纤维加筋无机稳定土的无侧限抗压强度试验研究

袁小永 ，杨悦 （安徽国防科技职业学院城市建设学院，安徽 六安 237011）

在土体中掺入水泥、石灰、粉煤灰等无机结合料来提高土体的强度是路基处理中常用的方法，这种方法可以有效降低土体压缩性，改善土体变形特性。但此方法已经不能满足现阶段道路施工要求。为解决这一问题，在无机结合料稳定土中掺加合成纤维的方法，渐渐被广泛应用于工程实践中。

叶之琳等[1]采用不同的纤维长度与配合比，进行单轴抗压强度试验，得到最有利于水泥土强度的纤维种类、掺入量以及水泥、土的配合比。阮波等[2]研究了玻璃纤维掺量与长度对纤维加筋水泥土无侧限抗压强度的影响。结果表明，纤维的加入能有效提高水泥土的延性、无侧限抗压强度等物理力学指标，同时得出加筋效果最佳的配比为掺量为0.2%，长度为9 mm。虢曙安[3]通过不固结不排水剪切试验发现，掺入一定比例的石灰和玻璃纤维对提高红黏土的抗剪强度有极大促进作用，提升效果最优时纤维长度和掺量分别为0.2%和6 mm。毕海民等[4]通过试验研究得出，采用粉煤灰+聚丙烯纤维对膨胀土进行改良能取得较好的效果。鹿群等[5]通过无侧限抗压和疲劳试验发现，添加纤维可小幅度提高水泥土的抗压强度，亦提高了水泥土的延性，减少了裂缝的开展，改善了其力学性能，同时添加纤维后水泥土抵抗疲劳的能力也明显增强。

为探究合成纤维对加筋无机稳定土的无侧限抗压强度的影响，本文开展了不同掺量与长度下聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维对水泥土、石灰土、粉煤灰土三种土的正交试验，试验成果可为改良路基填土的工程应用提供一定的参考价值。

黏土的物理力学性质 表1

纤维的物理力学参数 表2

无机结合料的物理力学指标 表3

1 实验材料

试验所用黏土取自合肥市某市政工程项目，其物理力学性质见表1，合成纤维（以下简称纤维）相关参数见表2，无机结合料的常用指标见表3。

2 试验方案

试验考虑纤维的种类、掺量及长度3个因素的影响，分别为聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维，掺量选取了0.1%、0.3%、0.5%，长度为6mm、9mm、12mm。试验考虑为3因素3水平[6]，采用L9(34)，具体方案见表4、5。在参考了相关文献后[7-10]，确定了试验土中水泥的掺量为4.5%、水灰比为0.5，石灰的掺量为8%，粉煤灰的掺量为30%，即本次试验不考虑土种类的影响。试验采用100mm×50mm（h×d）标准圆柱体试件。

3 试样制备及试验

将试验用土烘干，用球磨机研磨，过2 mm方孔筛得试验土样，将土、无机结合料和纤维按设定的质量比混合搅拌均匀。按最优含水率，将水用喷壶均匀的洒于土样表面，使水与土样均匀结合。将拌合后的土样用密封袋密封静置一夜以保证水分充分迁移，以提高试验结果的准确性，如图1所示。

根据《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）所述，将混合料统一制成尺寸为直径50 mm，高度100mm的圆柱体试样，将试件用保鲜膜包裹并装在密封袋中养护3d，测无侧限抗压强度。无侧限抗压强度试验采用微机控制式电子万能实验机，试验时以应变控制。制样与压样过程如图2、3所示。

4 试验结果及分析

4.1 实验结果

正交试验常用分析方法有两种：极差分析法和方差分析法。两种方法结合使用，可以此分清各因素对试验指标作用大小的顺序，判断因素对试验指标影响的显著程度，并得到试验因素的最优水平和试验范围内的最优组合。试验结果如表6所示。

4.2 结果分析

4.2.1 极差分析

对三种土的无侧限抗压强度结果进行处理，得到正交试验各因素极差值，见表7。三因素与无侧限抗压强度的关系如图4所示。极差越大，表明该试验因素对试验指标的影响越大，作用越明显。

