基于正交试验的改性细粒土无侧限抗压强度优化

(湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015)

在软弱土或软土上建造建筑物时，由于其抗剪强度差、压缩性高，易发生不均匀沉降，存在较大的风险[1]。为了提高土体的稳定性和承载力，同时减少沉降与侧向变形，需对软弱土或软土进行加固处理。近年来，由于工业废料的增加及其处理方法难度大，成本高，急需寻找一种新的方式降低工业废料的处理成本。经研究发现，将工业废料用于改良不良岩土体可显著提高土体强度，在岩土工程中，粉煤灰、硅灰等类似的工业废料常被作为改善不良岩土体的添加剂[2-4]。工业废料(如粉煤灰、硅灰)可以改善土壤的一些工程性能(如承载力、抗剪强度)，但对不良岩土体的沉降、渗透性的影响较小；另一方面，聚丙烯纤维通常会提高土体的抗剪强度，但对其导电性会产生不利影响[5-7]。本文旨在分析、利用天然及合成废料改良土壤性能，并通过正交试验确定每种材料的最佳掺量，以达到所需的土壤性质。本试验研究了聚丙烯纤维、硼石膏、粉煤灰和水泥对细粒土7、28 d的无侧限抗压强度的影响。

1 试验材料

土壤取自湖南省永吉高速的细粒土，其主要性质指标如表1所示。硼石膏、粉煤灰、水泥的主要化学成分如表2所示。采用正交试验研究聚丙烯纤维、硼石膏、水泥、粉煤灰4种材料对细粒土无侧限抗压强度的影响。以聚丙烯纤维、硼石膏、粉煤灰、水泥为正交试验的4个因素，每个因素选择3个水平(见表3)，采用L(34)正交表进行试验设计，如表4所示。

将细粒土在105 ℃的烤箱中干燥，取适量的土与硼石膏、粉煤灰、水泥和聚丙烯纤维按表4中的配比混合在一起，并用搅拌机将其搅拌均匀。加入适量的蒸馏水(细粒土质量的22%)，搅拌均匀，焖料24 h后，采用静压法分3层将其压制成直径39.1 mm、高80 mm的圆柱形试样，并在恒温、恒湿箱中标准状态下养护7、28 d后，进行无侧限抗压强度试验。

表1 土的主要性质指标液限/%塑料极限/%塑性指数比重/g·cm-3()最大的干密度/kN ·m-3()最佳含水率/%pH粒径/mm6635312.51.54226.91～2

表2 硼石膏、粉煤灰、水泥的主要化学成分%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/ %聚丙烯纤维/%水泥/%A0000B10100.151C20200.253

表4 正交试验设计方案试验硼石膏/%粉煤灰/%聚丙烯纤维/%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 结果与讨论

无侧限抗压试验结果如表5所示。为了确定不同龄期(7、28 d)的最大无侧限抗压强度，进行了影响因素敏感性分析。

表5 试验结果试验无侧限抗压强度值/MPa7 d28 d试验无侧限抗压强度值/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无侧限抗压强度敏感性分析

由表6可知，改性后的细粒土7 d无侧限抗压强度随硼石膏含量及粉煤灰含量的增加而先增大后减小，并均在掺量为10%时达到最大；同时，随着聚丙烯纤维含量的增加，其无侧限抗压强度逐步增大，并在掺量为0.25%时达到最大；随着水泥含量的增加，其无侧限抗压强度逐渐变小，并在掺量为3%时最小。根据极差分析可知，聚丙烯纤维和粉煤灰含量分别是对细粒土7 d无侧限抗压强度影响程度最大和最小的影响因素，其极差值分别为0.253、0.034 MPa，各因素对细粒土无侧限抗压强度的影响程度从大到小依次为：聚丙烯纤维>硼石膏>水泥>粉煤灰。

