纖維加筋無機穩定土的無側限抗壓強度試驗研究

袁小永 ，楊悅 （安徽國防科技職業學院城市建設學院，安徽 六安 237011）

在土體中摻入水泥、石灰、粉煤灰等無機結合料來提高土體的強度是路基處理中常用的方法，這種方法可以有效降低土體壓縮性，改善土體變形特性。但此方法已經不能滿足現階段道路施工要求。為解決這一問題，在無機結合料穩定土中摻加合成纖維的方法，漸漸被廣泛應用于工程實踐中。

葉之琳等[1]采用不同的纖維長度與配合比，進行單軸抗壓強度試驗，得到最有利于水泥土強度的纖維種類、摻入量以及水泥、土的配合比。阮波等[2]研究了玻璃纖維摻量與長度對纖維加筋水泥土無側限抗壓強度的影響。結果表明，纖維的加入能有效提高水泥土的延性、無側限抗壓強度等物理力學指標，同時得出加筋效果最佳的配比為摻量為0.2%，長度為9 mm。虢曙安[3]通過不固結不排水剪切試驗發現，摻入一定比例的石灰和玻璃纖維對提高紅黏土的抗剪強度有極大促進作用，提升效果最優時纖維長度和摻量分別為0.2%和6 mm。畢海民等[4]通過試驗研究得出，采用粉煤灰+聚丙烯纖維對膨脹土進行改良能取得較好的效果。鹿群等[5]通過無側限抗壓和疲勞試驗發現，添加纖維可小幅度提高水泥土的抗壓強度，亦提高了水泥土的延性，減少了裂縫的開展，改善了其力學性能，同時添加纖維后水泥土抵抗疲勞的能力也明顯增強。

為探究合成纖維對加筋無機穩定土的無側限抗壓強度的影響，本文開展了不同摻量與長度下聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維對水泥土、石灰土、粉煤灰土三種土的正交試驗，試驗成果可為改良路基填土的工程應用提供一定的參考價值。

黏土的物理力學性質 表1

纖維的物理力學參數 表2

無機結合料的物理力學指標 表3

1 實驗材料

試驗所用黏土取自合肥市某市政工程項目，其物理力學性質見表1，合成纖維（以下簡稱纖維）相關參數見表2，無機結合料的常用指標見表3。

2 試驗方案

試驗考慮纖維的種類、摻量及長度3個因素的影響，分別為聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維，摻量選取了0.1%、0.3%、0.5%，長度為6mm、9mm、12mm。試驗考慮為3因素3水平[6]，采用L9(34)，具體方案見表4、5。在參考了相關文獻后[7-10]，確定了試驗土中水泥的摻量為4.5%、水灰比為0.5，石灰的摻量為8%，粉煤灰的摻量為30%，即本次試驗不考慮土種類的影響。試驗采用100mm×50mm（h×d）標準圓柱體試件。

3 試樣制備及試驗

將試驗用土烘干，用球磨機研磨，過2 mm方孔篩得試驗土樣，將土、無機結合料和纖維按設定的質量比混合攪拌均勻。按最優含水率，將水用噴壺均勻的灑于土樣表面，使水與土樣均勻結合。將拌合后的土樣用密封袋密封靜置一夜以保證水分充分遷移，以提高試驗結果的準確性，如圖1所示。

根據《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）所述，將混合料統一制成尺寸為直徑50 mm，高度100mm的圓柱體試樣，將試件用保鮮膜包裹并裝在密封袋中養護3d，測無側限抗壓強度。無側限抗壓強度試驗采用微機控制式電子萬能實驗機，試驗時以應變控制。制樣與壓樣過程如圖2、3所示。

4 試驗結果及分析

4.1 實驗結果

正交試驗常用分析方法有兩種：極差分析法和方差分析法。兩種方法結合使用，可以此分清各因素對試驗指標作用大小的順序，判斷因素對試驗指標影響的顯著程度，并得到試驗因素的最優水平和試驗范圍內的最優組合。試驗結果如表6所示。

4.2 結果分析

4.2.1 極差分析

對三種土的無側限抗壓強度結果進行處理，得到正交試驗各因素極差值，見表7。三因素與無側限抗壓強度的關系如圖4所示。極差越大，表明該試驗因素對試驗指標的影響越大，作用越明顯。

