基于響應面法的纖維復合固化黏砂土性能試驗研究

摘要：水泥穩定類材料作為道路基層存在強度低、易產生裂縫、耐久性差等缺陷，為此考慮往其中添加聚甲醛（POM）纖維制作復合固化土。采用Box-Behnken響應面法進行試驗設計，通過無側限抗壓強度試驗、劈裂強度試驗、水穩定性試驗、凍融循環試驗進行纖維復合固化黏砂土性能提升研究。結果表明：水泥摻量5.47%、纖維摻量0.32%、纖維長度8.09 mm時，固化土7 d無側限抗壓強度提升最明顯；各單因素對于固化土影響顯著性從大到小排序為水泥摻量＞POM纖維摻量＞POM纖維長度；POM纖維能夠提高固化土劈裂強度，增強水穩定性和抗凍性，POM纖維摻量0.30%、纖維長度8 mm時，固化土劈裂強度最大，同時水穩定性和抗凍性提升效果較為顯著。研究成果可為黃泛區黏砂土的性能改良提供借鑒。

關 鍵 詞：黏砂土； 聚甲醛（POM）纖維； 響應面法； 力學性能； 耐久性能

中圖法分類號： U414

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.02.024

0 引 言

隨著中國城市化進程加快和交通事業發展，道路工程對土壤材料的要求越來越高。開封地區作為典型黃泛區，其土壤主要包括黏砂土和粉砂土，受黃河泛濫影響，豫東、豫中地區普遍存在泥沙堆積現象，形成軟弱地基^［1］。黏砂土作為一種常見的土壤，因其松散、強度低、水穩定性差等特性，不適宜直接用于實際工程。土壤固化劑包括離子型、有機型、無機型、生物酶型等^［2］，其中離子型土壤固化劑因具有施工簡便、環保、適應能力強等特點而被廣泛應用^［3-5］。固化劑的使用為處理不良地質問題提供了新的思路，通過加入固化劑提升土體的抗壓強度并減少揚塵量，土體的路用性能得到增強。

纖維材料因具有良好工作性能和環境友好性等優勢，被眾多學者摻入土體進行研究。在固化土承受荷載并產生形變時，纖維的加入會對基體產生約束效果，進而延緩基層的開裂過程^［6］。Ding等^［7］研究了1，5，10次凍融循環后聚丙烯纖維固化土強度的變化，發現聚丙烯纖維能顯著提高固化土抗凍融性能；周煒琳^［8］研究發現，在盾構渣土中聚丙烯纖維加筋效果優于稻草纖維和黃麻纖維，聚丙烯纖維摻量為0.2%、纖維長度為9 mm時固化土力學性能較好；鄭清松等^［9］針對淤泥土進行改良研究，發現聚丙烯纖維對強度的增強效果較顯著，纖維摻量為0.75%時無側限抗壓強度達到最大值；佟鈺等^［10］發現在粉質黏土中加入聚丙烯纖維，可以提高土體的力學性能，尤其對早期抗拉強度提升最為顯著；Gao等^［11］研究發現玄武巖纖維水泥土在靜荷載和沖擊荷載作用下，抗壓強度均隨凍融循環次數的增加而降低；白琨等^［12］研究表明，在低液限黏土中加入玄武巖纖維，當纖維材料為0.6%時，纖維加筋土的劈裂抗拉強度比水泥土增加了87%，效果較顯著；鹿群等^［13］在粉質黏土中加入玄武巖纖維，發現纖維的加入提高了土體的延性，可以減少裂縫的擴展，改善其力學性能；涂義亮等^［14］發現在山區軟弱土中加入玄武巖纖維，摻量為0.6%、長度為6 mm時單軸抗壓強度最大；徐麗娜等^［15］研究表明玄武巖纖維加入河床淤泥土中，能有效提高水泥土抵抗變形的能力；姜恒超等^［16］研究玻璃纖維對水泥土劈裂抗拉強度的影響，結果表明纖維摻量2‰、纖維長度6 mm時改良效果最優；許巍等^［17］研究表明，玻璃纖維長度為6 mm或12 mm，摻量為0.3%時，纖維加筋黏土水穩性和耐久性效果最好。從現有文獻來看，無論是摻入聚丙烯纖維，還是玄武巖纖維、玻璃纖維，都可以在一定程度上提升土體的力學性能和耐久性能。

