基于正交試驗(yàn)法的洞庭湖區(qū)水泥土影響因素重要性探討

丁 宇 肖 磊 方國寶 黃緒泉 蔡 忍 黃耀英

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010)

水泥土攪拌樁是一種常用的地基加固措施，通過使用特制機(jī)械強(qiáng)制攪拌水泥與軟土，使水泥與軟土之間發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，從而使軟土硬結(jié)為具有一定強(qiáng)度、低壓縮性、低滲透性的水泥土．洞庭湖區(qū)某分洪閘工程區(qū)位于湖相沉積平原區(qū)，地形較平坦．工程區(qū)內(nèi)主要發(fā)育第四系湖積、河流沖積和人工堆積層．基巖伏于第四系地層之下，埋深50 m左右．此分洪閘地基土具有高孔隙比、高含水量、液性指數(shù)大、壓縮性強(qiáng)、凝聚力小、抗剪強(qiáng)度低等對工程不利的性質(zhì)．地基受荷時(shí)易發(fā)生不均勻沉降、沖切破壞或滑動破壞，導(dǎo)致建筑物局部開裂和整體破壞．經(jīng)多方研究，決定采用深層水泥土攪拌樁技術(shù)對此軟弱地基進(jìn)行加固處理．有關(guān)水泥土樁復(fù)合地基工作特性的研究報(bào)道較多[1-2]．

摻入比、水灰比、水泥強(qiáng)度等級、養(yǎng)護(hù)條件、土的天然含水率以及攪拌工藝等都是水泥土物理力學(xué)性質(zhì)的影響因素．針對上述影響因素，S.Horpibulsuk等[3]研究發(fā)現(xiàn)水灰比對固化土的強(qiáng)度和變形特性均起到控制性作用；湯怡新等[4]認(rèn)為水泥土的抗壓強(qiáng)度主要取決于水泥用量，其次是原料土的含水量；朱大宇[5]研究了水泥摻量、齡期、試件形狀尺寸、試驗(yàn)方法對土水泥土抗壓強(qiáng)度的影響；邢皓楓等[6]通過試驗(yàn)定量地分析了水泥品種、摻入量和添加劑對高含鹽水泥土強(qiáng)度的影響效應(yīng)；王賢昆等[7]研究了不同養(yǎng)護(hù)齡期下水泥摻量、脫硫石膏及粉煤灰對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，水泥摻量對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最大．阮波等[8，9]研究了洞庭湖區(qū)某高速公路試驗(yàn)段的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地基處理工程，結(jié)果表明，水泥強(qiáng)度等級對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最大，其次是水泥摻入比，影響最小的是含水率；陳啟宏[10]采用洞庭湖區(qū)某堤防工程淤泥質(zhì)土拌制水泥土，分析后認(rèn)為水泥摻入比對水泥土強(qiáng)度有顯著性影響，其他因素?zé)o顯著性影響．

以上研究表明，影響水泥土強(qiáng)度的因素較為復(fù)雜，因試驗(yàn)條件不同，得到的顯著性影響因素存在差異．另外，現(xiàn)有研究主要針對的是水泥土的抗壓強(qiáng)度，而研究各因素對水泥土的其他物理力學(xué)性質(zhì)的影響較少．因此，本文依托洞庭湖區(qū)某分洪閘地基加固工程，選取現(xiàn)場地基土樣，采用正交設(shè)計(jì)方法，選取水灰比、水泥摻量和攪拌時(shí)間為3個(gè)因素，再根據(jù)已有研究以及工程實(shí)踐確定因素的3個(gè)水平，開展水泥土室內(nèi)試驗(yàn)，進(jìn)而研究這3個(gè)因素對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、含水率以及pH的影響，最后采用極差分析法分析各因素水平的顯著性并對各因素的重要性進(jìn)行排序．

1 水泥土正交試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取樣挖深3～4 m，該地層屬全新統(tǒng)湖相堆積(Q4al+l)，為淤泥質(zhì)土和淤泥質(zhì)土夾粉細(xì)砂，試驗(yàn)用土的物理力學(xué)參數(shù)見表1；所用水泥為石門海螺P.O42.5水泥；拌和用水為實(shí)驗(yàn)室普通自來水．

表1 土的主要物理力學(xué)參數(shù)

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)選用L9(34)正交表，以水灰比、水泥摻量、攪拌時(shí)間作為正交設(shè)計(jì)的3個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平．根據(jù)已有研究以及工程實(shí)踐，取水灰比的3個(gè)水平分別為0.5、0.6、0.7；水泥摻量以天然淤泥質(zhì)濕土質(zhì)量為基數(shù)進(jìn)行配比，3個(gè)水平分別為15%、18%、20%；攪拌時(shí)間的3個(gè)水平分別為1 min、1.5 min、2 min，得到因素水平表見表2．

