考虑到纤维的品质和加筋效果，不提倡采用回收的塑料作为加工聚乙烯纤维的原料。李广信和陈轮、Kumar等在试验中采用了聚酯纤维作为加筋材料。此外，少量学者还使用了玻璃纤维、废弃的橡胶等作为加筋材料。自然纤维由于具有成本低、易降解、绿色环保等优点，也得到了许多学者的青睐，并在实际工程中得到应用。实际上，在人工合成纤维问世之前，人类已经开始利用树枝、竹子、芦苇、稻草、秸秆等自然材料加固土体工程，且这种加筋技术可追溯到几千年前。如中国的古长城、中东的米索不达米亚填土堤、罗马的Londimium港码头等都用到自然加筋材料来提高结构的力学性能。在我国一些偏远地区，人们依然沿用这一技术，在土体中加入芦苇、麦秸或稻草，经过夯实后用来建造土堤和房子。目前在文献中研究的较多的主要有剑麻纤维，剑麻纤4维主要物质成分为纤维素，它耐碱不耐酸，遇酸易被水解而强度降低。Ghavami等还研究了竹纤维、椰壳纤维的物理力学性能;Basha等以稻壳(ricehuskash)作为土壤增强材料剂;Khattak等、Alrashidi等采用纤维素加工纤维(PCF)作为加筋材料。上述研究都取得了较好的试验结果，验证了自然加筋材料在提高土体力学性质方面的有效性。6纤维种类和含量对加筋效果的影响(1)纤维的类型。在新研究的问题中采用了两种纤维形式：即土工合成材料纤维(fiber)和土工合成材料网片(mesh)。其特征可以用长宽比(AR)来表示。对于纤维(fiber)，AR=20，而对于网片(mesh)，AR=10，结果表明，AR=10网片的加筋效果要优于AR=20的纤维效果，究其原因，可能是网片加筋具有较好的咬合效应，而且在试样的长度方向具有较好的孔隙压力消散条件。【6】(2)纤维的含量。从中可以看出，当纤维网片掺量为0%，即无加筋时，粉煤灰土在不多的循环应力次数(约70~80次)下就发生液化。但加筋后，则抗液化能力大幅度提高了。但这种提高与掺量也有关：若以180次应力循环为例，掺量为0.5%、2%和6%时，其液化度(孔隙压力比)各为100%、80%和43%7纤维加筋土试验成果分析(1)含水率的影响试样除含水率外，其他试验初始条件均相同，结果表明，强度对含水率变化很敏感，当含水率由天然含水率(14.2%)升高至18%时，抗剪强度降低。(2)压实度的影响(1)应变较小时(2%)，压实度大的，应力应变曲线的斜率相应也增大；但当应变较大时(2%)，两种压实度的情况趋于一致。(2)无侧限抗压强度随压实度的增大而提高，纤维土填筑施工中，提高压实度也是增大强度的途径之一。(3)纤维掺量的影响当应变较小时(2%)，随着纤维掺量的增大，ｄ（σ１－σ３）／ｄεｉ反而下降；但当应变较大时(2%)，ｄ（σ１－σ３）／ｄεｉ随纤维掺量的增大而明显提高，说明只有当土体变形较大时，纤维与土的摩擦才发挥作用，使土体强度有较大提高。(4)试样尺寸对不排水强度的影响两试样纤维掺量均为1%，含水率均18.2%5压实度均为98%，试样尺寸分别为101mm*200mm和39.1mm*80mm。试验表明，小试样的强度较大试样强度高。纤维加筋土强度受试样尺寸的影响，试样强度随试样尺寸的增大而减小。屈服点应变前，大、小试样的应力应变曲线是重合的，在不考虑试样加载初期非线性变形的情况下，尺寸对屈服前的变形特性没有明显的影响，说明弹性模量、屈服应变受试样尺寸大小的影响较小。但尺寸效应对无侧限抗压强度σｆ的影响较大，尤其对掺量为３％的小尺寸试样(直径39.1mm)，各向异性及分层现象较严重。7发展前景土工合成材料(Geosynthetics)广泛应用于现代岩土工程是在20世纪中期以后,最初以土工织物(Geatextile)和土工膜(Geomembrane)最具代表性.随着高分子化学工业飞速发展,合成纤维新品种和高分子合成新型材料不断出现,已超越了最初土工织物的范畴.目前,土工合成新材料中,具有代表性的有土工格栅(Geogrid)、土工网(Geonet,Geoweb)等和其组合产品.在近20年中,这类材料相继在岩土工程中应用获得成功,成为建材领域中继木材、钢材和水泥之后的第四大类材料,并被誉为岩土工程领域的一次“革命”。【7】通过对土工合成材料近年来在岩土工程中应用、设计与进展的介绍,可得出如下意见:1．土工合成材料,尤其是新型的合成型材料,如土工格栅等,在现代岩土工程加筋土技术中占有越来越重要地位.由于其材料特性和价格上的双重优势,应用前景广泛。2．合成材料加筋土技术在MSEW和RSS中的应用相对比较成熟,设计原理与方法的进一步研究和完善,为其应用提供了坚实的理论支持,进一步发展势在必然。【8】3.合成材料应用于路基加固应充分考虑合成材料与路基材料的相对刚度,新型土工格栅等合成材料具有相对较高的模量,加之价格上的优势,对路基中合成材料的加筋加固技术将起推进作用。4．软基表面铺设合成材料,对降低填土结构不均匀沉降十分有效,对软基承载力提高和填土结构的整体滑动的稳定性也有一定的贡献.5．原位边坡加固采用新型合成材料,如土工棒和土工格栅配合使用,与传统6土钉技术相类似,随着材料特性提高和施工工艺完善,将有效拓展合成材料的应用领域。【9】6．FRS技术在近几年的研究有了较快发展,尤其是DRDF加筋土复合机理研究的最新成果,为随机分布纤维加筋土技术的应用水平提高奠定了技术基础。参考文献：【1】周晖，吴建奇。加筋土技术研究现状及发展趋势。湖州2005【2】包承纲,丁金华。纤维加筋土的研究和工程应用。长江科学院，武汉430010【3】唐朝生,施斌，顾凯。纤维加筋土中筋土界面相互作用的微观研究。南京210093【4】刘宝生,唐朝生,李建,王德银,朱昆,唐伟。纤维加筋土工程性质研究进展。南京210046【5】王正宏．对一种纤维土工程性状的探讨。北京【6】蔡宁，陈红；土工合成材料在工程中的应用。工程研究，1995【7】简述土工合成材料在工程中