聚甲醛纖維綜合性能優良，兼具抗拉強度高、耐磨能力強、韌性好等優點，因其分子結構中有大量醚鍵，與無機材料有很好的相容性^［18］。但目前聚甲醛纖維在纖維加筋土領域研究甚少，鑒于其潛在優勢，本文旨在探討聚甲醛纖維復合固化黏砂土路用性能的改善作用。通過調整水泥摻量、纖維摻量和纖維長度參數，分析固化土無側限抗壓強度、劈裂強度等力學特性以及水穩定性、凍融循環耐久性能的變化規律，以期為聚甲醛纖維加筋水泥固化土的應用提供理論依據。

1 試驗材料

試驗用土為黃泛區開封市黏砂土，顏色呈灰黃色，具體物理性質如表1所列，顆粒級配曲線如圖1所示。

試驗采用P·O 42.5級硅酸鹽水泥，比表面積370.2 m²/kg，燒失量4.17%，符合國家標準要求，其基本性能如表2所列。

土壤固化劑為歐聯弘達（北京）工貿公司生產的一種新型離子型土壤固化劑，主要由碳酸鈉、氫氧化鈉、氨基磺酸鈉、有機硅等物質組成，具有綠色、無害、無腐蝕性特點，基本參數如表3所列。

聚甲醛（Polyformaldehyde，POM）因其分子鏈的化學結構不同，可分為共聚甲醛與均聚甲醛，本次研究采用共聚甲醛纖維，纖維直徑為200 μm，長度選取4，8，12 mm這三種，形狀如圖2所示，物理力學特性如表4所列。本次研究所用POM纖維由重慶云天化天聚新材料公司生產。

2 試驗方案

2.1 擊實試驗

試驗按照JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》^［19］甲類擊實法開展。首先將試驗用土過4.75 mm方孔篩，采用四分法將10 kg試料分為5份，試樣含水率選定10%，11%，12%，13%和14%。其次在試料上均勻噴灑水分，拌合后裝入塑料袋浸潤8 h，將固化劑、水泥按照試驗設計（表5）加入浸潤后的試樣中，用鏟刀拌均。最后將試件分5次擊實，每層擊實27次。整個擊實試驗在1 h內完成，超過1 h之后的試樣廢棄重做。

2.2 無側限抗壓強度試驗

試驗需測定養護齡期7 d試件的無側限抗壓強度變化特性。根據表5中S1～S9編號配比制備土樣，悶料8 h，采用靜壓法制作直徑×高=50 mm×50 mm的圓柱形試件，制件過程如圖3所示。將制備完成的試件放入標準養護箱（養護條件：溫度20±2 ℃，濕度95%）。在養護齡期最后1 d，將表面無損傷試件依次浸入20±2 ℃的水中，確保試件頂面高出水面2.5 cm，浸水24 h后用軟布擦去水分，在WHY微機壓力試驗機進行試驗，控制加載速率為1 mm/min。

響應面分析法（RSM）旨在減少試驗次數的前提下，探究各影響因素之間的相互作用，并對試驗條件進行優選，該方法在工程領域應用廣泛^［20］。本文所用模型基于RSM中Box-Behnken（BBD）設計，輸入變量包括水泥摻量（因素A）、纖維摻量（因素B）和纖維長度（因素C），以7 d養護齡期的無側限抗壓強度作為響應變量，因素A、B和C的三水平編碼分別設為-1、0、1，具體的水平設計如表6所列。

利用Design-Expert軟件進行響應面試驗，RSM方差分析中，采用相關系數（R2）、校正系數（R2a）和預測參數（R2a與R2p之差）來評價模型的準確性和可靠性，如公式（1）～（4）所示。

Y=β0+ni=1（βixi）+ni=1（βiix2i）+ni=1nj=1（βijxixj）+ε（1）

R2=1-SrSm+Sr（2）

R2a=Sr/Dr（Sm+Sr）/（Dm+Dr）（3）

R2p=1-SpSm+Sr（4）

式中：Y為響應值；β0為常數項；βi為一次項系數；βij為交互項系數；βii為二次項系數；xi和xj為獨立變量；n為自變量個數；ε為隨機誤差；R2為相關系數；R2p為預測系數；Sr為殘差平方和；Sm為回歸平方和；Sp為預測殘差平方和；Dr為殘差均方；Dm為回歸平方。

