一種波浪形纖維加筋土及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種波浪形纖維加筋土及其制備方法，屬于巖土、地質(zhì)工程土質(zhì)改良領(lǐng)域。將外形為波浪形的纖維摻入土體中，進(jìn)行土質(zhì)改良，提高土體的工程性質(zhì)，其中波浪形纖維的波高為0.1mm～0.5mm，波長(zhǎng)為1mm～5mm，波浪形纖維直徑為0.1mm～1mm，波浪形纖維摻量為0.1％～5％干土重，波浪形纖維長(zhǎng)度為5mm～50mm；通過(guò)攪拌，在土中灑入適量的水并壓實(shí)成樣。同傳統(tǒng)的直線形纖維加筋土相比，波浪形纖維加筋土具有更強(qiáng)的界面力學(xué)作用，更高的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)，能顯著提高工程結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性和安全性，該發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，性價(jià)比高。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及巖土、地質(zhì)工程土質(zhì)改良領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種波浪形纖維加筋 土及其制備方法。 一種波浪形纖維加筋土及其制備方法

【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于各地區(qū)所需工程的需要，直接采取土壤進(jìn)行作業(yè)達(dá)不到所需要的要求，對(duì)所 需要的土壤需要進(jìn)行改良，目前，軟土的改性固化多是采用物理方法、物理化學(xué)方法或化學(xué) 方法，以提高軟粘土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使之滿足不同類型和使用功能的工程建設(shè)要求。
[0003] 纖維加筋是近些年來(lái)出現(xiàn)的一種新型土質(zhì)改良技術(shù)。該技術(shù)是通過(guò)在土體中隨機(jī) 摻入離散的短纖維絲，形成一種復(fù)合土工材料。同傳統(tǒng)的加筋技術(shù)相比，纖維加筋主要有以 下優(yōu)點(diǎn)：（1)纖維絲具有很好的分散性，能均勻地分布在土體中，在各個(gè)方向上都能發(fā)揮加 筋作用，是一種典型的三維加筋技術(shù)。在一些理論分析和計(jì)算中，通常將纖維加筋土視為各 向同性的復(fù)合材料加以考慮。而傳統(tǒng)的面狀土工合成材料（土工布、土工格柵、土工網(wǎng)等） 一般是按設(shè)計(jì)間距進(jìn)行水平布設(shè)，本質(zhì)上是一種二維加筋形式，筋材與土體界面之間往往 形成潛在的軟弱結(jié)構(gòu)面，導(dǎo)致加筋土力學(xué)性質(zhì)呈顯著的各向異性，在荷載作用下土體有可 能沿筋/ 土界面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，出現(xiàn)較大變形甚至破壞。（2)纖維具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、易于 拌合等優(yōu)點(diǎn)，能像石灰、水泥、粉煤灰等無(wú)機(jī)結(jié)合料一樣快速均勻地?fù)饺胪馏w中，施工工藝 簡(jiǎn)單。
[0004] 纖維/ 土界面力學(xué)作用狀態(tài)是制約纖維加筋效果的關(guān)鍵因素。纖維之所以能提高 土體力學(xué)性質(zhì)，根本原因是纖維/土界面作用力（界面黏聚力和摩擦力）限制了纖維在土 體中的相對(duì)滑動(dòng)，使分散在土體中的纖維起到拉筋作用，具備分擔(dān)荷載和限制土體變形的 能力。因此，改善纖維/土界面力學(xué)強(qiáng)度是提高纖維加筋土力學(xué)性質(zhì)的重要途徑。然而，到 目前為止，國(guó)內(nèi)外巖土和地質(zhì)工程領(lǐng)域中所采用的纖維加筋材料幾乎都是直線形纖維。
