基于正交試驗的不同種類纖維土抗剪強(qiáng)度分析★

呂坤城 孫 皓* 馮文泉 趙 磊 馬福全 周國富 楊 斌

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

基于正交試驗的不同種類纖維土抗剪強(qiáng)度分析★

呂坤城 孫 皓* 馮文泉 趙 磊 馬福全 周國富 楊 斌

(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，對纖維種類、纖維長度以及纖維摻量對纖維加筋土抗剪強(qiáng)度的影響進(jìn)行了分析，試驗結(jié)果表明：纖維摻量和纖維種類對纖維土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響較為顯著，纖維長度對纖維土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響較小，三種纖維中，聚丙烯纖維的粘聚力最大，碳纖維的內(nèi)摩擦角最大。

纖維土，正交試驗，抗剪強(qiáng)度，纖維種類

0 引言

抗剪強(qiáng)度是土體的一項非常重要的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，對地基承載力與邊坡穩(wěn)定性有著重要的影響，抗剪強(qiáng)度不足會引起道路的邊坡失穩(wěn)、土體滑坡、擋土墻破壞等一系列工程問題。在工程實踐中，人們采取了很多方法提高土體的抗剪強(qiáng)度，纖維加筋技術(shù)就是其中的一種。纖維加筋技術(shù)是一項通過向土體中均勻摻加一定比例的纖維，提高土體整體性和物理力學(xué)性質(zhì)的土體加固技術(shù)[1]。目前國內(nèi)外對纖維土抗剪強(qiáng)度已經(jīng)有了一定的研究。Prabakar 和Sridhar 通過對軟土進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗，發(fā)現(xiàn)摻加纖維能有效提高土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)[2]；Welker和Josten在最佳含水率的環(huán)境下對纖維加筋土開展了一系列的直剪試驗，確定最佳纖維摻量為0.2%[3]；柴壽喜等人進(jìn)行了麥秸稈加筋土的三軸壓縮試驗，研究了布筋區(qū)域和截面形狀對纖維土抗剪強(qiáng)度的影響[4]。

經(jīng)過大量的試驗結(jié)果驗證，纖維加筋技術(shù)在一定的摻配比條件下能夠有效提高土體抗剪強(qiáng)度。但目前對纖維土抗剪強(qiáng)度的研究均是以同一種纖維為試驗對象，確定何種纖維加筋土體抗剪強(qiáng)度最高對指導(dǎo)工程實踐有著重要的參考意義。因此，以哈爾濱某道路施工現(xiàn)場用土為研究對象，以玻璃纖維、碳纖維、聚丙烯纖維為研究對象，通過正交試驗分析纖維種類、纖維長度以及纖維摻量對土體抗剪強(qiáng)度影響的顯著程度，得到不同種類纖維對土體抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗材料

1.1 土

試驗土樣取自哈爾濱某道路施工現(xiàn)場，土樣顏色為黃色，對土體進(jìn)行基本物理性能試驗確定試驗用土為低液限粉質(zhì)粘土，其基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗土體物理指標(biāo)

1.2 纖維

試驗采用三種短切纖維：碳纖維(見圖1)、玻璃纖維(見圖2)、聚丙烯纖維(見圖3)，其基本物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

2 試驗研究

2.1 試驗方法

將從施工現(xiàn)場取來的土體在通風(fēng)干燥處靜置風(fēng)干并碾碎，過2 mm篩后加水至最佳含水率，按照計算好的質(zhì)量摻量將土與纖維攪拌均勻，密封保存一夜后備用制件。試件以0.96的壓實度采用靜壓壓實的方法制作，為φ61.8 mm×20 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[5]。

表2 短切纖維物理指標(biāo)

試驗采用SDJ-Ⅱ型三速電動等應(yīng)變直剪儀，根據(jù)JTG E40—2007公路土工試驗規(guī)程[6]，對試件分別加載50 kPa,100 kPa,200 kPa和300 kPa的豎向荷載，控制剪切速度為0.8 mm/min，直至試件被剪壞。

