葉子坤

（北京興懷基業(yè)建筑工程有限公司，北京 101400）

0 引言

玄武巖纖維是一種以火山噴發(fā)出的玄武巖礦石為原料，經(jīng)1 450～1 500℃的高溫熔融處理后利用鉑銠合金拉絲漏板可以得到具有良好力學(xué)性能與耐腐蝕特性的纖維，其是現(xiàn)代工業(yè)中的一類新型高性能綠色無機(jī)材料。此外，生產(chǎn)玄武巖纖維的過程中不會產(chǎn)生堿性氧化物，在自然環(huán)境中一段時間后會降解為土母質(zhì)，對環(huán)境較為友好［1］。早期的玄武巖纖維生產(chǎn)工藝主要有池窯拉絲、人工加料全鉑坩堝拉絲以及漏板組合式拉絲等，經(jīng)過多年的發(fā)展出現(xiàn)了多種現(xiàn)代化玄武巖纖維生產(chǎn)工藝，各工藝間的區(qū)別主要反映在漏板孔數(shù)與冷卻方式的選擇等層面。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迭代與生產(chǎn)工藝的不斷成熟，玄武巖纖維的生產(chǎn)效率與質(zhì)量得到不斷提高，并在電力電子、建筑工程以及化工生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了十分廣泛的應(yīng)用［2-3］。我國針對玄武巖纖維的研究起步較晚，2001年，國內(nèi)部分研究機(jī)構(gòu)開始關(guān)注該材料的性能與應(yīng)用前景，并在兩年后開始投建生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)。由于越來越多的機(jī)構(gòu)關(guān)注到玄武巖纖維的優(yōu)異性能與環(huán)境友好屬性，該材料在我國得到了較快的發(fā)展，現(xiàn)階段我國可生產(chǎn)玄武巖纖維成品的廠家已多達(dá)20家，年總產(chǎn)能達(dá)到1.5萬t［4］。

1 玄武巖纖維用于公路邊坡防護(hù)的優(yōu)勢

玄武巖纖維具有較好的力學(xué)性能與耐久特性，使用該材料制成的玄武巖纖維網(wǎng)也能很好地沿襲其抗壓與抗拉性能，因此玄武巖纖維網(wǎng)在現(xiàn)代工程領(lǐng)域中具有十分顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。其一，我國玄武巖礦石的總儲量十分豐富，特別是在山東省的儲量尤為集中。隨著開采技術(shù)的發(fā)展、開采工藝的升級以及開采經(jīng)驗(yàn)的積累，目前我國的玄武巖礦產(chǎn)年產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到較高水平，同時我國玄武巖纖維制造與深度加工技術(shù)近年來也實(shí)現(xiàn)了較快的發(fā)展，這些都為玄武巖纖維網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)［5］。其二，玄武巖纖維具有較好的環(huán)境友好性，屬于高性能綠色環(huán)保型材料，在自然環(huán)境條件下其能夠降解為土母質(zhì)，大規(guī)模的使用不會造成環(huán)境破壞與污染。其三，使用玄武巖纖維和混凝土與砂漿按照一定的比例摻和能夠得到抗震與抗壓性能更好的工程材料，在某些工程場景下還可以大幅提高材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，一些學(xué)者提出在混凝土中摻入一定量的玄武巖纖維可將混凝土強(qiáng)度提升至原先的1.6倍?；谝陨纤鲂鋷r纖維的優(yōu)勢，將玄武巖纖維制成網(wǎng)狀應(yīng)用于公路邊坡水土保持與防護(hù)，可顯著改善公路邊坡受流水侵蝕出現(xiàn)失穩(wěn)或局部結(jié)構(gòu)崩壞的狀況［6］。

2 玄武巖纖維網(wǎng)用于公路邊坡防護(hù)的評價試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

經(jīng)過多年的工程實(shí)踐積累與技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)階段玄武巖纖維網(wǎng)已經(jīng)在公路工程中取得了十分廣泛的應(yīng)用。目前，玄武巖纖維網(wǎng)的生產(chǎn)工藝較多，本研究選取其中較為主流的坩堝單元式玄武巖纖維制造工藝，可得到超過4 000個漏板孔數(shù)的成品。玄武巖在我國山東省具有較為廣泛的分布，其中尤以濟(jì)南市章丘區(qū)的玄武巖質(zhì)量較好，且當(dāng)?shù)匾呀?jīng)有相對成熟的生產(chǎn)工藝［7-8］。因此，以濟(jì)南市章丘區(qū)的玄武巖纖維為原材料，將其制成土工網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，再利用表面涂覆與烘干工藝可得到具有良好力學(xué)性能的土工格柵。本研究選擇孔徑大小為20 mm×20 mm，單股玄武巖纖維寬度為5 mm的兩經(jīng)兩緯與四經(jīng)四緯型玄武巖纖維網(wǎng)為研究對象，計(jì)算與分析其與使用聚丙烯制成的規(guī)格為600 mm×400 mm×200 mm的傳統(tǒng)植生袋在公路邊坡防護(hù)方面的效果。需要說明的是，本研究所進(jìn)行的模擬計(jì)算均是在室內(nèi)環(huán)境條件下進(jìn)行的，因此可能與自然環(huán)境場景中的應(yīng)用數(shù)據(jù)存在一定的出入。

