水泥砂漿樁無側(cè)限抗壓強度影響因素正交試驗研究

阮波，李雪松，彭學(xué)先，鄧林飛，王小波

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

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水泥砂漿樁無側(cè)限抗壓強度影響因素正交試驗研究

阮波，李雪松，彭學(xué)先，鄧林飛，王小波

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

摘要:通過正交試驗方法，研究摻砂量、砂的細度模數(shù)、水泥摻入比和土樣含水率等因素對水泥砂漿樁無側(cè)限抗壓強度的影響，分析各因素的敏感性及各水平的效應(yīng)。試驗結(jié)果表明，水泥摻入比敏感性最大，其次是含水率，較小的是砂的細度模數(shù)和摻砂量。水泥砂漿樁無側(cè)限抗壓強度隨著水泥摻入比的增大而增大，隨著含水率增大而減小，摻砂量存在一個最優(yōu)值。

關(guān)鍵詞：正交試驗；水泥砂漿樁；無側(cè)限抗壓強度；水泥摻入比；摻砂量；細度模數(shù)；含水率

水泥砂漿樁是在噴漿攪拌法成樁的基礎(chǔ)上改進的一種新型樁，采用水泥砂漿作為固化劑，即在純水泥漿中摻入一定比例的中砂、粉細砂或粉煤灰，以增加地基土中粗顆粒含量，降低地基土的塑性指數(shù)，改良加固土體的物理力學(xué)指標，可明顯提高樁體的無側(cè)限抗壓強度。曲濤等[1-3]對水泥砂漿固化土進行試驗，研究了摻砂量、砂料粒徑、水泥摻入比、含水率、齡期、圍壓等因素對強度和剛度的影響規(guī)律，表明摻砂可以明顯提高強度；王海龍等[4]研究發(fā)現(xiàn)，改良水泥土存在一個最優(yōu)的摻砂量和含灰量，使水泥砂漿復(fù)合土強度最高；隋瑞凌[5]，蘭凱[6]和印長俊[7]等在軟土中摻入一定量的砂作為改良骨料，可大幅度提高水泥土強度[5-7]；阮波等[8]通過正交試驗對水泥土無側(cè)限抗壓強度影響因素進行研究，得出各因素影響相對大小和配合比的最優(yōu)組合。本文通過正交試驗方法研究摻砂量、砂的細度模數(shù)、水泥摻入比和含水率等因素對水泥砂漿樁無側(cè)限抗壓強度的影響，分析了無側(cè)限抗壓強度對各因素的敏感性以及各因素對無側(cè)限抗壓強度的效應(yīng)。

1試驗方案設(shè)計

1.1　試驗材料

土樣取自于湖南省懷邵衡鐵路隆回段某軟土地基工程，主要物理性質(zhì)指標見表1。水泥采用Po.42.5 級普通硅酸鹽水泥，物理力學(xué)指標見表2，試驗用砂采用天然河砂，試驗用水為自來水。

表1　土的物理力學(xué)指標

表2　水泥的物理力學(xué)指標

1.2　正交試驗設(shè)計

水泥砂漿樁無側(cè)限抗壓強度的影響因素較多，主要影響因素有水泥摻入比、含水率、摻砂比和砂的細度模數(shù)等，用A，B，C和D分別代表含水率、摻砂量、水泥摻入比和砂的細度模數(shù)。其中各細度模數(shù)的砂由天然河砂篩分后再進行不同粒徑配比而成，如表3所示。正交試驗因素和水平的選取見表4，摻砂量和水泥摻入比均以土的干質(zhì)量為基數(shù)計算。試驗方案選用4因素4水平正交試驗，正交表為L16(45)，見表5，空列留作誤差計算。

表3　砂的細度模數(shù)對應(yīng)各粒徑百分比

表4　正交試驗的因素及水平

1.3　試樣制備

土樣風(fēng)干碾碎，過2 mm 篩，按照比例加入砂和水泥，加水攪和均勻，攪拌時間為12 min左右。將攪拌均勻的混合料分兩層倒入試模，插搗后振實，每層振實時間不少于2 min，制作成直徑39.1 mm，高80 mm的圓柱體試樣；養(yǎng)護24 h后脫模，編號，放入標準養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護，養(yǎng)護條件為：溫度(20±2)℃，相對濕度95%。根據(jù)《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》[9]，每組試樣為6個。