2.3 劈裂強度試驗

試驗需測定養護齡期7，28，90 d試件的劈裂強度變化特性。試件配比為5.5%水泥，97%壓實度，0.30%土壤固化劑，8 mm POM纖維。POM纖維摻量為0，0.15%，0.30%和0.45%，采用靜壓法制備直徑×高=50 mm×50 mm的圓柱形試件，確保試件制作流程和養護條件與2.2節無側限抗壓強度試驗一致。在養護齡期最后1 d，將試件浸水擦干后置于萬能壓力機進行試驗。試驗時使用的加載裝置壓條寬度為6.35 mm，弧面半徑為25 mm，控制加載速率為1 mm/min。

2.4 水穩定性試驗

試驗需測定養護齡期為7 d和28 d試件的水穩定性變化特性。試件制作需確保配比、尺寸、制作流程和養護條件與2.3節劈裂強度試驗一致。試驗分為兩組同步進行：其中一組試件制備后進行標準養護，在養護齡期的最后1 d浸水處理并擦干；另一組試件制備后直接浸入水面高于試件頂部2.5 cm的水中，此組試件在整個試驗養護齡期內保持浸水狀態。試件浸水前后的強度比值定義為水穩定系數，用于評估試件的水穩定性。

水穩定性試驗引入統計學中的變異系數CV評估數據的離散程度。變異系數是原始數據標準差SD與平均值MN的比值：

CV=SDMN（5）

2.5 凍融循環試驗

試驗需測定養護齡期28 d后試件的凍融循環變化特性。采用靜壓法制備直徑×高=150 mm×150 mm的圓柱形試件，試件的配比與2.4節水穩定性試驗一致，每個配比制備兩組標準試件：其中一組用于凍融試驗；另一組對照。試件標準養護28 d，在養護齡期最后1 d用濕布擦干試件表面水分并稱取質量。

凍融循環試驗設定為5次，一次循環為24 h，設置低溫箱溫度為-18 ℃，凍結時間16 h后，將試件從低溫箱中取出放入溫度為20 ℃的水中融化，水面需高于試件表面2 cm，融化時間8 h。融化完成后取出試件，擦干表面水分，以上流程為一次凍融循環結束。將凍融循環前后的試件在萬能試驗機上進行無側限抗壓強度測試，控制加載速率為1 mm/min。通過比較凍融循環前后試件的強度損失，計算可得試件的抗凍性能指標。

3 結果分析

3.1 擊實特性

圖4為擊實試驗結果，隨著水泥摻量的增加，土樣的最大干密度和最優含水率均呈現出上升趨勢。出現這一現象的原因是水泥的加入填充了土顆粒間的空隙，從而提高了土體的密實度。同時，水泥的水化反應也導致了試樣最優含水率的增加。當固化劑加入到土樣中，土樣的最大干密度隨著固化劑摻量的增加而增加，而最優含水率則隨著固化劑摻量的增加而減少。這種現象的出現是由于固化劑溶液中的高價離子改變了土壤顆粒表面的電性，減少了土壤顆粒表面水膜的厚度，增強了土壤顆粒間的吸附力，進而提高了密實度。此外，固化劑溶液與土樣顆粒之間的化學反應生成膠狀物質，這些物質填充了土顆粒之間的孔隙并降低了土樣結構的親水性，導致固化土達到最優含水率所需水量的減少。

3.2 固化土無側限抗壓強度試驗

3.2.1 7 d無側限抗壓強度試驗結果

表7為7 d養護齡期的無側限抗壓強度試驗結果，根據JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》^［21］關于水泥穩定類材料的規定，無機結合料穩定類材料7 d無側限抗壓強度＞2 MPa，適用于一級公路中等、輕交通瀝青路面結構的底基層。水泥的摻量對固化土的強度影響顯著，過多的水泥摻量會導致材料脆性增加，進而影響材料的穩定性^［22］。在考慮經濟性的基礎上，最終確定配比S6組合：水泥摻量5%、固化劑摻量0.30%、壓實度97%。