[0005] 中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)朲L201310265175. 0公開(kāi)了一種棕櫚纖維加筋土及其制備方法和 應(yīng)用，具有：棕櫚纖維，為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)為2?16mm,寬為2?4mm,長(zhǎng)寬比為1:1?4:1 ;土，所 述棕櫚纖維與所述土的質(zhì)量比為〇. 25%?2. 0%;以及水，含水率為預(yù)定值。但由于加筋材 料為直線形纖維表面光滑，纖維/ 土界面作用力傳遞效率低，纖維的拉筋效果無(wú)法得到充 分發(fā)揮。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 1、要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的纖維/ 土界面作用力傳遞效率低，纖維的拉筋效果弱問(wèn) 題，本發(fā)明提供了一種波浪形纖維加筋土及其制備方法，該加筋土纖維/ 土界面作用力傳 遞效果高和界面力學(xué)強(qiáng)度高，拉筋效果好。
[0008] 2、技術(shù)方案
[0009] 本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0010] 一種波浪形纖維加筋土，它包括土體，土體中含有外形為波浪形的纖維，波浪形纖 維的波高為〇· lmm?〇· 5mm，波長(zhǎng)為1mm?5mm，波浪形纖維直徑為0· 1mm?1mm。
[0011] 更進(jìn)一步的，波浪形纖維摻量為〇. 1 %?5%干土體重量，干土體重量為未加波浪 形纖維的干土體重量，波浪形纖維長(zhǎng)度為5mm?50mm。
[0012] 更進(jìn)一步的，波浪形纖維的原材料為聚丙烯、聚乙烯或尼龍，所述的土體為黏性土 或砂土。
[0013] 更進(jìn)一步的，土體為南京地區(qū)的下蜀土。
[0014] 一種波浪形纖維加筋土的制備方法如下：
[0015] (A)、將擬改良的土體進(jìn)行風(fēng)干；
[0016] (B)、將風(fēng)干后的土體碾碎，使用2mm?5mm土工篩篩取土體，將粉碎后的土樣置于 烘箱中烘干，烘干時(shí)間為24小時(shí)，得干土體；
[0017] (C)、將外形為波浪形的纖維與步驟（B)獲得的干土體充分?jǐn)嚢杈鶆颍?br> [0018] (D)、將攪拌均勻的混合土體和纖維加入水，攪拌均勻；
[0019] (E)、將步驟（D)獲得的混合土體進(jìn)行壓實(shí)形成波浪形纖維加筋土。
[0020] 更進(jìn)一步的，步驟（B)烘干時(shí)間為24小時(shí)。
[0021] 更進(jìn)一步的，步驟（C)采用的拌合方式為人工或機(jī)械方式。
[0022] 更進(jìn)一步的，步驟（D)加入的水質(zhì)量與未加纖維的土體質(zhì)量比例在12 %?18%， 對(duì)于已知最優(yōu)含水率的土體，初始含水率和壓實(shí)干密度選取最優(yōu)含水率為相應(yīng)控制指標(biāo)。
[0023] 更進(jìn)一步的，步驟（E)波浪形纖維加筋土的壓實(shí)干密度范圍在1. 55g/cm3? 1. 75g/cm3,對(duì)于最大干密度的土體，壓實(shí)干密度選取最大干密度為相應(yīng)控制指標(biāo)。
[0024] 3.有益效果
[0025] 相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0026] (1)使用波浪型纖維，提高了纖維/ 土界面作用力和纖維在土體中的抗拔力，增加 了纖維/ 土界面力學(xué)傳遞效率，抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和承載力提高；
[0027] (2)使用纖維加筋土方法，對(duì)于所制成材料殘余強(qiáng)度和破壞韌性高，增加結(jié)構(gòu)物的 穩(wěn)定性和安全性；
[0028] (3)使用波浪形纖維制成加筋土大幅提高了纖維的加筋效果，工程成本未增加，提 高了纖維加筋土技術(shù)的性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；
