基于正交试验的不同种类纤维土抗剪强度分析★

吕坤城 孙 皓* 冯文泉 赵 磊 马福全 周国富 杨 斌

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

基于正交试验的不同种类纤维土抗剪强度分析★

吕坤城 孙 皓* 冯文泉 赵 磊 马福全 周国富 杨 斌

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

通过正交试验，对纤维种类、纤维长度以及纤维掺量对纤维加筋土抗剪强度的影响进行了分析，试验结果表明：纤维掺量和纤维种类对纤维土抗剪强度指标影响较为显著，纤维长度对纤维土的抗剪强度指标影响较小，三种纤维中，聚丙烯纤维的粘聚力最大，碳纤维的内摩擦角最大。

纤维土，正交试验，抗剪强度，纤维种类

0 引言

抗剪强度是土体的一项非常重要的物理力学性质指标，对地基承载力与边坡稳定性有着重要的影响，抗剪强度不足会引起道路的边坡失稳、土体滑坡、挡土墙破坏等一系列工程问题。在工程实践中，人们采取了很多方法提高土体的抗剪强度，纤维加筋技术就是其中的一种。纤维加筋技术是一项通过向土体中均匀掺加一定比例的纤维，提高土体整体性和物理力学性质的土体加固技术[1]。目前国内外对纤维土抗剪强度已经有了一定的研究。Prabakar 和Sridhar 通过对软土进行抗剪强度试验，发现掺加纤维能有效提高土体的抗剪强度参数[2]；Welker和Josten在最佳含水率的环境下对纤维加筋土开展了一系列的直剪试验，确定最佳纤维掺量为0.2%[3]；柴寿喜等人进行了麦秸秆加筋土的三轴压缩试验，研究了布筋区域和截面形状对纤维土抗剪强度的影响[4]。

经过大量的试验结果验证，纤维加筋技术在一定的掺配比条件下能够有效提高土体抗剪强度。但目前对纤维土抗剪强度的研究均是以同一种纤维为试验对象，确定何种纤维加筋土体抗剪强度最高对指导工程实践有着重要的参考意义。因此，以哈尔滨某道路施工现场用土为研究对象，以玻璃纤维、碳纤维、聚丙烯纤维为研究对象，通过正交试验分析纤维种类、纤维长度以及纤维掺量对土体抗剪强度影响的显著程度，得到不同种类纤维对土体抗剪强度的影响规律。

1 试验材料

1.1 土

试验土样取自哈尔滨某道路施工现场，土样颜色为黄色，对土体进行基本物理性能试验确定试验用土为低液限粉质粘土，其基本物理力学参数如表1所示。

表1 试验土体物理指标

1.2 纤维

试验采用三种短切纤维：碳纤维(见图1)、玻璃纤维(见图2)、聚丙烯纤维(见图3)，其基本物理力学参数如表2所示。

2 试验研究

2.1 试验方法

将从施工现场取来的土体在通风干燥处静置风干并碾碎，过2 mm筛后加水至最佳含水率，按照计算好的质量掺量将土与纤维搅拌均匀，密封保存一夜后备用制件。试件以0.96的压实度采用静压压实的方法制作，为φ61.8 mm×20 mm 的圆柱土件。制得的试件均采用密封保鲜膜包好进行密封，以防止水分散失[5]。

表2 短切纤维物理指标

试验采用SDJ-Ⅱ型三速电动等应变直剪仪，根据JTG E40—2007公路土工试验规程[6]，对试件分别加载50 kPa,100 kPa,200 kPa和300 kPa的竖向荷载，控制剪切速度为0.8 mm/min，直至试件被剪坏。

2.2 正交试验设计

正交试验设计是研究多因素多水平的一种试验设计方法[7]，其基本原理是在全面试验中选择一些具有典型性、代表性并在试验范围内均匀分散的点，通过部分的试验来反映试验的全面情况，被广泛用来寻找最优条件。本试验的影响因素为纤维种类、纤维长度和纤维掺量，试验选用工程中常用的三种纤维(玻璃纤维、碳纤维、聚丙烯纤维)作为纤维种类的3水平。通过查阅文献[8]，确定出各因素的水平如表3所示。