1.4試驗

采用TSZ-1型全自動三軸儀，進行不固結(jié)不排水剪(UU)試驗，將圍壓設(shè)為零，無需加水施加圍壓，剪切速率為0.8 mm/min。

2試驗結(jié)果及分析

2.1　實驗結(jié)果及極差分析

達到28 d齡期，對各組試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果及計算過程見表5。

表5　正交試驗方案和結(jié)果計算表

從表5可以看出，第13號試驗的平均無側(cè)限抗壓強度最高，其具體條件為A4B1C4D2。極差RC>RA>RD>RB，水泥砂漿樁試件無側(cè)限抗壓強度影響因素的敏感性由高到低為水泥摻入比、含水率、砂的細度模數(shù)和摻砂量。

2.2　效應(yīng)分析

各因素在不同水平下效應(yīng)均值kjl相對于各水平的變化情況如圖1所示。由圖1可知，隨著水泥摻入比的增加無側(cè)限抗壓強度增加；隨著含水率的減小無側(cè)限抗壓強度增加；摻砂量從0%增加到15%時無側(cè)限抗壓強度增加，摻砂量從15%增加到45%時無側(cè)限抗壓強度減小，甚至小于0%摻砂量無側(cè)限抗壓強度，即當摻砂量超過一定值無側(cè)限抗壓強度比未摻砂水泥砂漿樁試件還要低；當細度模數(shù)在1.5~2.5隨著細度模數(shù)增加無側(cè)限抗壓強度降低，但當細度模數(shù)為3.0時無側(cè)限抗壓強度稍有增強的趨勢。試驗中，取每個影響因素對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強度最高的為最優(yōu)水平，因此最優(yōu)水平組合選A4B2C4D1，即最優(yōu)水平組合為水泥摻入比為30% ，含水率為45%，砂的細度模數(shù)為1.5，摻砂量為15%。

(a)含水率對無側(cè)限抗壓強度的影響；(b)摻砂量對無側(cè)限抗壓強度的影響；(c)水泥摻入比對無側(cè)限抗壓強度的影響；(d)砂的細度模數(shù)對無側(cè)限抗壓強度的影響圖1　各因素對無側(cè)限抗壓強度的效應(yīng)圖Fig.1 Effect of various factors on UCS

2.3　方差分析

由于極差分析和效應(yīng)分析可以區(qū)分因素主次和得出最優(yōu)組合，但是不能區(qū)分影響因素各水平所對應(yīng)的試驗結(jié)果間的差異是由于影響因素水平不同引起的，還是由于試驗誤差造成的。因此，采用方差分析法進行區(qū)分[10]，并且根據(jù)方差分析結(jié)果構(gòu)造F分布統(tǒng)計量進行顯著性檢驗，見表6。

表6　方差分析表

從表6可以看出，F(xiàn)C> FA> FD> FB，各F值與常見F分布臨界值對比可知，水泥摻入比和含水率對無側(cè)限抗壓強度影響較顯著，其中水泥摻入比影響高度顯著，摻砂量和砂的細度模數(shù)對無側(cè)限抗壓強度影響較小。即水泥摻入比的顯著性>含水率的顯著性>砂的細度模數(shù)的顯著性>摻砂量的顯著性。本次試驗中各因素均方差均大于隨機誤差的均方差，試驗結(jié)果可靠。

3結(jié)論

1)水泥砂漿樁的無側(cè)限抗壓強度的影響因素中，水泥摻入比影響較大，其次是含水率，影響較小的是砂的細度模數(shù)和摻砂量。

2)摻砂量存在最優(yōu)值，當摻砂量超過一定值以后砂漿樁無側(cè)限抗壓強度隨摻砂量增加呈下降趨勢。

參考文獻：

[1] 曲濤, 范曉秋, 劉鑫.水泥砂漿固化土抗壓強度特性試驗[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2012,40(2):173-179.

QU Tao, FAN Xiaoqiu, LIU Xin.Experimental study of compressive strength properties of soils stabilized by cement mortar[J].Journal of Hohai University(Natural Sciences), 2012,40(2):173-179.

[2] 劉鑫, 范曉秋, 洪寶寧.水泥砂漿固化土三軸試驗研究[J].巖土力學(xué), 2011,32(6):1676-1682.

