CN102011394B - 一种聚丙烯纤维加固风积沙土的方法 - Google Patents

Abstract

一种聚丙烯纤维加固风积沙土的方法，步骤如下：制备纤维风积沙土材料选取：聚丙烯纤维规格18mm，纤维配合量为0.3％，采用风干风积沙或含水量为重量比11.2％的风积沙土；按以上配比方案，通过喷射将很细的土工合成纤维同风积沙土土颗粒紧密的掺合，充分混合，使纤维近似与风积沙土呈三维空间复合结构；将喷射好的复合纤维风积沙土采用机械压实，压实方法及标准与一般土相同，使风积沙土达到标准击实密度的100％，以使纤维风积沙土最为紧密。本方法在土坝、挡土墙、土坝的排水工程中能有效地改善土体内部的水稳性，明显改善土体的抗剪和抗拉强度，并且施工过程简单；由于纤维风积沙土中纤维含量很低，具有廉价性和环保性的优点。

Description

一种聚丙烯纤维加固风积沙土的方法

技术领域

本发明涉及岩土工程中土体加固领域，具体涉及一种聚丙烯纤维加固风积沙土的方法。

背景技术

风积沙土是一种工程性能极差的不良地基土，具有诸多方面的工程危害性。目前，岩土工程中对于风积沙土改良处理问题研究采用加筋方法，一般多为水平向加筋方法，而很少从三维空间加筋机理角度对风积沙土其进行有效的加固与工程处理。一般传统水平加筋方法使用的材料多为带状或网状筋条，筋条在土中大都是水平定向排列，因而只能控制土体的侧向变位，不能够彻底的根治风积沙土工程危害。这种风积沙土的新型纤维加筋方法，可以解决土工织物、土工布等水平加筋材料在性能上的缺陷，改变一般风积沙土加筋方法在土体中形成一些潜在的软弱面、施工不良或后期受荷引起水平加筋面的破损和不能抑制除侧向变位以外其他方向可能出现变形破坏的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法，使经聚丙烯纤维加固的风积沙土，当受外力作用，纤维与土体间的摩阻力或咬合力和纤维间弯曲交织的嵌锁力，共同形成的三维空间网状骨架结构，产生纤维对土体的空间约束作用，构成三维空间复合体，整体共同受力、协调变形，属于体积补强。纤维与土体建构的空间约束力可以提高土体破坏应变和抗拉能力，限制土体侧向变形，提高土体强度和整体稳定性。因此，纤维的掺入可以很好地改善风积沙的工程性质。

本发明是这样实现的：步骤如下：

1)制备纤维风积沙土材料选取：聚丙烯纤维规格18mm，纤维配合量为0.3％，采用风干风积沙或含水量重量比为11.2％的风积沙土。

2)按步骤1的配比方案，通过喷射将很细的土工合成纤维同风积沙土土颗粒紧密的掺合，充分混合，使纤维近似与风积沙土呈三维空间复合结构。

3)将喷射好的复合纤维风积沙土直接采用机械压实，压实方法及标准与一般土相同，使风积沙土的密实度达到标准击实密度的100％，以使纤维风积沙土最为紧密。

其中，对于步骤1中含水量为11.2％的风积沙土的情况，需采用包边处理，以达到风积沙土地基处理的强度及整体稳定性的要求；纤维配合量是指纤维重量与风干风积沙土重量的百分比。

所述的呈三维空间复合结构是通过在风积沙土中加入一定比例聚丙烯纤维来加固风积沙土而形成三维空间复合体，对于纤维这种随机分布三维空间复合加筋方法，聚丙烯纤维均匀且无规则分布在风积沙土中，因此聚丙烯纤维风积沙土不仅可以限制风积沙土的侧向变形，也可以控制风积沙土的竖向变形，以及可以限制各个方向可能出现的变形，它具有一般加筋风积沙土所没有近似各向同性的力学性质以及良好的工程特性；具体为把聚丙烯纤维加固风积沙土厚H由上往下分层，层厚为ΔH，共分N层，当受外力作用时，由于层与层之间纤维的联结，必然受到上一层土体的牵制，使其不能变形，依次类推，从上到下一层一层牵制下去，使得下一层土体对上一层土体有着制约作用，这种层层的连锁制约束，就可使土体变形减小，整体稳定性增强，从而起到控制变形的作用。