3.2.2 摻入纖維后7 d無側限抗壓強度試驗結果分析

（1） POM纖維長度分析。

在配比S6的基礎上，POM纖維摻量取0.15%，纖維長度取4，8，12 mm，養護齡期為7，28，90 d，纖維復合固化土的抗壓試驗結果如圖5所示。隨著纖維長度的增加，固化土在7，28，90 d的抗壓強度qu呈現出先略微增長后下降的趨勢，在POM纖維長度為8 mm時，固化土的無側限抗壓強度達到峰值。POM纖維長度為4 mm時，由于纖維長度較短，在土體結構中的分散性較好，但形成的骨架結構效果一般，導致土體受壓時纖維與土之間的相互作用不明顯，使得抗壓強度增長不如8 mm纖維。POM纖維長度增加到12 mm時，纖維的“錨固”作用過長，未能有效發揮POM纖維的優勢，導致固化土的抗壓強度有所下降。

（2） POM纖維摻量分析。

在配比S6的基礎上，POM纖維長度取8 mm，纖維摻量取0，0.15%，0.30%，0.45%，養護齡期為7，28，90 d，纖維復合固化土的抗壓試驗結果如圖6所示。隨著纖維摻量的增加，固化土在7，28，90 d的抗壓強度亦呈現出先上升后略微下降的趨勢，POM纖維摻量0.30%時，固化土的無側限抗壓強度達到峰值。纖維摻量0.15%時，POM纖維在固化土中分布較為均勻，與土顆粒、膠凝材料之間的聚合效應較好，使得試件能夠有效抵抗外部荷載，從而提升固化土的抗壓強度。纖維摻量0.45%時，POM纖維在土體中易形成結團現象，這不僅會增加土體內部的孔隙，還會降低土體結構的整體性，從而導致抗壓強度的下降。

3.2.3 響應面試驗結果與分析

以無側限抗壓強度為評價指標，利用Design-Expert對表8中試驗數據進行分析，得到無側限抗壓強度回歸方程如公式（6）所示：

Y=2.41+0.071A+0.032B+0.03C-0.052AB+0.014AC+0.01BC-0.076A2-0.14B2-0.041C2（6）

對纖維復合固化土無側限抗壓強度進行方差分析，結果如表9所列。方差分析結果通過F值和P值來評估各因素對無側限抗壓強度的影響程度。F值越大，P值越小，表明因素之間的相互作用越顯著。概率P的值0.01，0.05可作為顯著性的臨界值，P＞0.05時稱“不顯著”，0.01＜P≤0.05稱“顯著”，P≤0.01稱“非常顯著”。在表9中，模型P值遠小于0.001，這表明所建立的模型在統計學上是有意義的。一次項A（水泥摻量）、B（纖維摻量）和C（纖維長度）顯著性均為“非常顯著”，且F（A）=82.17＞F（B）=17.00＞F（C）=14.83，可認為單因素水泥摻量（A）、纖維摻量（B）、纖維長度（C）的影響順序為A＞B＞C。交互項AB表現為“非常顯著”，交互項AC，BC表現為“不顯著”，二次項A²，B²，C²為“非常顯著”。

可信度檢驗結果如表10所列，模型確定系數R2=98.28%，校正系數R2a=0.960 7，表明96.07%的響應值變化可以用此模型解釋。預測系數R2p=0.802 9，R2a與R2p差值為0.157 8＜0.2，表明此模型滿足要求，擬合效果較好，信噪比是22.084＞4，表明此模型合理。

響應面曲線和等值線圖可以直觀反映兩個變量對纖維復合固化土無側限抗壓強度的影響程度，響應面曲面越陡，等值線越密集且等值線圖越接近于橢圓形，表明兩個變量之間的交互作用越顯著；相反，若響應面曲面平緩，等值線稀疏且等值線圖越接近于圓形，表明兩個變量之間的交互作用幾乎忽略不計^［23-25］。

圖7表示纖維長度（C）在中心水平，水泥摻量（A）和纖維摻量（B）的交互作用對固化土無側限抗壓強度的影響。A=4.9%～5.7%，B=0.26%～ 0.34%時，無側限抗壓強度較高。隨著纖維摻量的增加，無側限抗壓強度表現為先上升后下降的趨勢；而隨著水泥摻量的增加，無側限抗壓強度呈逐步上升趨勢，前期增長較快，后期趨于穩定。響應面呈現凸起形態，等值線則呈現出橢圓形分布，P=0.002 2＜0.01，表明水泥摻量和纖維摻量的交互作用對固化土無側限抗壓強度有著顯著影響。