LIU Xin，F(xiàn)AN Xiaoqiu，HONG Bao-ning.Experimental study of triaxial test of soils stabilized by cement mortar soil[ J].Rock and Soil Mechanics, 2011,32(6):1676-1682.

[3] 范曉秋, 洪寶寧, 胡昕，等.水泥砂漿固化土物理力學(xué)特性試驗研究[J].巖土工程學(xué)報, 2008,30(4):605-610.

FAN Xiaoqiu, HONG Baoning, HU Xin, et al.Physico-mechanical properties of soils stabilized by cement mortar[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering.2008, 30(4): 605-610.

[4] 王海龍, 申向東, 王蕭蕭，等.水泥砂漿復(fù)合土力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)的試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2012(增1):3264-3269.

WANG Hailong，SHEN Xiangdong，WANG Xiaoxiao，et al.Experimental research of mechanical properties andmicrostructure for cement mortar composite soil[J].ChineseJournal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(S1) : 3264 - 3269．

[5] 隋瑞凌, 阮波, 李雪松.水泥砂漿樁無側(cè)限抗壓強度試驗研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2015,12(3):540-544.

SUI Ruiling，RUAN Bo，LI Xuesong.Experimental study on unconfined compressive strength of cement mortar pile[J].Journal of Railway Science and Engineering，2015,12(3):540-544.

[6] 蘭凱, 黃漢盛, 鄢泰寧.軟土型水泥土摻砂試驗研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2006(5):113-116.

LAN Kai, HUANG Hansheng, YAN Taining.Laboratorytest for cement-stabilized soft soil added withsand[J].Hydrogeology and Engineering Geology, 2006(5): 113-116.

[7] 印長俊, 馬石城, 王星華.浸水條件下水泥砂土力學(xué)性能的試驗研究[J].建筑技術(shù), 2007,38(02):137-139.

YIN Changjun, MA Shicheng, WANG Xinghua.Analysis of laboratory test on mechanics behavior of sand soil cement on condition of soaking[J].Architecture Technology, 2007, 38(2): 137-140.

[8] 阮波, 阮慶, 田曉濤等.淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土水泥土無側(cè)限抗壓強度影響因素的正交試驗研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2013，10(6):45-48.

RUAN Bo，RUAN Qing，TIAN Xiaotao，et al.The study of the orthotropic test on cement-soil unconfined compressive strength of muddy silty clay[J].Joutnal of Railway Science and Engineering，2013，10(6)：45-48.

[9] JGJ/T 233—2011，水泥土配合比設(shè)計規(guī)程 [S].

JGJ/T 233—2011，Specification for mix proportion design of cement soil[S].

[10] 劉瑞江, 張業(yè)旺, 聞崇煒,等.正交試驗設(shè)計和分析方法研究[J].實驗技術(shù)與管理, 2010,27(9):52-55.

LIU Ruijiang, ZHANG Yewang, WEN Chongwei，et al.Study on the design and analysis methods of orthogonal experiment[J].Experimental Technology and Management，2010,27(9):52-55.

(編輯蔣學(xué)東)

Study on the unconfined compressive strength ofcement mortar pile based on orthogonal experiment

RUAN Bo， LI Xuesong， PENG Xuexian， DENG Linfei， WANG Xiaobo

(School of Civil Engineering， Central South University， Changsha 410075，China)

Abstract:By using orthogonal experiment analysis method to study the influence of sand content, sand fineness modulus, cement ratio and moisture content on unconfined compressive strength(UCS) of cement mortar pile, the identifying sensitive to various factors and the best combination of mix are obtained.The test results show that the ratio of cement to cement is the most sensitiveone, followed by moisture content, the fineness modulus of sand and sand content are small.The unconfined compressive strength of cement mortar pile would increases with the increase of cement content.Since that strength would also decrease with the increase of moisture content, an optimal value of sand content was found.

Key words:orthogonal experiment；cement mortar pile；UCS；cement ratio；sand content；fineness modulus；moisture content

通訊作者：阮波(1972-)，男，河南新縣人，副教授，博士，從事巖土工程方面的研究；E-mail：421084359@126.com

基金項目：中南大學(xué)實驗室開放專項資金資助項目

收稿日期：2015-03-01

中圖分類號：TU 411.7

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2015)06-1353-05