本发明具有以下有益效果：

土工合成纤维土技术作为一种新型的土工加筋技术，具有其自身的特点和优越性。它可以用于整治边坡、修建挡墙、加固路堤、处理软基、抵抗冲击、降低噪声等作用。

1.纤维处治风积沙土在力学方面和水力学方面都表现出优越性。在力学性质方面，纤维风积沙土所用的材料是具有较高抗拉强度的聚丙烯纤维，在纤维风积沙土中，纤维的分布是随机的，可以认为是多方向、全方位的，可以限制各个方向可能出现的变形，这使纤维风积沙土表现出明显的各向同性的特点，从而使纤维风积沙土技术在工程应用中具有良好的工程性，可以应用于三维工程结构中。从力学观点看，纤维风积沙土是一种均质的、非刚性的、不脆裂能适应地基变形的新材料，这点特别适应于因沉降差引起局部变形的情况。纤维这种材料，在静态荷载和重复荷载作用下，能改善应力传播和应变分布，从而较好地改善土的受力性能，避免土体形变过程中的不连续性。因此，在公路、铁路的基础层、软弱地基的改善及抗震建筑中可以大显身手。从水力学观点看，很细的纤维丝与土颗粒混合，构成了一个结合在土体中的三维渗流网。因而可改善土颗粒内的抗侵蚀能力。因此用纤维风积沙土来加固有水渗流的边坡是十分合适的。这一优点也使纤维土在土坝、挡土墙、土坝的排(渗)水工程中能有效地改善土体内部的水稳性。

2.聚丙烯纤维以其高强度与风积沙土良好的结合性，使纤维起到很好的加筋作用，明显改善土体的抗剪和抗拉强度，其后期强度也有明显提高。除此之外，纤维还可以减少土样峰值强度损失，增加土样破坏后的残余强度，提高土样的破坏韧性，显著提高土体的粘聚力，增强土体的塑性，限制风积沙土变形，提高土体的强度和工程性质。

3.纤维风积沙土与其他方式加筋土相比，施工过程简单；与石灰土、水泥土相比，拌合时也不会对人体产生危害；压实方法及标准与一般土相同。不仅适合于风积沙土，而且也适用于一般类土，或是竖向变形较大的冻土、湿陷性黄土、砂性土、软土和膨胀土等领域，不仅适用于这些土的房屋地基加固，而且也适合于铁路、公路等路堤填方工程中，随着化纤工业的发展，一些物美价廉的化纤产品越来越多地供土木工程界选用。

4.纤维风积沙土不会像土工织物和土工格栅那样因为加筋方向和加筋间距而在土体中形成一些潜在的软弱面、施工不当或受荷而出现的加筋层面破损等不利问题。

5.加入纤维不影响土的渗透性，可保证土中过量水的排除。此外，纤维有很高的孔隙度，具有良好的排水、滤水性能。而在挡土墙、堤坝、围堰等防渗材料需要加固的工程中，若用其他方法加筋则会改变土体的渗透性而对工程不利，这时用具有良好的抗冲刷、抗渗透破坏性能、不改变土的渗透性的纤维风积沙土就显得更有意义。

7.由于纤维风积沙土中纤维含量很低，具有廉价性和环保性的特点，需用的风积沙土也很便宜，且常可就地取材，可节省材料运费因此其工程费用一般都大大低于其它的土体加固方法。

8.纤维土技术的应用范围要比一般土工加筋技术广泛。

附图说明

图1纤维与风积沙土颗粒接触面示意图；

图2纤维在风积沙土中弯曲分布示意图；

图3纤维在风积沙土中交织分布示意图；

图4纤维风积沙土实例1分层示意图；

其中σ_z为垂直应力；σ_x为水平应力；f为纤维与风积沙土颗粒的摩擦力；N为纤维与风积沙土颗粒的压力；P为纤维与纤维间的嵌锁力。

具体实施方式

下列对本发明做详细地描述：

本发明是一种风积沙特殊土的加固，以达到工程建筑对地基承载力的要求。纤维风积沙土由纤维与风积沙土空间加固而成的复合结构，生产过程只是简单的机械喷射作业，生产成本低廉，原材料均为满足要求的束状单丝且来源及其广泛。原材料成本为16元/kg。聚丙烯纤维束状单丝，纤维规格18mm，自分散性好，无吸水性，耐酸碱盐性极高，导电导热性低，安全无毒，无气味。纤维土与其他方式加筋土相比，施工过程简单；与石灰土、水泥土相比，不会对人体产生危害；压实方法及标准与一般土相同。施工周期短，工程造价低，效果可靠，与其他整治方法相比具有明显的优点。土工合成纤维加固风积沙土作为一种新型的风积沙土补强技术，是通过喷射将很细的土工合成纤维同风积沙土土颗粒紧密的掺合在一起成为具有较好的力学特性和水力学特性的三维混合料，通过在土中加入一定比例土工合成纤维来加固土体而形成均质三维空间复合结构。对于纤维这种随机分布三维空间复合加筋方法，纤维均匀且无规则分布在土中。因此纤维土不仅可以限制土体的侧向变形，也可以控制土体的竖向变形，以及可以限制各个方向可能出现的变形，它具有一般加筋土所没有近似各向同性的力学性质以及良好的工程特性。因此，适宜于解决风积沙土工程中经常出现的变形问题。纤维能够有效得控制风积沙土地基工程侧向变形、竖向变形，使风积沙土地基工程的应力、应变、剪应变大为减小，大幅度提高土的强度和整体稳定性，可有效的阻止风积沙土地基工程塑性区的形成和发展，提高了风积沙土地基工程的承载力，从而达到消除风积沙土地基工程沉降变形和不均匀沉降的目的，高效且长期有效的对风积沙土性能进行了改良与加固处理。可以广泛用于涉及到风积沙土的公路路基边坡、高速公路路堤、挡土墙、斜坡稳定、公路和路的基础层、软弱地基的改善及抗震建筑等加固工程中。