圖8表示纖維摻量（B）在中心水平，水泥摻量（A）和纖維長度（C）的交互作用對固化土無側限抗壓強度的影響。A=5.0%～5.9%，C=7.8～11.4 mm時，無側限抗壓強度較高。響應面沿水泥摻量方向凸起較明顯，隨著水泥摻量的增加，無側限抗壓強度呈現出先上升后緩慢下降的趨勢。而隨著纖維長度的提高，無側限抗壓強度呈現出緩慢上升趨勢。

圖9表示水泥摻量（A）在中心水平，纖維摻量（B）和纖維長度（C）的交互作用對固化土無側限抗壓強度的影響，B=0.28%～0.36%，C=7.9～10.2 mm時，無側限抗壓強度較高。響應面沿纖維摻量凸起明顯，隨著纖維摻量的增加，無側限抗壓強度表現為先上升后下降趨勢。隨著纖維長度的增加，無側限抗壓強度呈現出類似的趨勢，但增長幅度稍小。根據方差分析結果，由F（AB）=22.06＞F（AC）=1.73＞F（BC）=0.91，結合響應面的凸起與等值線的分布密度可知，水泥摻量（A）與纖維摻量（B）交互作用＞水泥摻量（A）與纖維長度（C）交互作用＞纖維摻量（B）與纖維長度（C）交互作用。

采用Design-Expert軟件求解方程，確定理想水平配比：水泥摻量5.47%、纖維摻量0.32%、纖維長度8.09 mm，此時無側限抗壓強度為2.42 MPa。考慮到實驗室具體條件、實際操作可行性以及纖維長度對性能的影響較小，故將配比條件修正為：水泥摻量5.5%、纖維摻量0.30%、纖維長度8 mm。進行了3次重復實驗，無側限抗壓強度平均值為2.40 MPa，相對誤差在5%以內，證明了響應面法的可靠性，具有較好的預測功能。

3.3 纖維復合固化土劈裂強度試驗

3.3.1 劈裂強度結果分析

通過無側限抗壓強度試驗分析可知，POM纖維長度對固化土影響較小，故后續試驗主要研究POM纖維摻量對固化土的影響。選定POM纖維長度為8 mm、水泥摻量5.5%、土壤固化劑摻量0.30%、壓實度97%，分別觀察POM纖維摻量為0，0.15%，0.30%，0.45%時劈裂強度（Sp）的變化情況（養護齡期7，28，90 d），試驗結果如圖10所示。

由圖10可知，POM纖維摻量與固化土劈裂強度之間存在非線性關系。隨著POM纖維摻量的增加，固化土劈裂強度先增加后減小，當纖維摻量為0.30%時劈裂強度到達峰值，表明該摻量下固化土的性能最優。養護齡期7 d時，摻0.15%，0.30%，0.45%POM纖維的固化土劈裂強度相較于未摻纖維時分別提高了0.027，0.037，0.018 MPa，增幅為18.75%，25.69%，12.50%；養護齡期28 d時，增幅為14.97%，22.46%，11.23%；養護齡期90 d時，增幅為9.96%，21.33%，9.01%。結果表明：POM纖維的加入有利于提高固化土的劈裂強度，且纖維摻量0.30%時固化土劈裂強度最優。隨著養護齡期的增加，固化土劈裂強度呈現出持續增長的趨勢，養護齡期90 d時劈裂強度增至最大，但28～90 d劈裂強度的增幅明顯小于7～28 d劈裂強度，說明固化土劈裂強度在前期增長較快，后期增長速度放緩。因此，POM纖維對固化土劈裂強度的影響主要集中在前期。

劈裂試驗過程中，POM纖維的摻入導致試件破壞時出現了“橋接”現象，這種作用有助于延遲貫穿性裂縫的形成和擴展，降低固化土在荷載作用下出現裂縫的可能性，并顯著增強其抗拉性能，進而提高劈裂強度。此外，POM纖維的過量加入會導致“結團”現象，阻撓土壤顆粒與膠凝材料之間的黏結作用，降低黏聚力，從而導致固化土強度的提升效果減弱。