[0029] (4)波浪線形纖維加筋技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，施工方便，具有較好的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為本發(fā)明波浪形聚丙烯纖維和傳統(tǒng)直線形纖維加筋土的拉拔曲線對(duì)比圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明波浪形聚丙烯纖維和傳統(tǒng)直線形纖維加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨 纖維摻量變化圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明波浪形聚丙烯纖維和傳統(tǒng)直線形纖維加筋土的抗拉強(qiáng)度隨纖維摻 量變化圖；
[0033] 圖4本發(fā)明波浪形聚丙烯纖維和傳統(tǒng)直線形纖維加筋土的加州承載比CBR隨纖維 摻量變化圖。

【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體的實(shí)施例，對(duì)發(fā)明作詳細(xì)描述。
[0035] 實(shí)施例1
[0036] 波浪形纖維加筋土的材料主體為波浪形纖維和土體。在選取波浪形纖維作為加筋 材料時(shí)，要滿足以下要求：（1)纖維材料化學(xué)性能穩(wěn)定且環(huán)保；（2)具有較好的分散性，能方 便與土體拌合均勻；（3)纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。常見(jiàn)的聚丙烯、聚乙烯、尼 龍等高分子聚合材料均可作為加工波浪形纖維的原材料。在選取被加筋土體時(shí)，對(duì)土體種 類無(wú)明確要求，根據(jù)實(shí)際工程需要，自然界常見(jiàn)的黏性土、砂土等均可采用波浪形纖維加筋 技術(shù)進(jìn)行改良。
[0037] 本實(shí)施例選取聚丙烯波浪形纖維為代表性加筋材料，選取南京地區(qū)典型的下蜀土 為代表性被加筋土體。選取的聚丙烯波浪形纖維參數(shù)：直徑為0. 9_，長(zhǎng)度為20mm，波高為 0. 24mm，波長(zhǎng)為3. 97mm，抗拉強(qiáng)度為540MPa，彈性模量為5650MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為18 %，耐酸 堿性和分散性極好。下蜀土的比重為2. 7,塑性指數(shù)為17. 8,最佳含水率為16. 5%，最大干 密度為1.7g/cm3。對(duì)于已知最優(yōu)含水率和最大干密度的土體，波浪形纖維加筋土的初始含 水率和壓實(shí)干密度宜選取最優(yōu)含水率和最大干密度為相應(yīng)控制指標(biāo)。
[0038] 制樣時(shí)采用以下步驟進(jìn)行制樣：
[0039] ⑷、將下蜀土風(fēng)干；
[0040] (B)、將風(fēng)干后的土體碾碎，使用3mm 土工篩篩取土體，將粉碎后的土樣置于烘箱 中，將粉碎后的土樣置于烘箱中烘干，烘干時(shí)間為24小時(shí)，得到干土體，然后稱取1000g烘 干土樣備用；
[0041] (0、計(jì)算所需纖維重量，所需纖維摻量為3%，則所需波浪形纖維為30g，將稱量 好的波浪形纖維摻入土樣中，采用人工方式進(jìn)行拌合，直到纖維均勻分散在土樣中；
[0042] (D)、按照下蜀土的最優(yōu)含水率16. 5%控制波浪形纖維加筋土的初始含水率，即稱 取165g水緩慢加入土樣中，攪拌均勻；
[0043] (E)、將濕土樣倒入模具中，根據(jù)下蜀土的最大干密度1. 7g/cm3進(jìn)行壓實(shí)成樣。
[0044] 根據(jù)土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試方法，分別對(duì)波浪形纖維加筋土及傳統(tǒng)直線形纖維加筋 土進(jìn)行了單根纖維拉拔試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)、單軸拉伸試驗(yàn)及加州承載比CBR試驗(yàn)，獲得 了圖1、圖2、圖3和圖4的結(jié)果，明顯可以看出，本發(fā)明的波浪形纖維加筋土的綜合力學(xué)性 能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)直線形纖維加筋土，尤其是波浪形纖維加筋土的筋/ 土界面強(qiáng)度是傳統(tǒng)直 線形纖維的2. 75倍（圖1)，其在土中的抗拉性能得到顯著提高。
