基于正交試驗(yàn)的復(fù)合水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)研究

張莉

（中鐵十一局集團(tuán)第六工程有限公司，湖北 襄陽(yáng)441000）

1 工程背景

寧波地鐵某工程場(chǎng)地屬于典型濱海相沉積形成的軟土地基。淤泥質(zhì)土層厚超過30 m，其中局部相變粉質(zhì)黏土，偶見半碳化腐殖質(zhì)和貝殼碎屑。試驗(yàn)用土取自工程場(chǎng)地地表下6～8 m的淤泥質(zhì)土，呈灰色、流塑狀，土性較差。

2 室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自本工程場(chǎng)地中的典型淤泥質(zhì)土，采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；初步確定水泥土外加劑選用氯化鈣、氫氧化鋁和二乙醇單異丙醇胺（DEIPA）等。試驗(yàn)用水取自本工程現(xiàn)場(chǎng)。

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1 試驗(yàn)要求

將土樣置于烘箱內(nèi)烘干后，進(jìn)行搗碎，根據(jù)JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[1]要求，土樣制備時(shí)過5 mm篩，試樣制備尺寸采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。根據(jù)寧波當(dāng)?shù)貙?shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，水泥摻量分別選取15%、18%和21%，水灰比取0.55，每種配合比制備3個(gè)試樣。同時(shí)，因?qū)Ρ刃枰苽錈o(wú)外加劑相應(yīng)配比的水泥土樣，用來分析不同復(fù)合外加劑對(duì)水泥土強(qiáng)度的提升效果及其變化規(guī)律。

2.2.2 試驗(yàn)步驟

根據(jù)配合比要求，將稱量的土樣、水泥和外加劑混料放入水泥攪拌機(jī)，在初步均勻拌和后，再一次性加入稱量的拌和水，攪拌10～15 min后，拌和物分2層插搗，并保證每層拌和物高度基本相等。

需注意的是，拌和物要注意以下4點(diǎn)：（1）每層拌和物按螺旋形方向由邊緣向中心均勻插搗15次；（2）底層拌和物在插搗過程中，搗棒必須觸到試模底部；（3）上層拌和物在插搗時(shí)，搗棒應(yīng)達(dá)到下層拌和物的10 mm左右，且搗棒要保持豎直；（4）為保證試樣的完整性和便于脫模，可在試模內(nèi)表面涂一層機(jī)油。

拌和物在試模內(nèi)成型后（成型時(shí)間控制在25 min內(nèi)），要進(jìn)行的步驟為：（1）將試模固定在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振實(shí)，振實(shí)時(shí)間約2.5 min；（2）經(jīng)振實(shí)后，拌和物會(huì)高出試模上邊緣，對(duì)此需刮除試模頂部多余水泥土，抹平后蓋上塑料薄膜；（3）將試模靜置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室48 h后，進(jìn)行脫模及編號(hào)；（4）試件外表面不得含裂紋、缺棱掉角、傾斜等，否則要重新制樣。

合格的試樣經(jīng)稱量后放入（20±1）℃水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)：（1）試樣放置間隔＞10 mm；（2）試樣表面離水面距離＞20 mm；（3）試樣在水中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

2.2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

從養(yǎng)護(hù)室取出試樣后立即開展試驗(yàn)，試驗(yàn)前擦干試樣表面。采用SYE-2000A型壓力試驗(yàn)機(jī)，加荷速率控制在1.0 kN/s，實(shí)行均勻、連續(xù)加荷。另外，將試樣置于墊板中心，使試樣受力面與成型面垂直；同時(shí)，要在試樣上下表面涂抹1層潤(rùn)滑劑，并在試驗(yàn)過程中及時(shí)調(diào)整球形支座以保證接觸面可均勻受壓。

2.3 無(wú)外加劑試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)設(shè)計(jì)水泥摻入比分別為15%、18%、21%；試樣養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、28 d和90 d。經(jīng)試驗(yàn)可知，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻入比變化呈現(xiàn)規(guī)律為：（1）同一齡期時(shí)，隨著水泥摻入比的增加，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大；（2）與7 d、28 d齡期相比，90 d齡期的水泥摻入比對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響更大。這個(gè)規(guī)律符合關(guān)于豎向承載水泥土應(yīng)取其90 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的建議；同時(shí)，這也進(jìn)一步說明水泥摻入比對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響效果非常明顯。