将试验结果进行方差分析，由表7可知，硼石膏、聚丙烯纤维、水泥、粉煤灰均对细粒土无侧限抗压强度有影响，且影响程度从大到小依次为:聚丙烯纤维>硼石膏>水泥>粉煤灰，这与极差分析结果一致。由此可见，各因素对细粒土7 d无侧限抗压强度的影响程度从大到小依次为:聚丙烯纤维>硼石膏>水泥>粉煤灰，最佳组合为硼石膏含量10%、粉煤灰含量10%、聚丙烯纤维含量0.25%、水泥含量0。

表6 7 d无侧限抗压强度极差分析 MPaK硼石膏粉煤灰聚丙烯纤维水泥K10.6330.5730.4600.683K20.6670.6070.5970.553K30.4700.5900.7130.533极差0.1970.0340.2530.150

表7 7 d无侧限抗压强度方差分析因素偏差平方和自由度F比F临界值显著性硼石膏0.066233.00019.000√粉煤灰0.00221.00019.000聚丙烯纤维0.096248.00019.000√水泥0.040220.00019.000√误差0.0022

各因素对细粒土7 d无侧限抗压强度的影响规律见图1。

图1 各因素对细粒土7 d无侧限抗压强度的影响规律

2.2 28 d无侧限抗压强度敏感性分析

由表8可知，改性后的细粒土28 d无侧限抗压强度，随硼石膏、粉煤灰含量的增大而先增大后减小，并均在掺量为10%时达到最大；同时，其随着聚丙烯纤维含量的增大而增大，并在掺量为0.25%时达到最大；此外，其随水泥含量的增大而减小，并在掺量为3%时最小。根据极差分析可知，聚丙烯纤维含量对细粒土28 d无侧限抗压强度的影响程度最大，其极差值达到0.320 MPa;而水泥含量对其影响程度最小，其极差值为0.270 MPa;且各因素对细粒土无侧限抗压强度的影响程度从大到小依次为：聚丙烯纤维>硼石膏>粉煤灰>水泥。

将试验结果进行方差分析，由表9可知,硼石膏、聚丙烯纤维、粉煤灰、水泥均对细粒土无侧限抗压强度有影响，影响程度从大到小依次为: 聚丙烯纤维>硼石膏>粉煤灰>水泥，这与极差分析结果一致。由此可见，各因素对细粒土28 d无侧限抗压强度的影响程度从大到小依次为: 聚丙烯纤维>硼石膏>粉煤灰>水泥，最佳组合为: 硼石膏含量10%、粉煤灰含量10%、聚丙烯纤维含量0.25%、水泥含量0。

表8 28 d无侧限抗压强度极差分析MPaK硼石膏粉煤灰聚丙烯纤维水泥K硼石膏粉煤灰聚丙烯纤维水泥K10.7470.6300.5230.847K30.5500.6200.8430.577K20.8600.9070.7900.733极差0.3100.2870.3200.270

表9 28 d无侧限抗压强度方差分析因素偏差平方和自由度F比F临界值硼石膏0.15821.44519.000粉煤灰0.14921.34519.000聚丙烯纤维0.17621.60019.000水泥0.11021.00019.000误差0.1102

各因素对细粒土28 d无侧限抗压强度的影响规律见图2。

图2 各因素对细粒土28 d无侧限抗压强度的影响规律

3 结论

本文选取聚丙烯纤维、硼石膏、粉煤灰和水泥作为改性材料对细粒土进行改良，并采用正交试验的方法，利用极差分析和方差分析得到各因素对细粒土7、28 d无侧限抗压强度的影响程度大小，主要有以下结论：

1) 由无侧限抗压强度敏感性分析可知，各因素对细粒土7 d无侧限抗压强度的影响程度从大到小依次为:聚丙烯纤维>硼石膏>水泥>粉煤灰;对细粒土28 d无侧限抗压强度的影响程度从大到小依次为：聚丙烯纤维>硼石膏>粉煤灰>水泥。

2) 根据极差分析及方差分析可知，当组合为硼石膏含量10%、粉煤灰含量10%、聚丙烯纤维含量0.25%、水泥含量0时，细粒土7、28 d无侧限抗压强度均达到最大，因此4种材料改良细粒土最佳组合为：硼石膏含量10%、粉煤灰含量10%、聚丙烯纤维含量0.25%、水泥含量0。