2.2 正交試驗設(shè)計

正交試驗設(shè)計是研究多因素多水平的一種試驗設(shè)計方法[7]，其基本原理是在全面試驗中選擇一些具有典型性、代表性并在試驗范圍內(nèi)均勻分散的點，通過部分的試驗來反映試驗的全面情況，被廣泛用來尋找最優(yōu)條件。本試驗的影響因素為纖維種類、纖維長度和纖維摻量，試驗選用工程中常用的三種纖維(玻璃纖維、碳纖維、聚丙烯纖維)作為纖維種類的3水平。通過查閱文獻(xiàn)[8]，確定出各因素的水平如表3所示。

表3 正交試驗因素及水平

3 正交試驗結(jié)果與分析

通過室內(nèi)直剪試驗得到不同種類纖維土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)φ，c值，如表4所示。

表4 纖維土正交表及試驗結(jié)果

1)極差分析。極差Rj反映了因素對試驗指標(biāo)的影響程度，Rj越大，該因素對試驗指標(biāo)的影響程度越大[7]。使用正交設(shè)計助手對正交試驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀性分析如表5所示。

表5 直觀性分析

通過表5可以看出，對φ的極差而言，各因素的極差值都很小，纖維摻量的極差值最大，各因素Rj的大小排列為：纖維摻量>纖維種類>纖維長度，說明各因素對內(nèi)摩擦角的影響都很小，纖維摻量對于φ的影響最大，纖維種類對φ的影響次之，纖維長度對于φ的影響最小；粘聚力的極差值變化比較大，各因素Rj的大小排列為：纖維種類>纖維摻量>纖維長度，其中纖維種類的極差遠(yuǎn)大于纖維長度和纖維摻量，這說明纖維種類為粘聚力最主要的影響因素，纖維長度和纖維摻量對加筋土粘聚力的影響較弱。φ和粘聚力的空列項都比較大，除了試驗誤差的影響之外，還可能由于不同種類纖維的最佳長度與最佳摻量有所不同影響了分析結(jié)果。

2)因素效應(yīng)分析。對表5中正交試驗中纖維種類的均值進(jìn)行效應(yīng)分析，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ與粘聚力c隨纖維種類的變化趨勢如圖4所示。

根據(jù)圖4可以看出，對內(nèi)摩擦角而言，碳纖維土最大，聚丙烯纖維土次之，玻璃纖維土的內(nèi)摩擦角最小，不同纖維種類對內(nèi)摩擦角的影響很小，最大值與最小值僅差1.986°。對纖維的粘聚力而言，聚丙烯纖維土的粘聚力最大，玻璃纖維土次之，碳纖維土的粘聚力最小。其原因是不同纖維有著不同的物理力學(xué)性質(zhì)、表面物理性質(zhì)和分散性，導(dǎo)致纖維與土顆粒間的作用效果不同。

三種纖維中，聚丙烯纖維表面最為光滑，碳纖維則表面最為粗糙，玻璃纖維的表面粗糙度介于兩者之間。纖維表面的粗糙度越高，纖維與土顆粒之間的咬合作用越強(qiáng)，摩擦力越大，因此碳纖維的內(nèi)摩擦角最大。聚丙烯纖維雖然表面光滑，但是其分散性最好，在土體中均勻分散成三維立體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，土體受到剪切時，荷載通過受力網(wǎng)分布擴(kuò)散，同時由于纖維的“錨固”作用[9]，限制了土顆粒的位移，使內(nèi)摩擦角增大。

對纖維的粘聚力而言，聚丙烯纖維土的粘聚力最大，玻璃纖維土次之，碳纖維土的粘聚力最小。這主要是由于分散性不同，在試驗選取的三種纖維中，聚丙烯纖維的分散性最好，玻璃纖維次之，碳纖維最差。纖維分散性越好，在土體中分散的越均勻，纖維間的交織作用與彎曲作用[10]越明顯。聚丙烯纖維的分散性最好，在土體中的纖維交織點最多，數(shù)量眾多的纖維交織成網(wǎng)，有效控制土體的變形與位移，并將荷載傳遞到土體的其他部分。碳纖維的分散性最差，纖維在土體中形成棉絮狀物質(zhì)，影響了其對土體粘聚力的增強(qiáng)效果。