2.4 復(fù)合外加劑試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)初步選定的氯化鈣、氫氧化鋁和DEIPA等外加劑開展正交試驗(yàn)，可得出最優(yōu)的復(fù)合外加劑的配合比，以用來指導(dǎo)工程實(shí)踐。本工程采用正交試驗(yàn)中的4因素3水平試驗(yàn)方法。設(shè)計(jì)試驗(yàn)組數(shù)為9組，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、28 d和90 d，水泥摻入比分別為15%、18%、21%。經(jīng)試驗(yàn)得知，隨著齡期增長(zhǎng)，含復(fù)合外加劑的水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)逐漸增大。表1、表2、表3為7 d、28 d、90 d不同齡期正交試驗(yàn)多因素極差分析結(jié)果。

表1 7 d齡期極差分析結(jié)果MPa

表2 28 d齡期極差分析結(jié)果MPa

表3 90 d齡期極差分析結(jié)果

表中，Ki（i=1，2，3）為某因素第i個(gè)水平試樣的強(qiáng)度之和；ki（i=1，2，3）為平均值，即ki=Ki/3；Rj為某因素下的極差（最大值與最小值之差），Rj值越大，說明該因素對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響程度越顯著，反之影響就小。由此可知：

1）28 d、90 d齡期的各因素影響程度與7 d齡期的一致，由高到低影響程度的因素排列順序?yàn)椋核啵韭然}＞氫氧化鋁＞DEIPA。

2）與同摻入比的無(wú)外加劑水泥土相比，28 d、90 d的水泥土最大無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了41.5%和23.1%。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)場(chǎng)地地基采用釘形雙向水泥土攪拌樁進(jìn)行加固。根據(jù)上述室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)濟(jì)性考慮，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用復(fù)合外加劑：P·O42.5普通硅酸鹽水泥摻入比18%、水灰比0.55、氯化鈣摻入比3%、氫氧化鋁摻入比3%、DEIPA摻入比0.03%。

為檢驗(yàn)地基加固實(shí)施效果，現(xiàn)場(chǎng)采用鉆芯取樣試驗(yàn)，以驗(yàn)證水泥土強(qiáng)度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

釘形雙向水泥攪拌樁施工28 d后進(jìn)行了鉆芯取樣試驗(yàn)來測(cè)試取樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。表4為1#、2#和3#試樁的鉆芯取樣試驗(yàn)結(jié)果。從表4中可以得到：（1）水泥土樣基本呈灰色，樁身攪拌較均勻，芯樣呈現(xiàn)柱狀；（2）12 m以上的鉆芯取樣較連續(xù)，12 m以下鉆芯取樣相對(duì)不完整，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與淺部鉆芯取樣有較大差別。

從表4可知：

表4 1#~3#試樁鉆芯取樣試驗(yàn)結(jié)果

1）沿深度方向釘形雙向水泥土攪拌樁樁身強(qiáng)度分布不太均勻，離散性較大；

2）工程現(xiàn)場(chǎng)水泥土強(qiáng)度不僅與齡期有關(guān)，還與其深度及對(duì)應(yīng)環(huán)境有關(guān)，即不同深度會(huì)影響水泥土物理化學(xué)反應(yīng)，從而影響其強(qiáng)度；

3）與室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相比，現(xiàn)場(chǎng)芯樣取樣試驗(yàn)的水泥土強(qiáng)度明顯要低，因此差距較大；

4）設(shè)計(jì)的復(fù)合外加劑能有效提高釘形雙向水泥攪拌樁的樁身質(zhì)量，即室內(nèi)正交試驗(yàn)結(jié)果是可靠的。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)寧波地鐵某工程場(chǎng)地的軟土地基加固施工可知，開展基于正交試驗(yàn)的水泥土復(fù)合外加劑試驗(yàn)研究能夠提出最優(yōu)配合比，并在結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣試驗(yàn)前提下，驗(yàn)證其應(yīng)用效果，值得推廣。