[0045] 實(shí)施例2
[0046] 本實(shí)施例選取聚乙烯波浪形纖維為代表性加筋材料，選取自然界一般黏性土為代 表性被加筋土體。聚乙烯波浪形纖維直徑為0. 1_，長(zhǎng)度為5_，波高為0. 1_，波長(zhǎng)為1_， 抗拉強(qiáng)度為38MPa，彈性模量為1030MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為24%，耐酸堿性和分散性極好。一般 黏性土的比重為2. 65?2. 75,取比重為2. 75 -般黏性土。
[0047] 制樣時(shí)采用以下步驟進(jìn)行制樣：
[0048] ⑷、將黏性土風(fēng)干；
[0049] (B)、將黏性土碾碎，過(guò)2mm 土工篩，將粉碎后的土樣置于烘箱中烘干，烘干時(shí)間為 24小時(shí)，得到干土體，然后稱取1000g烘干土樣備用；
[0050] (C)、計(jì)算所需纖維重量，所需纖維摻量為5%，則所需波浪形纖維為50g，將稱量 好的波浪形纖維摻入土樣中，采用機(jī)械方式進(jìn)行拌合，直到纖維均勻分散在土樣中；
[0051] (D)、按照含水率18%控制波浪形纖維加筋土的初始含水率，即稱取180g水緩慢 加入土樣中，攪拌均勻；
[0052] (E)、將濕土樣倒入模具中，進(jìn)行壓實(shí)成樣，壓實(shí)干密度為1. 75g/cm3。
[0053] 實(shí)施例3
[0054] 本實(shí)施例選取尼龍波浪形纖維為代表性加筋材料，選取自然界一般砂土為代表性 被加筋土體。尼龍波浪形纖維直徑為1_，長(zhǎng)度為50_，波高為0. 5_，波長(zhǎng)為5mm，抗拉強(qiáng) 度為750MPa，彈性模量為2500MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為200 %，耐酸堿性和分散性極好。一般砂土 的比重為2. 65。
[0055] 制樣時(shí)采用以下步驟進(jìn)行制樣：
[0056] (A)、將砂土風(fēng)干；
[0057] (B)、將砂土碾碎，過(guò)5mm 土工篩，將過(guò)篩后的土樣置于烘箱中烘干，烘干時(shí)間為24 小時(shí)，得到干土體，然后稱取l〇〇〇g烘干土樣備用；
[0058] (C)、計(jì)算所需纖維重量，所需纖維摻量為0. 1 %，則所需波浪形纖維為lg將稱量 好的波浪形纖維摻入土樣中，采用人工方式進(jìn)行拌合，直到纖維均勻分散在土樣中；
[0059] (D)、按照含水率12%控制波浪形纖維加筋土的初始含水率，即稱取120g水緩慢 加入土樣中，攪拌均勻；
[0060] (E)、將濕土樣倒入模具中，進(jìn)行壓實(shí)成樣，壓實(shí)干密度為1. 55g/cm3。
[0061] 實(shí)施例4
[0062] 本實(shí)施例選取聚丙烯波浪形纖維為代表性加筋材料，選取自然界一般黏性土為代 表性被加筋土體。聚丙烯波浪形纖維直徑為0. 5_，長(zhǎng)度為25_，波高為0. 3_，波長(zhǎng)為3_， 抗拉強(qiáng)度為550MPa，彈性模量為3500MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為30%，耐酸堿性和分散性極好。一 般黏性土的比重為2. 65。
[0063] 制樣時(shí)采用以下步驟進(jìn)行制樣：
[0064] ⑷、將黏性土風(fēng)干；
[0065] (B)、將黏性土碾碎，過(guò)3mm 土工篩，將過(guò)篩后的土樣置于烘箱中烘干，烘干時(shí)間為 24小時(shí)，得到干土體，然后稱取1000g烘干土樣備用；
[0066] (C)、計(jì)算所需纖維重量，所需纖維摻量為1%，則所需波浪形纖維為10g，將稱量 好的波浪形纖維摻入土樣中，采用人工方式進(jìn)行拌合，直到纖維均勻分散在土樣中；
