基于正交試驗(yàn)的改性細(xì)粒土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度優(yōu)化

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

在軟弱土或軟土上建造建筑物時(shí)，由于其抗剪強(qiáng)度差、壓縮性高，易發(fā)生不均勻沉降，存在較大的風(fēng)險(xiǎn)[1]。為了提高土體的穩(wěn)定性和承載力，同時(shí)減少沉降與側(cè)向變形，需對軟弱土或軟土進(jìn)行加固處理。近年來，由于工業(yè)廢料的增加及其處理方法難度大，成本高，急需尋找一種新的方式降低工業(yè)廢料的處理成本。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，將工業(yè)廢料用于改良不良巖土體可顯著提高土體強(qiáng)度，在巖土工程中，粉煤灰、硅灰等類似的工業(yè)廢料常被作為改善不良巖土體的添加劑[2-4]。工業(yè)廢料(如粉煤灰、硅灰)可以改善土壤的一些工程性能(如承載力、抗剪強(qiáng)度)，但對不良巖土體的沉降、滲透性的影響較?。涣硪环矫?，聚丙烯纖維通常會(huì)提高土體的抗剪強(qiáng)度，但對其導(dǎo)電性會(huì)產(chǎn)生不利影響[5-7]。本文旨在分析、利用天然及合成廢料改良土壤性能，并通過正交試驗(yàn)確定每種材料的最佳摻量，以達(dá)到所需的土壤性質(zhì)。本試驗(yàn)研究了聚丙烯纖維、硼石膏、粉煤灰和水泥對細(xì)粒土7、28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)材料

土壤取自湖南省永吉高速的細(xì)粒土，其主要性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。硼石膏、粉煤灰、水泥的主要化學(xué)成分如表2所示。采用正交試驗(yàn)研究聚丙烯纖維、硼石膏、水泥、粉煤灰4種材料對細(xì)粒土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。以聚丙烯纖維、硼石膏、粉煤灰、水泥為正交試驗(yàn)的4個(gè)因素，每個(gè)因素選擇3個(gè)水平(見表3)，采用L(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，如表4所示。

將細(xì)粒土在105 ℃的烤箱中干燥，取適量的土與硼石膏、粉煤灰、水泥和聚丙烯纖維按表4中的配比混合在一起，并用攪拌機(jī)將其攪拌均勻。加入適量的蒸餾水(細(xì)粒土質(zhì)量的22%)，攪拌均勻，燜料24 h后，采用靜壓法分3層將其壓制成直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱形試樣，并在恒溫、恒濕箱中標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)7、28 d后，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

表1 土的主要性質(zhì)指標(biāo)液限/%塑料極限/%塑性指數(shù)比重/g·cm-3()最大的干密度/kN ·m-3()最佳含水率/%pH粒徑/mm6635312.51.54226.91～2

表2 硼石膏、粉煤灰、水泥的主要化學(xué)成分%成分硼石膏粉煤灰水泥B2O31.62——CaO27.806.6059.61SO344.20—3.31MgO1.534.653.23Na2O1.3215.950.40Al2O30.2315.955.23Fe2O30.8416.303.30SiO220.9547.5021.02

表3 不同因素及其取值水平水平硼石膏 /%粉煤灰/ %聚丙烯纖維/%水泥/%A0000B10100.151C20200.253

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)硼石膏/%粉煤灰/%聚丙烯纖維/%水泥/%1A (0)A (0)A (0)A (0)2A (0)B (10)B (0.15)B (1)3A (0)C (20)C (0.25)C (3)4B (10)A (0)B (0.15)C (3)5B (10)B (10)C (0.25)A (0)6B (10)C (20)A (0)B (1)7C (20)A (0)C (0.25)B (1)8C (20)B (10)A (0)C (3)9C (20)C (20)B (0.15)A (0)

2 結(jié)果與討論

無側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。為了確定不同齡期(7、28 d)的最大無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，進(jìn)行了影響因素敏感性分析。

表5 試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值/MPa7 d28 d試驗(yàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值/MPa7 d28 d10.580.5960.50.5820.621.0270.540.630.70.6380.30.440.600.790.570.6550.91.3

