周國富 孫皓馮文泉 馬福全 楊斌

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

不同種類纖維土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素分析★

周國富 孫皓*馮文泉 馬福全 楊斌

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

為研究纖維種類對纖維加筋土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，選用玻璃纖維土、碳纖維土、聚丙烯纖維土為研究對象，通過正交試驗(yàn)，得到了纖維種類、纖維長度以及纖維摻量三個因素對纖維加筋土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

纖維加筋土，正交試驗(yàn)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

0 引言

纖維加筋技術(shù)是一種通過向土中均勻摻加一定量的纖維來提高土體物理力學(xué)性質(zhì)的土體改良技術(shù)。近年來國內(nèi)外對于纖維加筋技術(shù)已經(jīng)做了大量研究并取得了一系列的研究成果。Prabakar和Sridhar通過直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)摻加纖維能夠有效的提高高壓縮性軟土的抗剪強(qiáng)度［1］。韓春鵬等做了大量直剪試驗(yàn)，確定了凍融作用下聚丙烯纖維加筋土體的最佳摻量為0.3%，最佳長度為9 mm［2］。Alrashidi等以纖維加筋水泥土為研究對象，發(fā)現(xiàn)土壤和纖維種類對抗壓強(qiáng)度有很大影響，并且認(rèn)為摻加纖維對水泥土強(qiáng)度的影響不大［3］。李敏等人通過三軸試驗(yàn)，研究了不同布筋位置對麥秸稈加筋石灰土的物理力學(xué)性質(zhì)影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)最佳的布筋位置為下部均勻布筋［4］。唐朝生做了含砂量對聚丙烯纖維土強(qiáng)度影響的研究，發(fā)現(xiàn)纖維加筋土作用最好的含砂量為4%。張艷美等研究了各種因素對土工合成纖維土的補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理，得出了纖維土補(bǔ)強(qiáng)計算經(jīng)驗(yàn)公式［5］。

但以上成果均是針對單種纖維加筋土體進(jìn)行的研究，對于不同種類纖維加筋土體作用效果的比較尚未展開系統(tǒng)的研究。因此，本文選用了玻璃纖維、碳纖維和聚丙烯纖維三種纖維對黑龍江某基坑黃土進(jìn)行加筋，通過正交試驗(yàn)，得到纖維種類、纖維長度以及纖維摻量三個因素對纖維加筋土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為黑龍江某基坑黃土，取樣深度為1.2 m～1.5 m，通過對所取的土體進(jìn)行比重試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)等基本物理性能試驗(yàn)，得到試驗(yàn)用土的基本物理指標(biāo)如表1所示，根據(jù)土體的基礎(chǔ)物理性能參數(shù)可以判定試驗(yàn)用土為低液限粉質(zhì)粘土。采用的玻璃纖維為亮白色短絲纖維，碳纖維為南京緯達(dá)復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的炭黑色短切纖維，聚丙烯纖維為鴻洋耐拉纖維網(wǎng)店購買的銀白色短切纖維，三種纖維基本物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表1 粉質(zhì)粘土物理指標(biāo)

表2 三種纖維物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案采用3因素3水平的正交試驗(yàn)設(shè)計，考慮的主要影響因素為纖維種類、纖維長度、纖維摻量，每個影響因素考慮3個水平，其中考慮到纖維密度:玻璃纖維＞碳纖維＞聚丙烯纖維，相同質(zhì)量下的纖維體積:玻璃纖維＜碳纖維＜聚丙烯纖維，故用編號1，2，3分別代表玻璃纖維、碳纖維、聚丙烯纖維作為纖維種類的3水平，纖維長度為6 mm，9 mm，12 mm，纖維摻量為0.1%，0.3%，0.5%，以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為試驗(yàn)測量指標(biāo)，設(shè)計了3水平3因素的正交試驗(yàn)方案L9(34)(見表3)。

表3 正交試驗(yàn)因素及水平

1.3 試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)土體放置一段時間至風(fēng)干，碾碎后將風(fēng)干土過2 mm篩，將篩得的土測得原始含水率并根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)所得到的最佳含水率配土，在土中摻加3種種類的纖維并攪拌均勻，土料燜料一晚后備用制件。試件采用靜壓壓實(shí)的方法制作，試件為圓柱土件，直徑38.1 mm、高80 mm，制得的試件均采用密封保鮮膜包好進(jìn)行密封，以防止水分散失［6］。