图1 试验材料

图2 试样制备

图3 试验过程

图4 三因素与无机稳定土无侧限抗压强度的关系

试验因素与水平 表4

正交试验方案 表5

正交试验结果 表6

由表7可以看出，对于水泥土无侧限抗压强度，纤维种类影响最大，纤维掺量影响次之，而纤维长度的极差值都小于空列极差值，说明在试验水平取值范围内，其影响不明显。对于石灰土无侧限抗压强度，纤维种类影响最大，而纤维掺量与纤维长度的极差值都小于空列极差值，说明在试验水平取值范围内，其影响不明显。对于粉煤灰土无侧限抗压强度，纤维种类影响最大，纤维长度影响次之，最后是纤维掺量，因三个因素的极差值都大于空列极差值，说明在试验水平取值范围内，三个因素的影响都较为明显。

由图4可看出，在三个因素影响下，水泥土无侧限抗压强度指标最优组合（k最大值所对应的因素水平）分别为A3B3C2，即：聚酯纤维、掺量0.5%、长度9mm；石灰土无侧限抗压强度指标最优组合分别为A1B2C2，即：聚乙烯醇、掺量0.3%、长度9mm；粉煤灰土无侧限抗压强度指标最优组合分别为A3B3C2，即：聚酯纤维、掺量0.5%、长度9mm。

4.2.2 方差分析

极差分析简单直观、计算量小，但不能精确地判断各因素对试验指标影响的显著性程度。为了弥补极差分析的不足，对试验结果进行方差分析。方差分析见表8。

由表8方差分析结果可以看出，在显著性水平α=0.05下，纤维种类、纤维掺量、纤维长度对三种土的无侧限抗压强度的影响都不显著，原因可能有三点：

①由于试验是安排在冬季寒冷季节进行，试验过程中人的因素较为突出，导致试验结果误差较大，进而掩盖了因素的显著性；

②由于纤维质地轻薄，纤维之间的黏结性较强，在手工拌制试验土样时，很难保证纤维与干土均匀拌合，同时制样误差，也增加了试验结果的不确定性；

③试验采用的是微机控制式电子万能实验机，虽说操作时以应变控制，但对于常规土样来说，其试验结果的精确度却也很难把握，进一步放大了试验结果误差。

极差分析表 表7

方差分析表 表8

由表8的F比值可以看出，各因素对水泥土无侧限抗压强度的影响程度由大到小为纤维种类、纤维掺量、纤维长度。对石灰土无侧限抗压强度的影响程度由大到小为纤维种类、纤维掺量、纤维长度。对粉煤灰土无侧限抗压强度的影响程度由大到小为纤维种类、纤维长度、纤维掺量。可见，方差分析结论与极差分析结论基本一致。

5 结论

①极差、方差分析表明：对于水泥土无侧限抗压强度，纤维种类影响最大，纤维掺量影响次之，纤维长度影响不明显。对于石灰土无侧限抗压强度，纤维种类影响最大，纤维掺量与纤维长度影响不明显。对于粉煤灰土无侧限抗压强度，纤维种类影响最大，纤维长度影响次之，最后是纤维掺量，三个因素的影响都较为明显。

②试验表明：水泥土无侧限抗压强度指标最优组合分别为聚酯纤维、掺量0.5%、长度9mm。石灰土无侧限抗压强度指标最优组合为聚乙烯醇、掺量0.3%、长度9mm。粉煤灰土无侧限抗压强度指标最优组合为聚酯纤维、掺量0.5%、长度9mm。在实际工程中，可根据工程实际需要，合理选择各项因素配比。

③在显著性水平α=0.05下，纤维种类、纤维掺量、纤维长度对三种土的无侧限抗压强度的影响都不显著，原因可能有三点：试验中的人为因素导致误差较大；纤维材质轻薄，很难保证土样的均匀拌合；试验仪器本身的原因造成的误差。