楊嬌，殷勇 （鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224001）

1 概述

水泥土因?yàn)槠鋱?jiān)硬性、水穩(wěn)性、低壓縮性等優(yōu)點(diǎn)，防滲效果較好，故常采用水泥土攪拌樁作為止水帷幕來(lái)?yè)跛虼嗽趲r土工程界應(yīng)用廣泛[1]。但是水泥土有著抗折強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，阻礙了水泥土的發(fā)展。因此為了改善水泥土這種缺點(diǎn)，許多學(xué)者對(duì)水泥土采用了纖維加筋措施，來(lái)研究纖維水泥土的力學(xué)性能[2-3]。關(guān)于纖維水泥土的力學(xué)性能研究，目前的成果大多集中在抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度這3個(gè)方面。Tang研究發(fā)現(xiàn)，纖維水泥土的抗壓強(qiáng)度比纖維土和水泥土的抗壓強(qiáng)度要高，而且還大于兩者抗壓強(qiáng)度之和，強(qiáng)度也隨著纖維摻量的增加而增加[4]。袁玉卿將聚丙烯纖維加入水泥土中，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探究纖維的摻量及長(zhǎng)度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，強(qiáng)度隨著纖維摻量及纖維長(zhǎng)度變化且纖維摻量的影響程度大于纖維長(zhǎng)度[5]。Estabragh采用尼龍纖維來(lái)改善水泥土的強(qiáng)度時(shí)，最終得出尼龍纖維摻量為0.3%時(shí)，纖維水泥土的強(qiáng)度最大[6]。Gaspard等研究聚丙烯纖維水泥土的抗拉性能，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維的加入能夠明顯地增加土體的劈裂抗拉強(qiáng)度[7]。汪金龍和婁宗科研究發(fā)現(xiàn)聚酯纖維能夠提高黃土的抗拉強(qiáng)度[8]。陳峰在進(jìn)行玄武巖纖維加固水泥土的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，水泥土的抗拉強(qiáng)度隨著纖維的加入而提高，而且存在最優(yōu)摻入量[9]。殷勇在水泥土中摻入玻璃纖維，通過(guò)三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)纖維能夠明顯提高水泥土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)[10]。曹雅嫻在進(jìn)行聚丙烯纖維加固水泥土?xí)r，探討了圍壓、纖維摻入比等因素對(duì)土體強(qiáng)度的影響，也得到了相似的結(jié)論[11]。張艷軍等對(duì)石棉纖維粉煤灰水泥土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，得出最佳摻量范圍為3%～6%，此范圍內(nèi)的黏聚力與內(nèi)摩擦角都有增加[12]。

由此可知，在纖維水泥土的力學(xué)試驗(yàn)研究中，關(guān)于抗折強(qiáng)度的研究較少。本文采用棉花秸稈纖維加筋水泥土，通過(guò)正交試驗(yàn)，研究水泥摻量、纖維摻量和纖維長(zhǎng)度對(duì)抗折強(qiáng)度的影響，得出最佳配合比和影響因素的主次順序。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及方案

試驗(yàn)用土取自鹽城某工程的施工基坑，風(fēng)干土體，碾壓后過(guò)篩2mm后進(jìn)行試驗(yàn)。土樣的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。水泥采用等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥，纖維采用鹽城郊區(qū)的棉花秸稈纖維，對(duì)其進(jìn)行處理后變成纖維狀后使用。試驗(yàn)材料準(zhǔn)備好后，按照60%的目標(biāo)含水率配制纖維水泥土。試驗(yàn)運(yùn)用正交原理，對(duì)纖維水泥土進(jìn)行正交試驗(yàn)，3個(gè)影響因素分別為水泥摻量、纖維摻量和纖維長(zhǎng)度，在選擇因素水平時(shí)參考了唐朝生的0～0.3%的纖維摻量，6mm～19mm的纖維長(zhǎng)度[13]以及楊繼位的5mm、10mm、15mm的麥秸稈加筋長(zhǎng)度和0.20%、0.25%、0.30%的加筋率[14]。因此本試驗(yàn)的水泥摻量選用6%、8%、10%、12%這4個(gè)水平，纖維摻量分別為0.01%、0.02%、0.03%、0.04%，纖維長(zhǎng)度為3mm、6mm、9mm、12mm四個(gè)水平，水灰比固定為0.5，養(yǎng)護(hù)齡期為7d。

試驗(yàn)采用的3因素4水平的正交試驗(yàn)表，因素及水平見(jiàn)表2。根據(jù)因素和水平的關(guān)系設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表，選取L16（45），留有2列空白列作為誤差列。試驗(yàn)組數(shù)總共為16組，每組設(shè)置3個(gè)平行樣。

