劉思奇 馮文泉 孫 皓 趙 磊 韓春鵬

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

基于正交試驗(yàn)的木質(zhì)纖維土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析★

劉思奇 馮文泉 孫 皓 趙 磊 韓春鵬*

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

通過正交試驗(yàn)，分析了壓實(shí)度、含水率以及纖維摻量三個因素對木質(zhì)纖維加筋土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：含水率以及壓實(shí)度對木質(zhì)纖維土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響非常顯著，纖維摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響有一定的顯著性，木質(zhì)纖維無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度的增長不斷上升，隨含水量以及纖維摻量的增大而減小。

木質(zhì)纖維土，正交試驗(yàn)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

纖維加筋技術(shù)是一種新興的土體加筋技術(shù)，即往土中摻入一定量的纖維，使其均勻分布以增強(qiáng)土體的強(qiáng)度以及韌性。目前我國的纖維加筋技術(shù)已有一定的發(fā)展，主要研究的土體加筋材料有聚丙烯纖維、玻璃纖維、麥秸稈、聚酯纖維、棉質(zhì)纖維等等，但對于木質(zhì)纖維加土體的研究還尚未系統(tǒng)性的展開。木質(zhì)纖維作為天然環(huán)保的材料，是加筋土體的良好使用原料，因此對木質(zhì)纖維土進(jìn)行研究具有較大的意義。本文通過對黑龍江某工程使用粉質(zhì)粘土為加筋材料，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，得到含水率、密實(shí)度以及纖維摻量三個因素對木質(zhì)纖維土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用土為黑龍江某工程用粉質(zhì)粘土，土樣顏色為黃色，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)見表1，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。采用的木質(zhì)纖維為新城張楊密封材料制品廠生產(chǎn)的灰色絮狀短絲纖維，其基本物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表1 粉質(zhì)粘土物理指標(biāo)

表2 木質(zhì)纖維物理指標(biāo)

試驗(yàn)方案采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，考慮的主要影響因素為纖維摻量、壓實(shí)度、含水量，每個影響因素考慮三個水平，其中纖維摻量為3%，6%，9%，壓實(shí)度為92%，94%，96%，含水量為12%，14%，16%，并以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為力學(xué)相應(yīng)量，采用三水平三因素的正交試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，其因素水平表見表3。

表3 正交試驗(yàn)因素及水平 %

將試驗(yàn)土體風(fēng)干碾碎后根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)所得到的最佳含水率配土，在土中摻加木質(zhì)纖維并攪拌均勻，土料燜料一晚后備用制件。采用靜壓壓實(shí)的方法成型制件，制得的無側(cè)限抗壓試驗(yàn)試件為直徑38.1 mm、高80 mm的圓柱土件，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[1]。采用LQ-200S型電腦全自動無級變速路強(qiáng)儀對所制得的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以0.1 mm/min的加壓速率對試件進(jìn)行加載，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果由儀器相關(guān)配套軟件計(jì)算得出。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)方案以及方法對制得的試件進(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)行處理后可以得到木質(zhì)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)果見表4。

2.2 極差分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果對含水量、壓實(shí)度以及木質(zhì)纖維摻量三個影響因素進(jìn)行極差分析，所得到的極差分析結(jié)果如表5所示。

由表5中的極差分析結(jié)果可知，對于木質(zhì)纖維土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，主要的影響因素的主次順序?yàn)椋汉?壓實(shí)度>纖維摻量，說明含水量對于木質(zhì)纖維土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最大，其次是壓實(shí)度，最后是纖維摻量。在不同含水量的情況下Ⅰ1>Ⅰ2>Ⅰ3，說明木質(zhì)纖維土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含水量的增大不斷減小，這是由于含水量增高，土顆粒之間的擴(kuò)散層不斷增厚，引起土顆粒間的粘聚效果減弱，土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低，這是符合一般土體隨含水量增大引起無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷衰減規(guī)律的；根據(jù)表中Ⅱ3>Ⅱ2>Ⅱ1，說明木質(zhì)纖維土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度的增強(qiáng)而不斷增強(qiáng)，這是由于當(dāng)土體壓實(shí)度增加時，會引起土體內(nèi)部孔隙率下降，土顆粒之間的膠合作用以及纖維與土之間的膠合作用會有一定程度的增強(qiáng)，同時壓實(shí)度的增大引起的孔隙減小同樣會引起纖維對土體毛細(xì)孔隙壓力的增強(qiáng)，因此也會引起纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加；在摻入不同木質(zhì)纖維摻量時Ⅲ1>Ⅲ2>Ⅲ3，說明木質(zhì)纖維土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著木質(zhì)纖維摻量的增加而有所下降，且下降的速度有所降低，這是由于摻入一定量的木質(zhì)纖維時，由于其會形成均勻分布的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此會在一定程度上由交織作用增強(qiáng)土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但是當(dāng)纖維摻量較大，此時纖維數(shù)目較多，原有的土顆粒與土顆粒之間的作用會變成土顆粒與纖維之間的作用，纖維土整體的膠合作用下降會引起土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的下降。