[0067] (D)、按照含水率16%控制波浪形纖維加筋土的初始含水率，即稱取120g水緩慢 加入土樣中，攪拌均勻；
[0068] (E)、將濕土樣倒入模具中，進(jìn)行壓實(shí)成樣，壓實(shí)干密度為1. 6g/cm3。
[0069] 以上示意性地對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造及其實(shí)施方式進(jìn)行了描述，該描述沒(méi)有限制性，附圖 中所示的也只是本發(fā)明創(chuàng)造的實(shí)施方式之一，實(shí)際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出與該技術(shù) 方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實(shí)施例，均應(yīng)屬于本專利的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種波浪形纖維加筋土，其特征在于：它包括土體，所述的土體中含有外形為波浪 形的纖維，所述的波浪形纖維的波高為0. 1mm?0. 5_，波長(zhǎng)為1mm?5_，波浪形纖維直徑 為 0· 1mm ?1mm η
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波浪形纖維加筋土，其特征在于：所述的波浪形纖維摻 量為0. 1%?5%干土體重量，干土體重量為未加波浪形纖維的干土體重量，波浪形纖維長(zhǎng) 度為5mm?50mm〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波浪形纖維加筋土，其特征在于：所述的波浪形纖維的 原材料為聚丙烯、聚乙烯或尼龍，所述的土體為黏性土或砂土。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種波浪形纖維加筋土，其特征在于：所述的土體為南 京地區(qū)的下蜀土。
5. 權(quán)利要求1所述的一種波浪形纖維加筋土的制備方法如下： (A) 、將擬改良的土體進(jìn)行風(fēng)干； (B) 、將風(fēng)干后的土體碾碎，使用2mm?5mm土工篩篩取土體，將篩取后的土樣置于烘箱 中烘干，烘干時(shí)間為24小時(shí)，得干土體； (C) 、將外形為波浪形的纖維與步驟（B)獲得的干土體充分?jǐn)嚢杈鶆颍? (D) 、將攪拌均勻的混合土體和纖維加入水，攪拌均勻； (E) 、將步驟（D)獲得的混合土體進(jìn)行壓實(shí)形成波浪形纖維加筋土。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種波浪形纖維加筋土的制備方法，其特征在于：所述的步 驟⑶烘干時(shí)間為24小時(shí)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種波浪形纖維加筋土的制備方法，其特征在于：所述的步 驟（C)采用的拌合方式為人工或機(jī)械方式。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種波浪形纖維加筋土的制備方法，其特征在于：所述的步 驟（D)加入的水質(zhì)量與未加纖維的土體質(zhì)量比例在12%?18%，對(duì)于已知最優(yōu)含水率的土 體，初始含水率和壓實(shí)干密度選取最優(yōu)含水率為相應(yīng)控制指標(biāo)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5或7所述的一種波浪形纖維加筋土的制備方法，其特征在于：所述 的步驟（E)波浪形纖維加筋土的壓實(shí)干密度范圍在1. 55g/cm3?1. 75g/cm3,對(duì)于最大干密 度的土體，壓實(shí)干密度選取最大干密度為相應(yīng)控制指標(biāo)。
【文檔編號(hào)】E02D3/00GK104099921SQ201410355715
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】唐朝生, 李建, 王德銀, 施斌, 徐丹, 歐陽(yáng)斌強(qiáng) 申請(qǐng)人:南京大學(xué)（蘇州）高新技術(shù)研究院, 南京大學(xué)