本发明的纤维加固技术不仅适合于风积沙土，而且也适用于一般类土，或是竖向变形较大的冻土、湿陷性黄土、砂性土、软土、淤泥质土、膨胀土等领域，不仅适用于这些土的建筑工程中地基加固，而且也适合于铁路、公路等路堤填方工程中实施高效固化作用。当受剪时，纤维风积沙土伴随有剪胀现象。纤维风积沙土抗剪强度可达100kpa以上，具有较强的抗剪性、稳定性、耐久性。对以上的纤维加筋加固方法无需其他的处理工艺和技术手段，无环境污染，成本低廉，施工工艺简单，易于产业化推广。

为克服一般风积沙土加筋方法存在潜在软弱面、加筋层面可能破损和不能抑制除侧向变形以外的其他方向变形破坏的不足，本发明提供一种新型的加筋方法，彻底解决了风积沙土极易松散和位移、粘结差、抗剪强度低等的问题，极大地改变了风积沙土易变形和沉降的弱点，进一步提高了风积沙土的强度和稳定性。

实施例1：

聚丙烯纤维被卷成高25cm、直径30cm的圆筒，每筒重15kg的聚丙烯纤维锭。将风积沙土通过传送带输送到施工高度，聚丙烯纤维锭放在设有筒子架的密封箱内由举升机提升到施工高度，聚丙烯纤维与风积沙土用压力为2～3巴的气压喷射机喷射作业，一般设10-20个喷嘴喷射聚丙烯纤维，喷射速度每秒钟20-25米，风积沙的流量为6～7t/h，聚丙烯纤维重量与风积沙土重量之比为0.3％，将喷纤维和风积沙的橡皮管来回喷射，使聚丙烯纤维较均匀分布在风积沙土中，分层施工，两边人工配合整修边坡，分层碾压，粘性土包坡，防护厚度5-10cm，或水泥沙护坡，用风积沙与水泥混合成水泥沙铺设其护坡，风积沙与水泥重量比控制在1∶5-1∶8范围内，为防止热胀冷缩，设置缩缝，间距5m，缝宽1cm，厚度5-7cm，以防止风蚀与水毁，最后路基顶面封层，可有效提高风积沙路基顶面的干密度，以建起纤维风积沙土路基。为了形成规定边坡，坡边应设挡板，并且在下面的1.5m高度内，以振动板分层夯实，上面不加压实。施工中要求含水量为11.2％的风积沙土，采用包边处理，这样可使风积沙土的密实度达到标准击实密度的100％，使得聚丙烯纤维风积沙土最为紧密。

根据《公路土工试验规程(CB/T50123-1999)》中规定的试验方法进行击实试验，采用标准击实法：轻型击试验，击锤质量为2.5kg，击实锤锤底直径51mm，落距30.5cm，每层击数25次，分三层，击实筒内径10.2cm，筒高11.6cm，试筒容积947.4cm³，各层击实功为592.2kg/m³，测定最大干容重和最佳含水量。

通过风积沙标准击实试验，得到试验结果见表一。

表一干密度与含水量关系曲线

(1)采用标准击实法测定风积沙最大干密度为1.6965g/cm³和最佳含水量为11.2％，以此来控制工程质量。

(2)风积沙的击实特性，出现了“双峰值”现象。风积沙的击实曲线，即干密度γd与含水量w关系曲线，往往呈倒S型，风积沙这种特殊的土体，可以在含水量最小时和最佳含水量时，均可得到一个相对较大的干密度如表1所示。风积沙在完全干燥状态干密度较大，可达到1.6977g/cm³，当稍增大含水量时，干密度反而减小，直至曲线上出现干密度值最小的谷点；但在含水量达到7.043％之后，干密度又随含水量的增大而增大，直至达到最佳含水量为11.2％时的最大干密度为1.6965g/cm³，此后干密度又随含水量的增大而减小，最后呈现了双峰值现象。