2.1 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度敏感性分析

由表6可知，改性后的細(xì)粒土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨硼石膏含量及粉煤灰含量的增加而先增大后減小，并均在摻量為10%時(shí)達(dá)到最大；同時(shí)，隨著聚丙烯纖維含量的增加，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐步增大，并在摻量為0.25%時(shí)達(dá)到最大；隨著水泥含量的增加，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸變小，并在摻量為3%時(shí)最小。根據(jù)極差分析可知，聚丙烯纖維和粉煤灰含量分別是對細(xì)粒土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響程度最大和最小的影響因素，其極差值分別為0.253、0.034 MPa，各因素對細(xì)粒土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度從大到小依次為：聚丙烯纖維>硼石膏>水泥>粉煤灰。

將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，由表7可知，硼石膏、聚丙烯纖維、水泥、粉煤灰均對細(xì)粒土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有影響，且影響程度從大到小依次為:聚丙烯纖維>硼石膏>水泥>粉煤灰，這與極差分析結(jié)果一致。由此可見，各因素對細(xì)粒土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度從大到小依次為:聚丙烯纖維>硼石膏>水泥>粉煤灰，最佳組合為硼石膏含量10%、粉煤灰含量10%、聚丙烯纖維含量0.25%、水泥含量0。

表6 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度極差分析 MPaK硼石膏粉煤灰聚丙烯纖維水泥K10.6330.5730.4600.683K20.6670.6070.5970.553K30.4700.5900.7130.533極差0.1970.0340.2530.150

表7 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度方差分析因素偏差平方和自由度F比F臨界值顯著性硼石膏0.066233.00019.000√粉煤灰0.00221.00019.000聚丙烯纖維0.096248.00019.000√水泥0.040220.00019.000√誤差0.0022

各因素對細(xì)粒土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律見圖1。

圖1 各因素對細(xì)粒土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律

2.2 28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度敏感性分析

由表8可知，改性后的細(xì)粒土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，隨硼石膏、粉煤灰含量的增大而先增大后減小，并均在摻量為10%時(shí)達(dá)到最大；同時(shí)，其隨著聚丙烯纖維含量的增大而增大，并在摻量為0.25%時(shí)達(dá)到最大；此外，其隨水泥含量的增大而減小，并在摻量為3%時(shí)最小。根據(jù)極差分析可知，聚丙烯纖維含量對細(xì)粒土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度最大，其極差值達(dá)到0.320 MPa;而水泥含量對其影響程度最小，其極差值為0.270 MPa;且各因素對細(xì)粒土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度從大到小依次為：聚丙烯纖維>硼石膏>粉煤灰>水泥。

將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，由表9可知,硼石膏、聚丙烯纖維、粉煤灰、水泥均對細(xì)粒土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有影響，影響程度從大到小依次為: 聚丙烯纖維>硼石膏>粉煤灰>水泥，這與極差分析結(jié)果一致。由此可見，各因素對細(xì)粒土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度從大到小依次為: 聚丙烯纖維>硼石膏>粉煤灰>水泥，最佳組合為: 硼石膏含量10%、粉煤灰含量10%、聚丙烯纖維含量0.25%、水泥含量0。

表8 28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度極差分析MPaK硼石膏粉煤灰聚丙烯纖維水泥K硼石膏粉煤灰聚丙烯纖維水泥K10.7470.6300.5230.847K30.5500.6200.8430.577K20.8600.9070.7900.733極差0.3100.2870.3200.270

表9 28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度方差分析因素偏差平方和自由度F比F臨界值硼石膏0.15821.44519.000粉煤灰0.14921.34519.000聚丙烯纖維0.17621.60019.000水泥0.11021.00019.000誤差0.1102

各因素對細(xì)粒土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律見圖2。

圖2 各因素對細(xì)粒土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律

3 結(jié)論

本文選取聚丙烯纖維、硼石膏、粉煤灰和水泥作為改性材料對細(xì)粒土進(jìn)行改良，并采用正交試驗(yàn)的方法，利用極差分析和方差分析得到各因素對細(xì)粒土7、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度大小，主要有以下結(jié)論：

1) 由無側(cè)限抗壓強(qiáng)度敏感性分析可知，各因素對細(xì)粒土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度從大到小依次為:聚丙烯纖維>硼石膏>水泥>粉煤灰;對細(xì)粒土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度從大到小依次為：聚丙烯纖維>硼石膏>粉煤灰>水泥。

2) 根據(jù)極差分析及方差分析可知，當(dāng)組合為硼石膏含量10%、粉煤灰含量10%、聚丙烯纖維含量0.25%、水泥含量0時(shí)，細(xì)粒土7、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大，因此4種材料改良細(xì)粒土最佳組合為：硼石膏含量10%、粉煤灰含量10%、聚丙烯纖維含量0.25%、水泥含量0。