表3 正交试验因素及水平

3 正交试验结果与分析

通过室内直剪试验得到不同种类纤维土的抗剪强度指标φ，c值，如表4所示。

表4 纤维土正交表及试验结果

1)极差分析。极差Rj反映了因素对试验指标的影响程度，Rj越大，该因素对试验指标的影响程度越大[7]。使用正交设计助手对正交试验所得数据进行直观性分析如表5所示。

表5 直观性分析

通过表5可以看出，对φ的极差而言，各因素的极差值都很小，纤维掺量的极差值最大，各因素Rj的大小排列为：纤维掺量>纤维种类>纤维长度，说明各因素对内摩擦角的影响都很小，纤维掺量对于φ的影响最大，纤维种类对φ的影响次之，纤维长度对于φ的影响最小；粘聚力的极差值变化比较大，各因素Rj的大小排列为：纤维种类>纤维掺量>纤维长度，其中纤维种类的极差远大于纤维长度和纤维掺量，这说明纤维种类为粘聚力最主要的影响因素，纤维长度和纤维掺量对加筋土粘聚力的影响较弱。φ和粘聚力的空列项都比较大，除了试验误差的影响之外，还可能由于不同种类纤维的最佳长度与最佳掺量有所不同影响了分析结果。

2)因素效应分析。对表5中正交试验中纤维种类的均值进行效应分析，抗剪强度指标内摩擦角φ与粘聚力c随纤维种类的变化趋势如图4所示。

根据图4可以看出，对内摩擦角而言，碳纤维土最大，聚丙烯纤维土次之，玻璃纤维土的内摩擦角最小，不同纤维种类对内摩擦角的影响很小，最大值与最小值仅差1.986°。对纤维的粘聚力而言，聚丙烯纤维土的粘聚力最大，玻璃纤维土次之，碳纤维土的粘聚力最小。其原因是不同纤维有着不同的物理力学性质、表面物理性质和分散性，导致纤维与土颗粒间的作用效果不同。

三种纤维中，聚丙烯纤维表面最为光滑，碳纤维则表面最为粗糙，玻璃纤维的表面粗糙度介于两者之间。纤维表面的粗糙度越高，纤维与土颗粒之间的咬合作用越强，摩擦力越大，因此碳纤维的内摩擦角最大。聚丙烯纤维虽然表面光滑，但是其分散性最好，在土体中均匀分散成三维立体的网状结构，土体受到剪切时，荷载通过受力网分布扩散，同时由于纤维的“锚固”作用[9]，限制了土颗粒的位移，使内摩擦角增大。

对纤维的粘聚力而言，聚丙烯纤维土的粘聚力最大，玻璃纤维土次之，碳纤维土的粘聚力最小。这主要是由于分散性不同，在试验选取的三种纤维中，聚丙烯纤维的分散性最好，玻璃纤维次之，碳纤维最差。纤维分散性越好，在土体中分散的越均匀，纤维间的交织作用与弯曲作用[10]越明显。聚丙烯纤维的分散性最好，在土体中的纤维交织点最多，数量众多的纤维交织成网，有效控制土体的变形与位移，并将荷载传递到土体的其他部分。碳纤维的分散性最差，纤维在土体中形成棉絮状物质，影响了其对土体粘聚力的增强效果。

3)方差分析。运用SPSS根据正交试验结果对内摩擦角φ和粘聚力c进行方差分析列于表6。

表6 抗剪强度指标方差分析

选用Sig.=0.05为判定分界线，由表6中方差分析结果可以看出，对内摩擦角和粘聚力而言，各影响因素的Sig.值均大于0.05，内摩擦角Sig.值的大小排列顺序为：Sig.(C)< Sig.(A)< Sig.(B),其中Sig.(C)=0.084，最接近0.05，粘聚力Sig.值的大小排列顺序为：Sig.(A)< Sig.(C)< Sig.(B),内摩擦角与粘聚力的均方都比较大，超过了Sig.值最大影响因素的均方。以上结果可以说明，纤维掺量对内摩擦角的影响程度最大，为最主要的影响因素，纤维种类对φ的影响较弱，纤维长度的影响程度最弱。对粘聚力而言，纤维种类为主要的影响因素，纤维掺量次之，纤维长度最差。综合以上分析，纤维种类和纤维长度是影响土体抗剪强度的主要因素。