风积沙的最小干密度(1.6181g/cm³)可达到最大干密度(1.6965g/cm³)的95％以上，但是在风干(含水量一般在0～1％之间)及最佳含水量附近干密度增大的幅度较大，这也说明了风积沙在风干和最佳含水量状态下较易压实，具有干压实(风干状态)和湿压实(最佳含水量状态)两大特性。

根据说明书附图2、3进一步解释，在纤维土中，纤维则是不断弯曲、相互交错、彼此连接、互成网络的存在于土中。把纤维土中纤维的作用机理概括为两个方面，即“弯曲机理”和“交织机理”。

(1)弯曲机理是指：纤维丝在土中的几何形态是无数的转折弯曲，几乎没有直线段。当土体承受外力而使纤维受拉时，在纤维弯曲的凹侧就会产生纤维对土颗粒的压力N和摩擦力f，从而起到加固土体的作用，如图2所示。

(2)交织机理是指：由于土中无序分布的纤维存在着无数的交织点，如果在纤维交叉处受到力的作用，当产生位移的趋势时，就会遇到其它纤维阻止这种位移，即任何一段纤维的受力变形都会牵动与之相邻的各个方向的纤维，从而形成空间的(三维的)受力区，如图3所示。

本发明中的三维空间结构是指：

通过在风积沙土中加入一定比例纤维来加固风积沙土而形成三维空间复合体。对于纤维这种随机分布三维空间复合加筋方法，纤维均匀且无规则分布在风积沙土中。因此纤维风积沙土不仅可以限制风积沙土的侧向变形，也可以控制风积沙土的竖向变形，以及可以限制各个方向可能出现的变形，它具有一般加筋风积沙土所没有近似各向同性的力学性质以及良好的工程特性。因此，适宜于解决风积沙土工程中经常出现的变形问题。

根据说明书附图4进一步解释：

顺着剪切面或任一面掰开纤维土样，我们发现在整个层面上，纤维仍然完好并暴露在外。说明纤维土不会产生典型的拉力破坏，而且纤维可明显增加土体的抗拉能力。

这种现象可通过土与纤维的嵌锁作用来解释，分析如下。如果把纤维土厚H由上往下分层，层厚为ΔH，共分N层，见图4。当受外力作用时，由于层与层之间纤维的联结，必然受到上一层土体的牵制，使其欲动不能。依次类推，从上到下一层一层牵制下去，使得下一层土体对上一层土体有着制约作用。这种层层的连锁制约束，就可使土体变形减小，整体稳定性增强。这一锁定原理，只要保持每段不动，就可以保证整体不动，从而起到控制变形的作用。

Claims (1)

1.一种聚丙烯纤维加固风积沙土的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)制备复合纤维风积沙土材料选取：聚丙烯纤维规格18mm，纤维配合量为0.3％，采用风干风积沙或含水量为重量比11.2％的风积沙土；

(2)按步骤(1)的配比方案，通过喷射将很细的聚丙烯纤维同风积沙土土颗粒紧密的掺合，充分混合，使聚丙烯纤维近似与风积沙土呈三维空间复合结构；

(3)将喷射好的复合纤维风积沙土直接采用机械压实，压实方法及标准与一般土相同，使风积沙土的密实度达到标准击实密度的100％，以使复合纤维风积沙土最为紧密；

其中，对于步骤(1)中含水量为11.2％的风积沙土的情况，需采用包边处理，以达到风积沙土地基处理的强度及整体稳定性的要求；纤维配合量是指纤维重量与风干风积沙土重量的百分比；所述的呈三维空间复合结构是通过在风积沙土中加入一定比例聚丙烯纤维来加固风积沙土而形成三维空间复合体，对于纤维这种随机分布三维空间复合加筋方法，聚丙烯纤维均匀且无规则分布在风积沙土中，因此聚丙烯纤维风积沙土不仅可以限制风积沙土的侧向变形，也可以控制风积沙土的竖向变形，以及可以限制各个方向可能出现的变形，它具有一般加筋风积沙土所没有近似各向同性的力学性质以及良好的工程特性；具体为把聚丙烯纤维加固风积沙土厚H由上往下分层，层厚为ΔH，共分N层，当受外力作用时，由于层与层之间纤维的联结，必然受到上一层土体的牵制，使其不能变形，依次类推，从上到下一层一层牵制下去，使得下一层土体对上一层土体有着制约作用，这种层层的连锁制约束，就可使土体变形减小，整体稳定性增强，从而起到控制变形的作用。

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