水泥土是将土、水泥按一定比例均匀搅拌，经过一系列水化作用而形成的具有一定强度和稳定性的复合材料。近几年来，水泥土被广泛应用于软土地基加固、基坑支护、路面垫层等各类工程中[1-3]。然而，水泥土是一种相对脆性材料，而纤维的掺入可以提高水泥土的抗拉性能和韧性。因此，国内外研究者将分散的纤维随机均匀地掺入水泥土中，形成一种全新的复合材料——纤维水泥土[4]。
玄武岩纤维是一种环境友好型材料，具有较高的抗拉强度及电绝缘性、耐腐蚀性和耐高温等优异特性[5-6]。因此，被广泛应用于各种建筑工程中，其中包括混凝土和水泥土的加固工程。陈峰通过研究发现玄武岩纤维的掺入能明显提高不同龄期水泥土试件的抗压强度和抗拉强度,但随着纤维掺量的增加,其增强效果逐渐减弱[7-8]。胡建林等研究了玄武岩纤维掺入水泥土后对水泥土抗压强度和抗拉强度的影响效果，最终确定了玄武岩的较优掺入长度为 18 mm，最优掺量范围为0.5%～0.7%[9]。Ma等研究了玄武岩纤维对水泥土的动力特性的影响，发现加入纤维后，水泥土更具韧性[10]。
实际上，对于不同性质的、不同成因的土，采用玄武岩纤维和水泥加固后的力学性质也是不一样的，因此，本试验采用的土样是取自吉林省长春地区的河床淤泥土，采用玄武岩纤维和水泥作为加固材料，通过改变纤维掺量、纤维的长度以及水泥土养护龄期，得到玄武岩纤维和水泥加固河床淤泥土的力学特征、无侧限抗压强度的变化规律、纤维的最优长度等，为该地区的工程建设及河床淤泥土的利用提供一定的借鉴和参考。
1 试验设计
本研究按照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》中的要求进行试验设计。试验中采用水灰比为0.5，水泥掺入比为10%；试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm；纤维质量掺入量分别为0，0.1%，0.3%，0.5%和0.7%，掺入纤维长度分别为3，6，12，20，35 mm；养护龄期分别为7，14，28 d。无侧限抗压强度试验一共分为63组，每组3个试件，共计189个试件。
2 试验材料
2.1 土
本试验所用的河床淤泥土取自吉林省长春市净月区某一施工工地，埋深7 m左右。其土颗粒细小，呈深黑色，有臭味，风干含水率为5.2%。
2.2 水 泥
试验所采用的水泥是长春亚泰集团生产的鼎鹿牌普通硅酸盐水泥，其技术特性指标见表1。
表1 水泥技术性能指标
Table 1 The technical performance indiceitors of cement
强度等级比表面积/(m2·kg-1)初凝时间/h终凝时间/h不同天数的抗弯强度/MPa3 d28 d3 d28 d42.534522.5582449
2.3 玄武岩纤维
采用的短切玄武岩纤维是由海宁安捷复合材料有限公司生产的短切玄武岩纤维，其基本指标见表2。
表2 玄武岩纤维的物理力学性质
Table 2 Physical and mechanical properties of basalt fiber
直径/μm长度/mm颜色抗拉强度/MPa弹性模量/GPa密度/(g·cm-3)导热系数/(W·m-1·K-1)使用温度/℃7～153,6,12,20,35金色3 000～4 80091～1102.63～2.650.03～0.038-269～650
3 试样制备
本研究按照JGJ/T 233-2011中的要求进行试样的制备。将采集的土样在自然条件下风干、碾碎，通过5 mm的筛；将过筛后的土与干水泥搅拌均匀，再掺入分散的玄武岩纤维，充分搅拌；洒水搅拌至均匀；将试样装入塑料模具中，放置振动台振动3 min；将顶部多余水泥土刮除后，盖上塑料薄膜，在室温下静置48 h后拆模；采用室温水中养护，将拆模后的试件放入水中，试件间隔不小于10 mm，水面高出试件表面不应小于20 mm，分别养护至7，14，28 d。
4 试验加载
无侧限抗压强度试验仪器采用长春科新试验仪器有限公司生产的微机控制电液伺服万能试验机WAW-600。加载采用位移匀速控制，加载速率为0.1 mm/s。无侧限抗压强度数据采集由与WAW-600型万能试验机相匹配的自动采集系统完成，采集数据包括荷载、位移。
5 试验结果分析
5.1 破坏形态分析