2.2 強(qiáng)度分析

玄武巖纖維網(wǎng)的強(qiáng)度分析主要通過斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長率來體現(xiàn)。斷裂強(qiáng)力是指按所規(guī)定的條件進(jìn)行測試，拉伸繩索至斷裂，取其至斷裂時最低值的力，其數(shù)值可通過式（1）進(jìn)行確定。

式中：P代表玄武巖纖維網(wǎng)的斷裂強(qiáng)力，kN·m-1；p代表一組紗線處于臨界斷裂狀態(tài)時所承受的力，N；N代表玄武巖纖維網(wǎng)的網(wǎng)眼數(shù)量，個。

斷裂伸長率是玄武巖纖維受外力作用至拉斷時，拉伸前后的伸長長度與拉伸前長度的比值，通常用百分率表示，其數(shù)值的大小可通過式（2）進(jìn)行確定。

式中：ε代表玄武巖纖維網(wǎng)的斷裂伸長率，%；ΔL代表一組紗線處于斷裂的臨界狀態(tài)時的伸長值大小，mm；L代表測試紗線的初始長度值，mm。

2.3 邊坡條件分析

邊坡形式與坡體條件會對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，因此本研究選取了均質(zhì)土坡、非均質(zhì)土坡以及表面覆有薄土層的巖石邊坡等3種類型的公路邊坡進(jìn)行玄武巖纖維網(wǎng)對邊坡穩(wěn)定性的影響研究。同時，還討論了邊坡坡度、植物措施以及護(hù)坡形式等對玄武巖纖維網(wǎng)護(hù)坡穩(wěn)定性的影響。研究的公路邊坡坡體形式如圖1與圖2所示，相關(guān)參數(shù)如表1與表2所示。

表1 不同坡體條件參數(shù)

表2 不同邊坡類型坡體土壤和巖石參數(shù)設(shè)定

圖1 不同坡體條件示意圖

圖2 兩種坡面配置示意圖

3 玄武巖纖維網(wǎng)用于公路邊坡防護(hù)的穩(wěn)定性評價

經(jīng)實(shí)際測量，得到植生袋的長×寬×高尺寸為600 mm×400 mm×200 mm，植生袋內(nèi)填充土壤后的質(zhì)量經(jīng)承重后得知為64.8 kg?？梢缘玫饺绫?所示的不同坡度條件下的植生袋荷載。

表3 坡長變化時的外加載荷

玄武巖纖維網(wǎng)是一種復(fù)式設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，由于網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的截面積較小，因而進(jìn)行玄武巖纖維網(wǎng)的附加作用力學(xué)分析時可以通過計(jì)算單位面積的玄武巖纖維網(wǎng)的抗破壞強(qiáng)度來分析其對公路坡體的防護(hù)效果。本研究選擇的玄武巖纖維網(wǎng)孔洞尺寸為20 mm×20 mm，單根纖維的寬度為5 mm，得到如表4所示的單位面積條件下玄武巖纖維網(wǎng)對公路邊坡的加筋力。

由表4可知，選擇植生袋&四經(jīng)四緯型玄武巖纖維網(wǎng)的邊坡防護(hù)效果更好，不同類型坡體對應(yīng)的安全系數(shù)如表5所示。

表4 玄武巖纖維網(wǎng)規(guī)格與加筋力的關(guān)系

表5 不同類型坡體對應(yīng)安全系數(shù)

分析表5中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同類型坡體條件下玄武巖纖維網(wǎng)對公路邊坡的防護(hù)效果存在一定的差異，主要體現(xiàn)在坡體安全系數(shù)提升幅度的大小。分析表5中數(shù)據(jù)可知，公路邊坡的坡度在一定范圍內(nèi)增大時玄武巖纖維網(wǎng)的護(hù)坡效果也呈現(xiàn)出一定的上升趨勢，且對于不同類型的邊坡而言玄武巖纖維網(wǎng)應(yīng)用于均質(zhì)土坡的效果最好，其次分別為非均質(zhì)土坡與淺土層邊坡。

4 結(jié)語

水土保持是公路工程邊坡防護(hù)的重要內(nèi)容，在降水與積水影響下土質(zhì)邊坡容易出現(xiàn)滑動與崩塌等問題，因此采用科學(xué)的技術(shù)手段提高公路工程邊坡的穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過對比研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維網(wǎng)應(yīng)用于公路邊坡的防護(hù)能夠有效提高其安全系數(shù)，且這種改善效果在均質(zhì)土坡型邊坡中尤為顯著。玄武巖纖維網(wǎng)作為一種高性能環(huán)境友好型工程材料，未來應(yīng)深化其與植生袋等傳統(tǒng)型護(hù)坡措施的融合，以進(jìn)一步改善公路邊坡的防護(hù)效果。