3.3.2 無側限抗壓強度與劈裂強度的關系

在水泥摻量5.5%、壓實度97%、土壤固化劑摻量0.30%、POM纖維長度8 mm配比下，POM纖維摻量選定0，0.15%，0.30%，0.45%，制備直徑×高=50 mm×50 mm圓柱形試件。養護齡期7，28，90 d時纖維復合固化土無側限抗壓強度與劈裂強度的比值如表11所列。

由表11可知，在養護齡期90 d、POM纖維摻量0.45%時，無側限抗壓強度與劈裂強度比值達到峰值（17.30）。隨著養護齡期的增加，這一比值大體呈上升趨勢，且隨著POM纖維摻量的增加，其趨勢大致相同。

3.4 水穩定性試驗

如圖11～12所示，固化土的抗壓強度隨著POM纖維摻量的增加呈現出先增加后下降趨勢。纖維摻量0.30%，養護齡期7 d和28 d時，固化土的強度均達到峰值。纖維摻量0.45%時，雖然土樣的強度有所下降，但仍然高于未摻纖維的土樣。這是因為POM纖維摻量過多會在土體中形成空隙，導致在飽和水作用下外部水分沿著纖維形成的通道進入土體，影響土體的強度。盡管如此，POM纖維的“加筋”作用仍然能夠維持土體的強度，使得摻有POM纖維固化土強度優于未摻纖維的土樣。在7 d和28 d養護齡期，固化土在浸水后的抗壓強度均有所下降，這是因為土樣吸水飽和后，水分被土體顆粒表面吸附，形成的水膜削弱了土顆粒間的結合力，導致固化土的強度降低。

當變異系數CV大于15%時，可認為數據離散過大、數據異常，需重新試驗。如圖13所示，變異系數CV均小于15%，表明此試驗數據具有良好代表性。水穩定系數隨纖維摻量的增加呈現先上升后下降趨勢，纖維摻量為0.30%時固化土水穩定系數最優。這表明POM纖維的加入能夠起到“加筋”效果，從而提升土體的整體強度。養護齡期為7 d和28 d時，纖維摻量0.15%的固化土強度損失分別為17.4%和12.6%，而未摻纖維的土體強度損失則分別為22.2%和18.9%。這表明POM纖維能夠提高固化土的水穩定性，養護時間越長，水泥的水化反應越充分，土體的強度也隨之增強。

3.5 凍融循環試驗

如圖14～15所示，經過5次凍融循環后，無論是否加入POM纖維，試樣的強度均有所損失。纖維摻量0～0.45%的試樣強度分別下降了0.778，0.645，0.535，0.616 MPa。抗凍指標BDR反映試樣在凍融循環過程中強度損失的多少和抗凍性能的好壞。POM纖維摻量0.15%，0.30%，0.45%時，在經歷5次凍融循環后，試樣抗凍指標BDR分別為79.95%，85.07%，81.59%，相比于對照組有顯著提升。同時，質量損失率分別下降至1.92%，1.49%，1.58%。綜合分析表明，在5次凍融循環后，摻入0.30%POM纖維的固化土顯示出較低的質量損失率和較高的抗凍指標，具有更好的抗凍性能。

POM纖維的加入有助于減輕試件在凍融循環中的強度損失。這是由于纖維的加入增強了土體局部的抗拉性能，約束裂縫的產生，減少凍脹作用對土體結構的破壞，土體強度的損失進而下降。但當POM纖維摻量過高，纖維在土體中容易形成團聚體，導致土體的孔隙率增加，加劇強度的損失。

表12和圖16顯示凍融循環次數與試驗結果的關系。隨著凍融循環次數的增加，對照組與加入0.15%，0.30%，0.45% POM纖維試樣的抗壓強度均呈現下降趨勢。對照組每增加一次凍融循環，抗凍指標BDR分別下降4.82%，4.83%，6.34%，6.30%，8.45%。摻有0.15% POM纖維的試樣在每次凍融循環后，抗凍指標BDR分別下降3.85%，2.77%，3.89%，4.57%，4.97%；摻有0.30% POM纖維的試樣在每次凍融循環后，抗凍指標BDR分別下降2.85%，2.43%，2.70%，2.74%，4.21%；摻有0.45% POM纖維的試樣在每次凍融循環后，抗凍指標BDR分別下降3.21%，2.38%，4.30%，3.38%，5.14%。