圖1 試驗材料

圖2 試樣制備

圖3 試驗過程

圖4 三因素與無機穩定土無側限抗壓強度的關系

試驗因素與水平 表4

正交試驗方案 表5

正交試驗結果 表6

由表7可以看出，對于水泥土無側限抗壓強度，纖維種類影響最大，纖維摻量影響次之，而纖維長度的極差值都小于空列極差值，說明在試驗水平取值范圍內，其影響不明顯。對于石灰土無側限抗壓強度，纖維種類影響最大，而纖維摻量與纖維長度的極差值都小于空列極差值，說明在試驗水平取值范圍內，其影響不明顯。對于粉煤灰土無側限抗壓強度，纖維種類影響最大，纖維長度影響次之，最后是纖維摻量，因三個因素的極差值都大于空列極差值，說明在試驗水平取值范圍內，三個因素的影響都較為明顯。

由圖4可看出，在三個因素影響下，水泥土無側限抗壓強度指標最優組合（k最大值所對應的因素水平）分別為A3B3C2，即：聚酯纖維、摻量0.5%、長度9mm；石灰土無側限抗壓強度指標最優組合分別為A1B2C2，即：聚乙烯醇、摻量0.3%、長度9mm；粉煤灰土無側限抗壓強度指標最優組合分別為A3B3C2，即：聚酯纖維、摻量0.5%、長度9mm。

4.2.2 方差分析

極差分析簡單直觀、計算量小，但不能精確地判斷各因素對試驗指標影響的顯著性程度。為了彌補極差分析的不足，對試驗結果進行方差分析。方差分析見表8。

由表8方差分析結果可以看出，在顯著性水平α=0.05下，纖維種類、纖維摻量、纖維長度對三種土的無側限抗壓強度的影響都不顯著，原因可能有三點：

①由于試驗是安排在冬季寒冷季節進行，試驗過程中人的因素較為突出，導致試驗結果誤差較大，進而掩蓋了因素的顯著性；

②由于纖維質地輕薄，纖維之間的黏結性較強，在手工拌制試驗土樣時，很難保證纖維與干土均勻拌合，同時制樣誤差，也增加了試驗結果的不確定性；

③試驗采用的是微機控制式電子萬能實驗機，雖說操作時以應變控制，但對于常規土樣來說，其試驗結果的精確度卻也很難把握，進一步放大了試驗結果誤差。

極差分析表 表7

方差分析表 表8

由表8的F比值可以看出，各因素對水泥土無側限抗壓強度的影響程度由大到小為纖維種類、纖維摻量、纖維長度。對石灰土無側限抗壓強度的影響程度由大到小為纖維種類、纖維摻量、纖維長度。對粉煤灰土無側限抗壓強度的影響程度由大到小為纖維種類、纖維長度、纖維摻量。可見，方差分析結論與極差分析結論基本一致。

5 結論

①極差、方差分析表明：對于水泥土無側限抗壓強度，纖維種類影響最大，纖維摻量影響次之，纖維長度影響不明顯。對于石灰土無側限抗壓強度，纖維種類影響最大，纖維摻量與纖維長度影響不明顯。對于粉煤灰土無側限抗壓強度，纖維種類影響最大，纖維長度影響次之，最后是纖維摻量，三個因素的影響都較為明顯。

②試驗表明：水泥土無側限抗壓強度指標最優組合分別為聚酯纖維、摻量0.5%、長度9mm。石灰土無側限抗壓強度指標最優組合為聚乙烯醇、摻量0.3%、長度9mm。粉煤灰土無側限抗壓強度指標最優組合為聚酯纖維、摻量0.5%、長度9mm。在實際工程中，可根據工程實際需要，合理選擇各項因素配比。

③在顯著性水平α=0.05下，纖維種類、纖維摻量、纖維長度對三種土的無側限抗壓強度的影響都不顯著，原因可能有三點：試驗中的人為因素導致誤差較大；纖維材質輕薄，很難保證土樣的均勻拌合；試驗儀器本身的原因造成的誤差。