表4 纖維土正交表及試驗(yàn)結(jié)果

表5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度極差分析

2.3 方差分析

通過方差分析可以得到各影響因素對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作用影響的顯著性，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果對含水量、壓實(shí)度以及木質(zhì)纖維摻量三個影響因素進(jìn)行方差分析，所得到的極差分析結(jié)果如表6所示，表6中方差來源①，②，③，④分別代表含水量、壓實(shí)度、纖維摻量以及空列四個影響因素。

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空列，說明三個影響因素對于木質(zhì)纖維土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響都很顯著，其中含水量以及壓實(shí)度對于木質(zhì)纖維無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的F值分別為446.425以及213.956，均大于F0.01(2,2)=99.00，說明含水量以及壓實(shí)度對于木質(zhì)纖維無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響特別顯著，其中木質(zhì)纖維摻量的F值在F0.05(2,2)與F0.10(2,2)之間，說明木質(zhì)纖維摻量對于木質(zhì)纖維無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響顯著性一般，因此通過偏差平方和以及F值均可以判定對于木質(zhì)纖維土無側(cè)限而言，各影響因素顯著性的主次順序?yàn)椋汉?壓實(shí)度>纖維摻量。

表6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)方差分析

3 結(jié)語

通過基于正交試驗(yàn)方案的木質(zhì)纖維加筋粉質(zhì)粘土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可以得到的結(jié)論主要如下：

1)對于木質(zhì)纖維加筋土，各個影響因素對于加筋土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響都較為顯著，其中影響顯著性次序?yàn)椋汉?壓實(shí)度>纖維摻量。2)含水率提高會使得木質(zhì)纖維土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大幅度降低，提高壓實(shí)度可以提高木質(zhì)纖維土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，這點(diǎn)與普通土體是一致的。3)隨著木質(zhì)纖維摻量的不斷提升，木質(zhì)纖維的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度會出現(xiàn)一定幅度的下滑，其下滑趨勢是不斷下降的。

[1] 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(bào),2015(2):275-281.

[2] Kumar A，Walia BS，Mohan J．Compressive strength of fiber reinforced highly compressible clay[J].Construction and Building Materials，2006，20(10):1063-1068．

[3] 張旭東,戰(zhàn)永亮,張艷美.纖維土強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J].路基工程,2001(1):36-38.

[4] 劉 芳,孫 紅,葛修潤.玻璃纖維土的三軸試驗(yàn)研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011(5):762-766，771.

[5] 柴壽喜,王 沛,王曉燕.麥秸稈布筋區(qū)域與截面形狀下的加筋土抗剪強(qiáng)度[J].巖土力學(xué),2013(1):123-127.

[6] JTG E40—2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[7] Kbulut S,Arasan S,Kalkan E.Modification of clayey sire rubber and synthetic fibers[J].Applied Clay Science,2007,38(1):23-32.

[8] 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.

[9] 韓春鵬,唐浩桐,程培峰,等.凍融作用下纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].公路,2015(5):166-170.

Analysis of unconfined compressive strength of wood fiber soil based on orthogonal experiment★

Liu Siqi Feng Wenquan Sun Hao Zhao Lei Han Chunpeng*

(SchoolofCivilEngi.,NortheastForestryUniv.,Harbin150040,China)

According to the orthogonal experiment, the paper analyzes the influence of the compression, water content, and fiber mixing volume on the unconfined compressive strength experiment of the wooden fiber reinforced soil, proves by the test result that the water content and compression have the evident influence on the anti-shearing strength index of the wood fiber soil, the fiber mixing has certain effect on the unconfined compressive strength, and indicates the wood fiber unconfined compressive strength increases along with the rising compaction, while it lowers along with the increasing water content and fiber mixing volume.

wood fiber soil, orthogonal experiment, unconfined compressive strength

1009-6825(2015)28-0060-02

2015-07-26★:中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(項(xiàng)目編號：2572014CB21)

劉思奇(1993- )，男，在讀本科生

韓春鵬(1979- )，男，博士，講師

TU432

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