圖17為凍融循環次數與抗凍指標BDR變化曲線，對照組的曲線擬合度為99.96%，表明擬合效果較好。摻有0.15%，0.30%，0.45% POM纖維的試樣，其曲線擬合度分別為99.86%，99.71%，99.76%，表明固化土的抗凍指標BDR隨著凍融循環次數的增加呈現出較高的曲線擬合度。凍融后固化土的無側限抗壓強度與其受到的凍融循環次數之間的關系可用指數復合函數擬合。

由上述分析可知，隨著凍融循環次數的增加，固化土的抗凍指標BDR下降速度越快，抗凍性能越弱。究其原因是，固化土內部含有水分，在凍融作用下會轉變為冰晶，導致土體體積的微小膨脹，產生膨脹拉應力。當膨脹應力超過土體內部結構的抗拉強度，土體便會產生裂隙。在后續的凍融循環中，水分的增加會在原有的裂隙基礎上進一步促進凍脹作用，每一次凍融循環都會重復此過程。經過多次凍融循環的試樣，不僅內部結構受到損傷，而且表面剝蝕現象會隨著凍融次數的增加而加劇，導致微裂紋的數量增多，致使土體結構強度出現衰減。

4 結 論

（1） POM纖維的摻入能夠有效提升固化土的無側限抗壓強度，當水泥摻量5.47%、纖維摻量0.32%、纖維長度8.09 mm時，固化土的無側限抗壓強度達到最佳。通過BBD響應面設計試驗方法分析發現影響固化土性能的各單因素重要性從高到低依次為水泥摻量＞POM纖維摻量＞POM纖維長度。

（2） 在7，28，90 d測試齡期，POM纖維的摻加能夠增強固化土的劈裂強度。POM纖維摻量0.30%時，固化土劈裂強度最佳。根據劈裂強度前后期的強度變化趨勢可知，POM纖維對固化土劈裂強度的影響在前期起主導作用。較高的劈裂強度有助于減少基層出現裂縫的風險。

（3） POM纖維對固化土水穩定性影響呈現先增加后下降趨勢，纖維摻量0.30%時，試件在養護齡期7 d和28 d后水穩定系數為0.839，0.889，表明固化土在水穩定性方面表現優良，對于在濕潤氣候和土壤水分較高的地質環境中施工具有一定意義。

（4） POM纖維的摻加有助于提升固化土的抗凍性能，與未摻加纖維的固化土相比，POM纖維摻量0.30%時，固化土的抗凍指標BDR提高了15.81%，同時質量損失率降低了0.72%。POM纖維能夠增強土體局部抗拉性能，約束裂縫的產生，減少土體結構在凍脹作用下的破壞，進而降低土體強度和質量的損失。這種性能的改善適用于晝夜溫差較大或冬季施工的地區。

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（編輯：胡旭東）

Experimental study on performance of fiber composite solidified clay sand based on response surface method

WANG Hao¹，FU Dewei¹，ZHANG Shike²

（1.School of Architecture and Engineering，Henan University，Kaifeng 475004，China； 2.School of Architecture and Engineering，Anyang Normal University，Anyang 455000，China）

Abstract： As a road base，cement stabilized materials have the defects of low strength，easy to produce cracks and poor durability.Therefore，it is considered to add polyformaldehyde （POM） fiber to make composite solidified clay sand.The Box-Behnken response surface method was used for experimental design，and the unconfined compressive strength test，splitting strength test，water stability test and freeze-thaw cycle test were used to explore the performance improvement of composite solidified clay sand.The results showed that when the cement content was 5.47 %，the POM fiber content was 0.32 %，and the fiber length was 8.09 mm，the 7 d unconfined compressive strength of the solidified soil was the most obvious.The importance ranking of each single factor on the performance of solidified clay sand was：cement content gt; POM fiber content gt; POM fiber length.POM fiber could improve the splitting strength of solidified clay sand，enhance water stability and frost resistance.When the POM fiber content was 0.30 % and the fiber length was 8 mm，the splitting strength of solidified soil was the largest，and the water stability and frost resistance were significantly improved.The research results can provide reference for the performance improvement of clay sand in the Yellow River flood area.

Key words： clay sand； polyformaldehyde （POM） fiber； response surface method； mechanical performance； durability