图1为试样在破坏时的照片及破坏模型。纤维水泥土破坏形态显示为顶锥型破坏，主要原因是由于试件与压板之间的端面效应引起的。当试件受压时，轴向趋于横向向外扩张，而试件和压板间有摩擦约束作用阻止其扩张，使端部处于有侧限状态，在靠近端面的土体中产生了一个锥形的三向应力状态分布区。试件端部附近处于压应力作用，而试件的中部没有横向约束作用而产生拉应力，在压应力与拉应力界面上就产生剪应力，当剪应力达到水泥土的极限剪应力时，即发生沿着界面的剪切破坏，即顶锥型破坏。从图1可以看出，短切玄武岩纤维是比较均匀地随机分散在水泥土中。由于纤维的强度较高，所以在纤维水泥土破坏的过程中，纤维是被拔出的，而不是断裂，因此，水泥土与纤维之间的握裹力的大小对纤维水泥土强度的提高起到了很大作用。
图1 试样破坏照片
Fig.1 The photo of specimen damage
5.2 无侧限抗压强度与龄期的关系
图2为纤维水泥土的无侧限抗压强度与龄期之间的关系。由于纤维水泥土的无侧限抗压强度会随着龄期的增加而提高，这是因为水泥的水化反应需要一个过程。从图2中可以看出：在同一纤维长度条件下，随着纤维掺量的增加，纤维水泥土的无侧限抗压强度是提高的，且在不同的龄期下，纤维水泥土的无侧限抗压强度均高于没有掺入纤维的水泥土，纤维掺量越多，强度加强的效果越明显，纤维掺量为0.7%时，强度提高的最大。从图3所示的纤维水泥土应力-应变与养护时间的关系可以看出：在同一养护时间下，添加纤维的水泥土的峰值强度高于未添加纤维的水泥土，这说明纤维起到了重要作用。
a—3 mm; b—6 mm; c—12 mm; d—20 mm; e—35 mm。 
— 0.1%； 
— 0.3%； 
— 0.5%； 
— 0.7%； 
— 未添加纤维的水泥土。
图2 无侧限抗压强度与养护时间的关系
Fig.2 Relationship between unconfined compression strength and curing time
— 未添加纤维，7 d; — 未添加纤维，14 d; — 未添加纤维，28 d; 
— 0.7%,6 mm，7 d; 
— 0.7%,6 mm，14 d; — 0.7%,6 mm，28 d。
图3 纤维水泥土应力-应变关系
Fig.3 Relationship between stress and strain of basalt fiber and cement riverbed silt
5.3 无侧限抗压强度与纤维掺量的关系
图4展示了纤维水泥土无侧限抗压强度与纤维掺量之间的关系。可见：随着纤维掺量的增加，纤维水泥土无侧限抗压强度持续增加，无侧限抗压强度与纤维掺量之间接近线性关系，如式(1)所示：
fcu=593+164×δFC
(1)
式中： fcu为无侧限抗压强度；δFC为纤维掺量。
3 mm;
6 mm;
12 mm;
20 mm;
35 mm。
图4 无侧限抗压强度与纤维掺量之间的关系(养护28 d)
Fig.4 Relationship between unconfined compression strength and fiber content (curing time:28 d)
当纤维掺量为0.7%时，纤维水泥土的无侧限抗压强度比没有纤维的水泥土提高了20%左右，其中掺入长度为6 mm，掺量为70%时，纤维水泥土的无侧限抗压强度比没有加入玄武岩纤维的水泥土相比提高了23.5%。
5.4 无侧限抗压强度与纤维长度的关系
图5为纤维水泥土无侧限抗压强度与掺入纤维长度之间的关系，可以看出：虽然添加纤维可以有效提高水泥土的无侧限抗压强度，但在同一掺入比条件下，掺入纤维长度的变化对纤维水泥土无侧限抗压强度的影响不明显。
— 纤维掺量为0.1%; — 纤维掺量为0.3%; — 纤维掺 量为0.5%; — 纤维掺量为0.7%; — 未添加纤维的水泥土。
图5 无侧限抗压强度与纤维长度之间的关系(养护28 d)
Fig.5 Relationship between unconfined compression strength and fiber length (curing time:28 d)
6 结束语
1)玄武岩纤维与水泥加固河床淤泥土破坏时，由于试件与压板之间的端面效应，呈现出对顶锥型的破坏状态，纤维被明显拔出。
2)纤维水泥土的无侧限抗压强度随着养护龄期的增加而提高，纤维在纤维水泥土中的加固作用从第7天就已经开始表现出来了。在同一养护时间下，添加纤维的水泥土的峰值强度和弹性模量要高于未添加纤维的水泥土，这说明纤维起到了重要作用。
3)同一纤维长度下，随着纤维掺量的增加，纤维水泥土的无侧限抗压强度不断提高，无侧限抗压强度与纤维掺量之间接近线性关系。纤维掺量为0.7%时，纤维水泥土的无侧限抗压强度提高了20%。
4)在同一掺入比条件下，掺入纤维的长度的变化对纤维水泥土无侧限抗压强度的影响不明显。
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