通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度來測定土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，本次試驗(yàn)采用LQ-200S型電腦全自動無級變速路強(qiáng)儀，控制加壓速率為0.1 mm/min，直到試件破壞，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果由儀器相關(guān)配套軟件計算分析得出。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述試驗(yàn)方法以及方案對制得的試件進(jìn)行室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可以得到不同種類纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu，所得無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 纖維土正交表及試驗(yàn)結(jié)果

2.2 極差分析

根據(jù)試驗(yàn)所得結(jié)果對纖維種類、纖維長度以及纖維摻量三個影響因素進(jìn)行極差分析，將試驗(yàn)分析結(jié)果列于表5。

表5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度極差分析

由表5中的極差分析結(jié)果可知，對于纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，影響因素的主次順序?yàn)?纖維摻量＞纖維種類＞纖維長度，說明纖維摻量對于纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最大，其次是纖維種類，最后是纖維長度。對于不同的纖維種類，Ⅰ2＞Ⅰ1＞Ⅰ3，說明碳纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，其次是玻璃纖維，最后為聚丙烯纖維。由表2可知，當(dāng)聚丙烯纖維的單絲直徑取中值33μm時，不同種類同種長度纖維的單絲質(zhì)量大小排列為:聚丙烯纖維＞玻璃纖維＞碳纖維，所以同質(zhì)量摻量的三種纖維中，碳纖維根數(shù)最多，玻璃纖維次之，聚丙烯纖維最少，纖維摻加根數(shù)增多，纖維對土體的孔隙填充效果更好且在土體中的纖維交織數(shù)目增加，數(shù)量眾多的纖維交織成網(wǎng)，有效控制土體側(cè)向變形，與此同時，碳纖維抗拉強(qiáng)度最高，彈性模量最好，玻璃纖維次之，聚丙烯纖維最差，因此試件中間膨脹破壞的過程中，碳纖維對土顆粒的箍筋作用最好，玻璃纖維次之，聚丙烯纖維最差。根據(jù)表中Ⅱ2＞Ⅱ3＞Ⅱ1，說明纖維土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨纖維長度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，最佳長度為9 mm，這是由于纖維的摻加使土體成為各向同性的三維結(jié)構(gòu)，隨著纖維長度的增長，在土體中的錨固長度增加，纖維彎曲纏繞的土顆粒數(shù)量增多，增加了與土體的作用面積和咬合程度［7］，提高了纖維與土體脫離的極限強(qiáng)度，與此同時，土體中的纖維交織點(diǎn)增多，交互交織形成更加牢固的三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［8］，但纖維長度過長時，纖維在土體中更容易纏繞成團(tuán)，形成雜質(zhì)減弱土體強(qiáng)度，與此同時，纖維長度太長，纖維之間形成層層分布的網(wǎng)狀空間網(wǎng)絡(luò)受力體系效果減弱，各向同性的增強(qiáng)效果減弱。在摻入不同纖維摻量時，Ⅲ3＞Ⅲ2＞Ⅲ1，說明纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加而增加，且增加趨勢有所降低，這是由于摻入一定量的纖維時，纖維交織連接形成均勻分布的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將土顆粒包圍纏繞起來，在試件側(cè)向膨脹的過程中，纖維起到箍筋作用阻止土體破碎膨脹，承擔(dān)了土樣因膨脹變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力，防止裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)大［9］，與此同時，纖維會填充土體內(nèi)的孔隙，使土體更加密實(shí)，抗壓強(qiáng)度增大，此外，土體毛細(xì)孔隙半徑減小，毛細(xì)作用增強(qiáng)，加筋土體的土顆粒間產(chǎn)生了由毛細(xì)壓力增大所生成的假內(nèi)聚力［10］，使無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)。但是當(dāng)纖維摻量較大，此時纖維數(shù)目較多，土顆粒與纖維之間的作用會逐漸代替土顆粒與土顆粒之間的作用，纖維對土體的增強(qiáng)效果在達(dá)到頂峰后會有所下降。