3)方差分析。運(yùn)用SPSS根據(jù)正交試驗結(jié)果對內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c進(jìn)行方差分析列于表6。

表6 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)方差分析

選用Sig.=0.05為判定分界線，由表6中方差分析結(jié)果可以看出，對內(nèi)摩擦角和粘聚力而言，各影響因素的Sig.值均大于0.05，內(nèi)摩擦角Sig.值的大小排列順序為：Sig.(C)< Sig.(A)< Sig.(B),其中Sig.(C)=0.084，最接近0.05，粘聚力Sig.值的大小排列順序為：Sig.(A)< Sig.(C)< Sig.(B),內(nèi)摩擦角與粘聚力的均方都比較大，超過了Sig.值最大影響因素的均方。以上結(jié)果可以說明，纖維摻量對內(nèi)摩擦角的影響程度最大，為最主要的影響因素，纖維種類對φ的影響較弱，纖維長度的影響程度最弱。對粘聚力而言，纖維種類為主要的影響因素，纖維摻量次之，纖維長度最差。綜合以上分析，纖維種類和纖維長度是影響土體抗剪強(qiáng)度的主要因素。

4 結(jié)語

1)通過對正交試驗結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析，發(fā)現(xiàn)纖維種類與纖維摻量為纖維加筋土抗剪強(qiáng)度的主要影響因素，各影響因素對土體內(nèi)摩擦角的影響顯著性次序為：纖維摻量>纖維種類>纖維長度，各影響因素對土體粘聚力的影響顯著性次序為：纖維種類>纖維摻量>纖維長度。2)不同的纖維有著不同的表面物理性質(zhì)、物理力學(xué)性質(zhì)和分散性，導(dǎo)致不同種類纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度不同，三種纖維加筋土的內(nèi)摩擦角大小順序為：碳纖維>聚丙烯纖維>玻璃纖維，三種纖維加筋土的粘聚力大小順序為：聚丙烯纖維>玻璃纖維>碳纖維。3)對正交試驗結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，不同纖維種類加筋土體有著不同的最佳摻量方案，有待于進(jìn)一步設(shè)計方案進(jìn)行研究。

[1] 潘 軍,王 楨.纖維土的發(fā)展及其在膨脹土中的應(yīng)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.巖土力學(xué),2013(1):123-127.

[5] 劉紅軍，韓春鵬.土質(zhì)土力學(xué).北京:北京大學(xué)出版社,2012.

[6] JTG E40—2007，公路土工試驗規(guī)程.

[7] 康立鵬,施成華,彭立敏,等.基于正交試驗的立體交叉隧道施工影響因素研究.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2012(4):70-74.

[8] 施 斌,唐朝生,蔡 奕,等.聚丙烯纖維加筋土工程性質(zhì)分析.中國地質(zhì)學(xué)會工程地質(zhì)專業(yè)委員會2006年學(xué)術(shù)年會暨“城市地質(zhì)環(huán)境與工程”學(xué)術(shù)研討會論文集.2006:6.

[9] 唐朝生,施 斌,高 瑋,等.含砂量對聚丙烯纖維加筋黏性土強(qiáng)度影響的研究.巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007(S1):2968-2973.

[10] 張艷美,張旭東,張鴻儒.土工合成纖維土補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理試驗研究及工程應(yīng)用.巖土力學(xué),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★：大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(項目編號：530-41110110)

呂坤城(1994- )，男，在讀本科生； 馮文泉(1994- )，男，在讀本科生； 趙 磊(1994- )，男，在讀本科生； 馬福全(1994- )，男，在讀本科生； 周國富(1993- )，男，在讀本科生； 楊 斌(1994- )，男，在讀本科生

孫 皓(1994- )，男，在讀本科生

1009-6825(2015)33-0060-03

TU432

A