土的物理力學(xué)性質(zhì) 表1

試驗(yàn)影響因素及水平 表2

2.2 試樣制備及養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)尺寸為40mm×40mm×160mm，采用的是長(zhǎng)方體試模，在試驗(yàn)前事先根據(jù)配合比稱(chēng)好各種材料的質(zhì)量，然后先將土和水泥干拌，再加入棉花秸稈纖維干拌，最后加入水充分地?cái)嚢杈鶆?。在長(zhǎng)方體試模內(nèi)側(cè)涂抹一層潤(rùn)滑機(jī)油，然后將攪拌好的混合漿體緩慢地倒入模具中，分層裝樣，每次裝料的高度要統(tǒng)一，在裝料的過(guò)程中保持振搗。裝料完成后在表面包上一層上塑料保鮮膜，靜置24h待試塊成型。試塊脫模后放置在溫度20±2℃、濕度≥95%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)采用的儀器是ZQ-990L系列電腦式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，將養(yǎng)護(hù)好的試塊表面擦拭干凈后放置在試驗(yàn)機(jī)支座上，調(diào)整好試塊位置后打開(kāi)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載，選擇加載速度為2mm/min，均勻、連續(xù)地加載，直至抗折試塊出現(xiàn)裂痕時(shí)，記錄下試驗(yàn)機(jī)顯示的極限破壞荷載?？拐蹚?qiáng)度按如下公式計(jì)算：

式中，F(xiàn)f為加筋水泥土抗折強(qiáng)度，F(xiàn)為試件極限破壞荷載，L為支座間距離，b是試樣的截面寬度，h是試樣的截面高度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗折強(qiáng)度及極差分析

7d抗折強(qiáng)度極差分析表見(jiàn)表3，其中K1、K2、K3、K4分別表示的是某種影響因素對(duì)應(yīng)的4個(gè)水平下全部抗壓強(qiáng)度的總和，X1、X2、X3、X4為各因素對(duì)應(yīng)水平的平均值，X1=K1/3、X2=K2/3、X3=K3/3、X4=K4/3，R為極差。

由表3可知，在養(yǎng)護(hù)齡期為7d時(shí)，抗折強(qiáng)度總和是5.513MPa，最佳的配合比為A4B4C2。3種影響因素水泥摻量的極差R為0.178，纖維摻量的極差R為0.045，纖維長(zhǎng)度的極差R為0.038，極差RA＞RB＞RC，由極差分析可知，養(yǎng)護(hù)7d的纖維水泥土抗折強(qiáng)度，3個(gè)因素的影響程度大小順序依次為水泥摻量、纖維摻量、纖維長(zhǎng)度。水泥摻量的極差值最大，對(duì)纖維水泥土的抗折強(qiáng)度影響也就最明顯，其次是纖維摻量和纖維長(zhǎng)度，纖維的摻量和長(zhǎng)度的極差值基本相同，對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響水平也是差不多的。

7d抗折強(qiáng)度極差分析表 表3

7d抗折強(qiáng)度極差分析表續(xù) 表3

3.2 抗折強(qiáng)度的方差分析

為了更加精確地分析各因素各水平對(duì)抗折強(qiáng)度的影響，結(jié)合試驗(yàn)誤差的影響，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，也能給出各個(gè)因素的影響程度的顯著水平。本試驗(yàn)中，各因素自由度為3，空白兩列為誤差列，則誤差的自由度為6。選取0.01、0.05和0.1這3種顯著水平，查F分布表得：F0.01（3，6）=9.78，F(xiàn)0.05（3，6）=4.76，F(xiàn)0.1（3，6）=3.29。7d的抗折強(qiáng)度方差分析表見(jiàn)表4。

由表4可知，養(yǎng)護(hù)齡期為7d時(shí)，水泥摻量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果具有顯著影響，纖維摻量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響顯著，但是顯著程度遠(yuǎn)小于水泥摻量，纖維長(zhǎng)度的影響不是很顯著。由方差分析表可知，各影響因素的主次順序依次為水泥摻量、纖維摻量、纖維長(zhǎng)度，這一結(jié)果與極差分析得出的結(jié)果是一致的。

7d抗折強(qiáng)度極差分析表 表4

4 結(jié)論

對(duì)棉花秸稈纖維水泥土進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，通過(guò)正交試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

①通過(guò)正交試驗(yàn)的極差分析可知，試驗(yàn)最佳配合比為A4B4C2，即水泥摻量為12%，纖維摻量0.4%，纖維長(zhǎng)度為6mm，此時(shí)7d的抗折強(qiáng)度值達(dá)到最大值；

②根據(jù)極差分析和方差分析可知，影響抗折強(qiáng)度的3種因素的主次順序依次為水泥摻量、纖維摻量和纖維長(zhǎng)度，其中水泥摻量的影響程度最大，纖維摻量的影響次之，纖維長(zhǎng)度的影響程度較差；

③纖維摻量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度較顯著，說(shuō)明纖維的加入，一定程度地提高了水泥土的抗折強(qiáng)度，纖維加筋對(duì)提高水泥土的抗折強(qiáng)度是有作用的。