2.3 方差分析

對正交試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到纖維種類、纖維長度、纖維摻量三個影響因素對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的顯著性，所得到的方差分析的分析結(jié)果如表6所示，表6中方差來源①，②，③，④分別代表纖維種類、纖維長度、纖維摻量以及空列四個影響因素。

表6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)方差分析

根據(jù)表6所得到的結(jié)果可以看出方差分析表明誤差來源于纖維長度和空列，纖維摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響非常顯著，F(xiàn)值大于F0．01(2，4)=18.00，為主要影響因素。纖維種類的F值位于F0．10(2，4)與F0．05(2，4)之間，說明纖維種類對纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的顯著性一般。纖維長度的F值小于F0．10(2，4)，說明纖維長度對試驗(yàn)指標(biāo)的影響不顯著，其試驗(yàn)顯著性被誤差所淹沒。因此通過實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)可以判定對于纖維加筋土無側(cè)限而言各影響因素顯著性的主次順序?yàn)?纖維摻量＞纖維種類＞纖維長度。

3 結(jié)語

對纖維加筋粉質(zhì)粘土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，通過對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行稽查和方差分析，可以得到如下結(jié)論:

1)對于纖維加筋土，纖維摻量對加筋土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響特別顯著，纖維種類和纖維長度對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響顯著性不高，影響顯著性次序?yàn)?纖維摻量＞纖維種類＞纖維長度。

2)碳纖維因其單絲質(zhì)量最小，相同質(zhì)量下加筋土體根數(shù)較多且物理力學(xué)性能優(yōu)于其他兩種纖維，對土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作用效果最為明顯，玻璃纖維次之，聚丙烯纖維作用效果最差。3)隨著纖維長度的不斷提升，纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后減小，最佳長度為9 mm。隨著纖維摻量的增加，加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增大，但增加幅度不斷減小。

［1］ JPrabakar，R.SSridhar.Effectof random inclusion of sisal fibre on strength behaviour of soil［J］.Construction and BuildingMaterials，2002(10):162.

［2］ 韓春鵬，何鈺龍，申楊凡，等.凍融作用下纖維土抗剪強(qiáng)度影響因素試驗(yàn)研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2015(2):275-281.

［3］ AlrashidiMJK，Alrashidi M.Durability and mechanistic characteristics of fiber reinforced soil-cementmixtures［J］.The International Journal of Pavement Engineering，2006，7(1):53-62.

［4］ 李 敏，柴壽喜，杜紅普，等.麥秸稈加筋土的合理布筋位置和抗剪強(qiáng)度模型［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010(S2): 3923-3929.

［5］ 張艷美，張旭東，張鴻儒.土工合成纖維土補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2005(8):1323-1326.

［6］ 王紹全，申楊凡，何鈺龍，等.凍融作用下石灰改良土微觀特性研究［J］.路基工程，2015(3):75-78，83.

［7］ 唐朝生，施 斌，高 瑋，等.含砂量對聚丙烯纖維加筋黏性土強(qiáng)度影響的研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007(S1): 2968-2973.

［8］ 包承綱，丁金華.纖維加筋土的研究和工程應(yīng)用［J］.土工基礎(chǔ)，2012(1):80-83.

［9］ 吳繼玲，張小平.聚丙烯纖維加筋膨脹土強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.土工基礎(chǔ)，2010(6):71-73，76.

［10］ 劉紅軍，韓春鵬.土質(zhì)土力學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2012.

Analysis on factors of unconfined com pressive strength of different kinds of fiber soil★

Zhou Guofu Sun Hao*Feng W enquan M a Fuquan Yang Bin

(School of Civil Engi．，Northeast Forestry Univ．，Harbin 150040，China)

In order to study the influence of the fiber kind effecton the unconfined compressive strength of fiber reinforced soil，taking glass fibers soil，short carbon fibers soil and polypropylene fibers soil as research objects.The effects of fiber kind，fiber length，fiber content on fiber reinforced soil unconfined compressive strength were analyzed through orthogonal tests.

fiber reinforced soil，orthogonal test，unconfined compressive strength

TU432

A

1009-6825(2015)29-0047-03

2015-08-06 ★:大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:530-41110110)

周國富(1993-)，男，在讀本科生

孫 皓(1994-)，男，在讀本科生