水泥砂漿樁無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素正交試驗(yàn)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(zhǎng)沙 410075)

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水泥砂漿樁無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素正交試驗(yàn)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(zhǎng)沙 410075)

摘要:通過(guò)正交試驗(yàn)方法，研究摻砂量、砂的細(xì)度模數(shù)、水泥摻入比和土樣含水率等因素對(duì)水泥砂漿樁無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，分析各因素的敏感性及各水平的效應(yīng)。試驗(yàn)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(xì)度模數(shù)和摻砂量。水泥砂漿樁無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(gè)最優(yōu)值。

關(guān)鍵詞：正交試驗(yàn)；水泥砂漿樁；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；水泥摻入比；摻砂量；細(xì)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(jìn)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(xì)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(biāo)，可明顯提高樁體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。曲濤等[1-3]對(duì)水泥砂漿固化土進(jìn)行試驗(yàn)，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(duì)強(qiáng)度和剛度的影響規(guī)律，表明摻砂可以明顯提高強(qiáng)度；王海龍等[4]研究發(fā)現(xiàn)，改良水泥土存在一個(gè)最優(yōu)的摻砂量和含灰量，使水泥砂漿復(fù)合土強(qiáng)度最高；隋瑞凌[5]，蘭凱[6]和印長(zhǎng)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(qiáng)度[5-7]；阮波等[8]通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素進(jìn)行研究，得出各因素影響相對(duì)大小和配合比的最優(yōu)組合。本文通過(guò)正交試驗(yàn)方法研究摻砂量、砂的細(xì)度模數(shù)、水泥摻入比和含水率等因素對(duì)水泥砂漿樁無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，分析了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)各因素的敏感性以及各因素對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的效應(yīng)。

1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1　試驗(yàn)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(biāo)見表1。水泥采用Po.42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，物理力學(xué)指標(biāo)見表2，試驗(yàn)用砂采用天然河砂，試驗(yàn)用水為自來(lái)水。

表1　土的物理力學(xué)指標(biāo)

表2　水泥的物理力學(xué)指標(biāo)

1.2　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水泥砂漿樁無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(xì)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(xì)度模數(shù)。其中各細(xì)度模數(shù)的砂由天然河砂篩分后再進(jìn)行不同粒徑配比而成，如表3所示。正交試驗(yàn)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(jì)算。試驗(yàn)方案選用4因素4水平正交試驗(yàn)，正交表為L(zhǎng)16(45)，見表5，空列留作誤差計(jì)算。

表3　砂的細(xì)度模數(shù)對(duì)應(yīng)各粒徑百分比

表4　正交試驗(yàn)的因素及水平

1.3　試樣制備

土樣風(fēng)干碾碎，過(guò)2 mm 篩，按照比例加入砂和水泥，加水?dāng)嚭途鶆颍瑪嚢钑r(shí)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(shí)，每層振實(shí)時(shí)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(hù)24 h后脫模，編號(hào)，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為：溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度95%。根據(jù)《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[9]，每組試樣為6個(gè)。

1.4試驗(yàn)

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

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及極差分析

達(dá)到28 d齡期，對(duì)各組試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算過(guò)程見表5。

表5　正交試驗(yàn)方案和結(jié)果計(jì)算表

從表5可以看出，第13號(hào)試驗(yàn)的平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，其具體條件為A4B1C4D2。極差RC>RA>RD>RB，水泥砂漿樁試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(xì)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(duì)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加；隨著含水率的減小無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加；摻砂量從0%增加到15%時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加，摻砂量從15%增加到45%時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小，甚至小于0%摻砂量無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，即當(dāng)摻砂量超過(guò)一定值無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比未摻砂水泥砂漿樁試件還要低；當(dāng)細(xì)度模數(shù)在1.5~2.5隨著細(xì)度模數(shù)增加無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低，但當(dāng)細(xì)度模數(shù)為3.0時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度稍有增強(qiáng)的趨勢(shì)。試驗(yàn)中，取每個(gè)影響因素對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(xì)度模數(shù)為1.5，摻砂量為15%。

(a)含水率對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響；(b)摻砂量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響；(c)水泥摻入比對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響；(d)砂的細(xì)度模數(shù)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響圖1　各因素對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(duì)應(yīng)的試驗(yàn)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(yàn)誤差造成的。因此，采用方差分析法進(jìn)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(jì)量進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，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(duì)比可知，水泥摻入比和含水率對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(xì)度模數(shù)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(xì)度模數(shù)的顯著性>摻砂量的顯著性。本次試驗(yàn)中各因素均方差均大于隨機(jī)誤差的均方差，試驗(yàn)結(jié)果可靠。

3結(jié)論

1)水泥砂漿樁的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(xì)度模數(shù)和摻砂量。

2)摻砂量存在最優(yōu)值，當(dāng)摻砂量超過(guò)一定值以后砂漿樁無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻砂量增加呈下降趨勢(shì)。

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(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(xiàng)目：中南大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目

收稿日期：2015-03-01

中圖分類號(hào)：TU 411.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2015)06-1353-05