表2 因素水平表

本次試驗(yàn)總共設(shè)計(jì)9種水泥土配合比，每種配合比設(shè)計(jì)3個(gè)齡期(7 d、14 d、28 d)，每個(gè)齡期成型3個(gè)試件，共成型9×3×3=81個(gè)試件．當(dāng)水泥土達(dá)到試驗(yàn)齡期時(shí)，測定水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并在試件中心部位取樣測定含水率及pH，由此得到基于正交設(shè)計(jì)的水泥土試驗(yàn)方案見表3．表中淤泥質(zhì)土的質(zhì)量為天然淤泥質(zhì)濕土的質(zhì)量，水泥質(zhì)量由水泥摻量和淤泥質(zhì)濕土質(zhì)量相乘獲得，水灰比為新加水質(zhì)量和水泥質(zhì)量的比值．由《水泥土配合比試驗(yàn)規(guī)程》(JGJ/T233-2011)[11]以及設(shè)計(jì)的水灰比和水泥摻量得到9組試驗(yàn)的材料配比．

1.3 試驗(yàn)步驟

首先進(jìn)行試件制備，試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm．?dāng)嚢璺绞讲捎脵C(jī)械攪拌，投料前將攪拌鍋潤濕，然后均勻混合土樣和水泥，再灑水并按30 s順時(shí)針、30 s逆時(shí)針相互交替的方式進(jìn)行攪拌，直至達(dá)到設(shè)計(jì)的攪拌時(shí)間．裝樣振搗后注意將表面抹平并用塑料薄膜遮蓋以防止水分蒸發(fā)過快．24 h后進(jìn)行拆模，然后放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為20±5℃，養(yǎng)護(hù)濕度≥95%．

試件達(dá)到相應(yīng)齡期后，先進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，所用儀器為JYE-2000型數(shù)顯壓力試驗(yàn)機(jī)，加載速率為0.2 kN/s．再將測定完抗壓強(qiáng)度的試件破碎，取大約20 g中心部位的土樣，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(SL237-1999)[12]測定水泥土的含水率．將水泥土進(jìn)一步碾細(xì)，稱取10 g細(xì)樣并兌入50 g蒸餾水?dāng)嚢杈鶆蚝蟮玫酵了葹?∶5的土樣溶液．將配制的土樣溶液靜置30 min，使用數(shù)顯精密酸度計(jì)(具有自動溫補(bǔ)功能，能補(bǔ)償?shù)?5℃時(shí)的數(shù)值)測定其上層清液的pH值．

表3 水泥土試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果整體分析

根據(jù)試驗(yàn)方案，測定9組不同配比水泥土試件在不同齡期(7 d、14 d、28 d)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、含水率和上清液的pH值，結(jié)果見表4．由表4可以得到水泥土抗壓強(qiáng)度、含水率以及pH隨齡期變化的關(guān)系，依次見圖1～3．

表4 水泥土正交試驗(yàn)結(jié)果

圖1 抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系 圖2 含水率與齡期的關(guān)系 圖3 pH與齡期的關(guān)系

從圖1可見，水泥土抗壓強(qiáng)度隨齡期增大而增大，主要表現(xiàn)為前期增長快，后期增長緩慢．9組試驗(yàn)中，試驗(yàn)7(A3B1C3)所測抗壓強(qiáng)度最小，試驗(yàn)3(A1B3C3)所測抗壓強(qiáng)度最大，28 d齡期時(shí)達(dá)到3.279 MPa．由圖2可見，除試驗(yàn)2和試驗(yàn)8，其他各組試驗(yàn)含水率隨齡期增長而降低，其中試驗(yàn)1(A1B1C1)所測3個(gè)齡期的含水率均為最低．根據(jù)表4和圖3，9組試驗(yàn)所測pH變化幅度均較小，其中，試驗(yàn)7和試驗(yàn)8所測pH值隨齡期增長而減小，而試驗(yàn)1～6則先減小再增大．試驗(yàn)9(A3B3C2)所測3個(gè)齡期的pH值均為最大．

2.2 各因素敏感性分析

根據(jù)正交試驗(yàn)理論，各因素不同水平相對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和的極差大小反映各因素對指標(biāo)影響的大小．極差越大，表示該因素的水平變化對試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，是重要因素；反之，該因素越不重要．具體做法為：先求各因素不同水平相對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和，記作Ki(i為各因素的水平)，再求同一因素下Ki的極差，用R表示，最后根據(jù)R對比分析各因素的影響．另外，通過繪制水平趨勢圖，可以直觀反映指標(biāo)隨因素水平的變化規(guī)律，具體做法為：用因素的水平做橫坐標(biāo)，用相應(yīng)的水平所導(dǎo)致的結(jié)果之和(即Ki)作為縱坐標(biāo)，在圖中畫出相應(yīng)的點(diǎn)，用直線依次聯(lián)結(jié)起來，形成水平趨勢折線．

