基于正交试验的木质纤维土无侧限抗压强度分析★

刘思奇 冯文泉 孙 皓 赵 磊 韩春鹏

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

基于正交试验的木质纤维土无侧限抗压强度分析★

刘思奇 冯文泉 孙 皓 赵 磊 韩春鹏*

(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，分析了压实度、含水率以及纤维掺量三个因素对木质纤维加筋土无侧限抗压强度试验的影响，试验结果表明：含水率以及压实度对木质纤维土的抗剪强度指标影响非常显著，纤维掺量对无侧限抗压强度的影响有一定的显著性，木质纤维无侧限抗压强度随压实度的增长不断上升，随含水量以及纤维掺量的增大而减小。

木质纤维土，正交试验，无侧限抗压强度

纤维加筋技术是一种新兴的土体加筋技术，即往土中掺入一定量的纤维，使其均匀分布以增强土体的强度以及韧性。目前我国的纤维加筋技术已有一定的发展，主要研究的土体加筋材料有聚丙烯纤维、玻璃纤维、麦秸秆、聚酯纤维、棉质纤维等等，但对于木质纤维加土体的研究还尚未系统性的展开。木质纤维作为天然环保的材料，是加筋土体的良好使用原料，因此对木质纤维土进行研究具有较大的意义。本文通过对黑龙江某工程使用粉质粘土为加筋材料，设计正交试验，得到含水率、密实度以及纤维掺量三个因素对木质纤维土无侧限抗压强度的影响。

1 试验材料与方法

试验用土为黑龙江某工程用粉质粘土，土样颜色为黄色，对所取的土体进行比重试验、界限含水率试验、击实试验等基本物理性能试验，得到试验用土的基本物理指标见表1，根据土体的基础物理性能参数可以判定试验用土为低液限粉质粘土。采用的木质纤维为新城张杨密封材料制品厂生产的灰色絮状短丝纤维，其基本物理力学指标见表2。

表1 粉质粘土物理指标

表2 木质纤维物理指标

试验方案采用正交试验设计，考虑的主要影响因素为纤维掺量、压实度、含水量，每个影响因素考虑三个水平，其中纤维掺量为3%，6%，9%，压实度为92%，94%，96%，含水量为12%，14%，16%，并以无侧限抗压强度为力学相应量，采用三水平三因素的正交试验方案进行设计，其因素水平表见表3。

表3 正交试验因素及水平 %

将试验土体风干碾碎后根据击实试验所得到的最佳含水率配土，在土中掺加木质纤维并搅拌均匀，土料焖料一晚后备用制件。采用静压压实的方法成型制件，制得的无侧限抗压试验试件为直径38.1 mm、高80 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[1]。采用LQ-200S型电脑全自动无级变速路强仪对所制得的无侧限抗压强度试件进行无侧限抗压强度试验，以0.1 mm/min的加压速率对试件进行加载，所得实验结果由仪器相关配套软件计算得出。

2 试验结果分析

2.1 试验结果

根据上述试验方案以及方法对制得的试件进行室内无侧限抗压强度试验，对正交试验的数据进行处理后可以得到木质纤维加筋土的无侧限抗压强度qu，所得无侧限抗压强度的试验结果见表4。