4 结语

1)通过对正交试验结果进行极差和方差分析，发现纤维种类与纤维掺量为纤维加筋土抗剪强度的主要影响因素，各影响因素对土体内摩擦角的影响显著性次序为：纤维掺量>纤维种类>纤维长度，各影响因素对土体粘聚力的影响显著性次序为：纤维种类>纤维掺量>纤维长度。2)不同的纤维有着不同的表面物理性质、物理力学性质和分散性，导致不同种类纤维加筋土的抗剪强度不同，三种纤维加筋土的内摩擦角大小顺序为：碳纤维>聚丙烯纤维>玻璃纤维，三种纤维加筋土的粘聚力大小顺序为：聚丙烯纤维>玻璃纤维>碳纤维。3)对正交试验结果进行分析后发现，不同纤维种类加筋土体有着不同的最佳掺量方案，有待于进一步设计方案进行研究。

[1] 潘 军,王 桢.纤维土的发展及其在膨胀土中的应用.路基工程,1996(5):12-15.

[2] Prabakar J，Sridhar RS． Effect of random inclusion of sisal fiber on strength behaviour of soil.Construction and Building Materials，2002，16(2):123-131.

[3] Welker AL，Josten N． Interface friction of a geomembrane with a fiber reinforced soil.Geo-Frontiers Congress.United States:ASCE，2005．

[4] 柴寿喜,王 沛,王晓燕.麦秸秆布筋区域与截面形状下的加筋土抗剪强度.岩土力学,2013(1):123-127.

[5] 刘红军，韩春鹏.土质土力学.北京:北京大学出版社,2012.

[6] JTG E40—2007，公路土工试验规程.

[7] 康立鹏,施成华,彭立敏,等.基于正交试验的立体交叉隧道施工影响因素研究.铁道科学与工程学报,2012(4):70-74.

[8] 施 斌,唐朝生,蔡 奕,等.聚丙烯纤维加筋土工程性质分析.中国地质学会工程地质专业委员会2006年学术年会暨“城市地质环境与工程”学术研讨会论文集.2006:6.

[9] 唐朝生,施 斌,高 玮,等.含砂量对聚丙烯纤维加筋黏性土强度影响的研究.岩石力学与工程学报,2007(S1):2968-2973.

[10] 张艳美,张旭东,张鸿儒.土工合成纤维土补强机理试验研究及工程应用.岩土力学,2005(8):1323-1326.

Analysis of shear strength of different kinds of fiber soil based on orthogonal experiment★

Lv Kuncheng Sun Hao* Feng Wenquan Zhao Lei Ma Fuquan Zhou Guofu Yang Bin

(SchoolofCivilEngi.,NortheastForestryUniv.,Harbin150040,China)

The influences of fiber kind, fiber length and fiber content for fiber reinforced soil shear strength were analyzed by orthogonal test. The experimental results show that fiber kind and fiber content are the main factors affecting the shear strength of fiber soil, the fiber length has little effect on the shear strength of fiber soil. In three kinds of fiber, the cohesion of polypropylene fiber is the biggest, and the internal friction angle of carbon fiber is the largest.

fiber soil, orthogonal experiment, shear strength, fiber kind

2015-09-24★：大学生创新训练计划项目(项目编号：530-41110110)

吕坤城(1994- )，男，在读本科生； 冯文泉(1994- )，男，在读本科生； 赵 磊(1994- )，男，在读本科生； 马福全(1994- )，男，在读本科生； 周国富(1993- )，男，在读本科生； 杨 斌(1994- )，男，在读本科生

孙 皓(1994- )，男，在读本科生

1009-6825(2015)33-0060-03

TU432

A