丁 宇 肖 磊 方國(guó)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(zhǎng)江勘測(cè)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(guò)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(duì)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(dòng)破壞，導(dǎo)致建筑物局部開(kāi)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(duì)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(jí)、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(duì)上述影響因素，S.Horpibulsuk等[3]研究發(fā)現(xiàn)水灰比對(duì)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(duì)土水泥土抗壓強(qiáng)度的影響；邢皓楓等[6]通過(guò)試驗(yàn)定量地分析了水泥品種、摻入量和添加劑對(duì)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(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，水泥摻量對(duì)水泥土無(wú)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(jí)對(duì)水泥土無(wú)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(duì)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(duì)的是水泥土的抗壓強(qiáng)度，而研究各因素對(duì)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(chǎng)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(kāi)展水泥土室內(nèi)試驗(yàn)，進(jìn)而研究這3個(gè)因素對(duì)水泥土無(wú)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(duì)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(jiàn)表1；所用水泥為石門(mén)海螺P.O42.5水泥；拌和用水為實(shí)驗(yàn)室普通自來(lái)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(jiàn)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(cè)定水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并在試件中心部位取樣測(cè)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(jiàn)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(rùn)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(guò)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(wú)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(cè)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(cè)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(dòng)溫補(bǔ)功能，能補(bǔ)償?shù)?5℃時(shí)的數(shù)值)測(cè)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(cè)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、含水率和上清液的pH值，結(jié)果見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)，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(zhǎng)快，后期增長(zhǎng)緩慢．9組試驗(yàn)中，試驗(yàn)7(A3B1C3)所測(cè)抗壓強(qiáng)度最小，試驗(yàn)3(A1B3C3)所測(cè)抗壓強(qiáng)度最大，28 d齡期時(shí)達(dá)到3.279 MPa．由圖2可見(jiàn)，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(zhǎng)而降低，其中試驗(yàn)1(A1B1C1)所測(cè)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(cè)pH變化幅度均較小，其中，試驗(yàn)7和試驗(yàn)8所測(cè)pH值隨齡期增長(zhǎng)而減小，而試驗(yàn)1～6則先減小再增大．試驗(yàn)9(A3B3C2)所測(cè)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(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和的極差大小反映各因素對(duì)指標(biāo)影響的大?。畼O差越大，表示該因素的水平變化對(duì)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(duì)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(duì)比分析各因素的影響．另外，通過(guò)繪制水平趨勢(shì)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(huà)出相應(yīng)的點(diǎn)，用直線依次聯(lián)結(jié)起來(lái)，形成水平趨勢(shì)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(duì)各因素同水平下的抗壓強(qiáng)度值求和后求極差，結(jié)果見(jiàn)表5．從中可見(jiàn)，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(shì)圖(如圖4所示)，從圖中直觀可見(jiàn)，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(shuō)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(zhǎng)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(shì)

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(duì)各因素同水平下的水泥土含水率求和后求極差，結(jié)果見(jiàn)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(shuō)明A因素對(duì)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(shì)圖(如圖5所示)，從圖中直觀可見(jiàn)，隨著A因素的增大，含水率之和也增大，并且齡期越長(zhǎng)，極差越大；B因素與C因素水平變動(dòng)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(shì)

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(duì)各因素同水平下的pH值求和后求極差，結(jié)果見(jiàn)表7．可見(jiàn)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(shì)圖(如圖6所示)，從圖中可見(jiàn)，pH隨著B(niǎo)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(dòng)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(duì)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(shì)

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(kāi)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(duì)淤泥質(zhì)土水泥土無(wú)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(zhǎng)而增大，早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)而降低．3種因素中，對(duì)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(duì)含水率的影響沒(méi)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(cè)pH值隨齡期增長(zhǎng)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(cè)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．