2.2.1 抗壓強(qiáng)度的影響因素敏感性分析

由表4中正交試驗(yàn)結(jié)果，對各因素同水平下的抗壓強(qiáng)度值求和后求極差，結(jié)果見表5．從中可見，同一齡期下，A因素(水灰比)極差最大，B因素(水泥摻量)次之，C因素(攪拌時(shí)間)最小，則影響水泥土抗壓強(qiáng)度各因素的重要性次序分別為A、B、C，并且隨著齡期增大，極差越大，各因素重要性區(qū)分度更大．根據(jù)表4繪制各因素水平的趨勢圖(如圖4所示)，從圖中直觀可見，抗壓強(qiáng)度隨A因素增大而減小，隨B因素或C因素增大而增大，說明在一定范圍內(nèi)，水灰比較小，水泥摻量較大以及攪拌時(shí)間越長時(shí)，水泥土抗壓強(qiáng)度越大，與一般事實(shí)相符．

表5 抗壓強(qiáng)度極差分析 (單位：MPa)

圖4 抗壓強(qiáng)度隨各因素不同水平的變化趨勢

2.2.2 含水率的影響因素敏感性分析

由表3中正交試驗(yàn)結(jié)果，對各因素同水平下的水泥土含水率求和后求極差，結(jié)果見表6．從中可以看出，同一齡期下，A因素(水灰比)極差最大，B因素(水泥摻量)和C因素(攪拌時(shí)間)的極差大小在不同齡期表現(xiàn)各異，這說明A因素對水泥土含水率的影響最重要．根據(jù)表6可以繪制影響水泥土含水率的各因素水平的趨勢圖(如圖5所示)，從圖中直觀可見，隨著A因素的增大，含水率之和也增大，并且齡期越長，極差越大；B因素與C因素水平變動時(shí)，含水率在部分齡期表現(xiàn)出一定規(guī)律性，但從整體上看，B因素與C因素與含水率試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性不大，即B、C兩種因素的重要性不顯著．

圖5 含水率隨各因素不同水平的變化趨勢

表6 含水率極差分析 (單位：%)

2.2.3 pH的影響因素敏感性分析

由表3中正交試驗(yàn)結(jié)果，對各因素同水平下的pH值求和后求極差，結(jié)果見表7．可見A、B、C 3種因素所得極差均較?。鶕?jù)表7繪制影響土樣溶液pH的各因素水平的趨勢圖(如圖6所示)，從圖中可見，pH隨著B因素增大而增大，這是由于水泥摻量越大，水化產(chǎn)物越多，堿度增大；A因素增大時(shí)，pH先減小后增大，這可能是mw/mc=0.5的水化體系水化后孔溶液濃度較mw/mc=0.6的高，從而pH也較之更高，而mw/mc=0.7的水化體系比低水灰比的水化體系水化程度大，提高了孔溶液濃度，從而導(dǎo)致pH增大；C因素水平變動時(shí)，pH的變化未表現(xiàn)出統(tǒng)一的規(guī)律．由此，可以認(rèn)為A、B因素對pH的影響更重要．

表7 pH極差分析

圖6 pH隨各因素不同水平的變化趨勢

3 結(jié) 論

結(jié)合洞庭湖區(qū)某分洪閘工程的淤泥質(zhì)土地基，開展了水泥土正交試驗(yàn)，研究了水灰比、水泥摻量和攪拌時(shí)間對淤泥質(zhì)土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、含水率以及pH的影響．分析表明：

1)水泥土抗壓強(qiáng)度隨齡期增長而增大，早期強(qiáng)度增長較快，后期強(qiáng)度增長緩慢．影響抗壓強(qiáng)度的因素的重要性排序?yàn)樗冶?、水泥摻量、攪拌時(shí)間，并且在一定范圍內(nèi)，水灰比較小，水泥摻量較大以及攪拌時(shí)間越長時(shí)，水泥土抗壓強(qiáng)度越大．

2)水泥土含水率主要隨齡期增長而降低．3種因素中，對含水率的影響最重要的是水灰比，影響規(guī)律表現(xiàn)為，含水率隨著水灰比的增大而增大．水泥摻量和攪拌時(shí)間對含水率的影響沒有明顯規(guī)律．

3)水泥土pH隨齡期的變化為：試驗(yàn)7和試驗(yàn)8所測pH值隨齡期增長而減小，而試驗(yàn)1～6則先減小后增大．同一齡期下，pH隨著水泥摻量的增大而增大；所測pH隨水灰比的變化是非單調(diào)的，一定范圍內(nèi)，水灰比增大時(shí)，pH先減小后增大．