2.2 极差分析

根据正交试验结果对含水量、压实度以及木质纤维掺量三个影响因素进行极差分析，所得到的极差分析结果如表5所示。

由表5中的极差分析结果可知，对于木质纤维土的无侧限抗压强度，主要的影响因素的主次顺序为：含水量>压实度>纤维掺量，说明含水量对于木质纤维土的无侧限抗压强度影响最大，其次是压实度，最后是纤维掺量。在不同含水量的情况下Ⅰ1>Ⅰ2>Ⅰ3，说明木质纤维土无侧限抗压强度随着含水量的增大不断减小，这是由于含水量增高，土颗粒之间的扩散层不断增厚，引起土颗粒间的粘聚效果减弱，土体的无侧限抗压强度降低，这是符合一般土体随含水量增大引起无侧限抗压强度不断衰减规律的；根据表中Ⅱ3>Ⅱ2>Ⅱ1，说明木质纤维土无侧限抗压强度随压实度的增强而不断增强，这是由于当土体压实度增加时，会引起土体内部孔隙率下降，土颗粒之间的胶合作用以及纤维与土之间的胶合作用会有一定程度的增强，同时压实度的增大引起的孔隙减小同样会引起纤维对土体毛细孔隙压力的增强，因此也会引起纤维加筋土的无侧限抗压强度增加；在掺入不同木质纤维掺量时Ⅲ1>Ⅲ2>Ⅲ3，说明木质纤维土的无侧限抗压强度随着木质纤维掺量的增加而有所下降，且下降的速度有所降低，这是由于掺入一定量的木质纤维时，由于其会形成均匀分布的三维网状结构，因此会在一定程度上由交织作用增强土体的无侧限抗压强度，但是当纤维掺量较大，此时纤维数目较多，原有的土颗粒与土颗粒之间的作用会变成土颗粒与纤维之间的作用，纤维土整体的胶合作用下降会引起土体无侧限抗压强度的下降。

表4 纤维土正交表及试验结果

表5 无侧限抗压强度极差分析

2.3 方差分析

通过方差分析可以得到各影响因素对无侧限抗压强度作用影响的显著性，根据正交试验结果对含水量、压实度以及木质纤维掺量三个影响因素进行方差分析，所得到的极差分析结果如表6所示，表6中方差来源①，②，③，④分别代表含水量、压实度、纤维掺量以及空列四个影响因素。

根据表6所得到的结果可以看出方差分析表明误差来源于空列，说明三个影响因素对于木质纤维土的无侧限抗压强度的影响都很显著，其中含水量以及压实度对于木质纤维无侧限抗压强度的F值分别为446.425以及213.956，均大于F0.01(2,2)=99.00，说明含水量以及压实度对于木质纤维无侧限抗压强度的影响特别显著，其中木质纤维掺量的F值在F0.05(2,2)与F0.10(2,2)之间，说明木质纤维掺量对于木质纤维无侧限抗压强度的影响显著性一般，因此通过偏差平方和以及F值均可以判定对于木质纤维土无侧限而言，各影响因素显著性的主次顺序为：含水量>压实度>纤维掺量。

表6 无侧限抗压强度指标方差分析

3 结语

通过基于正交试验方案的木质纤维加筋粉质粘土进行无侧限抗压强度试验可以得到的结论主要如下：

1)对于木质纤维加筋土，各个影响因素对于加筋土无侧限抗压强度的影响都较为显著，其中影响显著性次序为：含水率>压实度>纤维掺量。2)含水率提高会使得木质纤维土无侧限抗压强度大幅度降低，提高压实度可以提高木质纤维土的无侧限抗压强度，这点与普通土体是一致的。3)随着木质纤维掺量的不断提升，木质纤维的无侧限抗压强度会出现一定幅度的下滑，其下滑趋势是不断下降的。

[1] 韩春鹏,何钰龙,申杨凡,等.冻融作用下纤维土抗剪强度影响因素试验研究[J].铁道科学与工程学报,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] 张旭东,战永亮,张艳美.纤维土强度特性的试验研究[J].路基工程,2001(1):36-38.

[4] 刘 芳,孙 红,葛修润.玻璃纤维土的三轴试验研究[J].上海交通大学学报,2011(5):762-766，771.

[5] 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[J].岩土力学,2013(1):123-127.

[6] JTG E40—2007，公路土工试验规程[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] 刘红军，韩春鹏.土质土力学[M].北京:北京大学出版社,2012.

[9] 韩春鹏,唐浩桐,程培峰,等.冻融作用下纤维加筋土的抗剪强度试验研究[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★:中央高校基本科研业务费(项目编号：2572014CB21)

刘思奇(1993- )，男，在读本科生

韩春鹏(1979- )，男，博士，讲师

TU432

A