水泥砂浆桩无侧限抗压强度影响因素正交试验研究

阮波，李雪松，彭学先，邓林飞，王小波

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)



水泥砂浆桩无侧限抗压强度影响因素正交试验研究

阮波，李雪松，彭学先，邓林飞，王小波

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

摘要:通过正交试验方法，研究掺砂量、砂的细度模数、水泥掺入比和土样含水率等因素对水泥砂浆桩无侧限抗压强度的影响，分析各因素的敏感性及各水平的效应。试验结果表明，水泥掺入比敏感性最大，其次是含水率，较小的是砂的细度模数和掺砂量。水泥砂浆桩无侧限抗压强度随着水泥掺入比的增大而增大，随着含水率增大而减小，掺砂量存在一个最优值。

关键词：正交试验；水泥砂浆桩；无侧限抗压强度；水泥掺入比；掺砂量；细度模数；含水率

水泥砂浆桩是在喷浆搅拌法成桩的基础上改进的一种新型桩，采用水泥砂浆作为固化剂，即在纯水泥浆中掺入一定比例的中砂、粉细砂或粉煤灰，以增加地基土中粗颗粒含量，降低地基土的塑性指数，改良加固土体的物理力学指标，可明显提高桩体的无侧限抗压强度。曲涛等[1-3]对水泥砂浆固化土进行试验，研究了掺砂量、砂料粒径、水泥掺入比、含水率、龄期、围压等因素对强度和刚度的影响规律，表明掺砂可以明显提高强度；王海龙等[4]研究发现，改良水泥土存在一个最优的掺砂量和含灰量，使水泥砂浆复合土强度最高；隋瑞凌[5]，兰凯[6]和印长俊[7]等在软土中掺入一定量的砂作为改良骨料，可大幅度提高水泥土强度[5-7]；阮波等[8]通过正交试验对水泥土无侧限抗压强度影响因素进行研究，得出各因素影响相对大小和配合比的最优组合。本文通过正交试验方法研究掺砂量、砂的细度模数、水泥掺入比和含水率等因素对水泥砂浆桩无侧限抗压强度的影响，分析了无侧限抗压强度对各因素的敏感性以及各因素对无侧限抗压强度的效应。

1试验方案设计

1.1　试验材料

土样取自于湖南省怀邵衡铁路隆回段某软土地基工程，主要物理性质指标见表1。水泥采用Po.42.5 级普通硅酸盐水泥，物理力学指标见表2，试验用砂采用天然河砂，试验用水为自来水。

表1　土的物理力学指标

表2　水泥的物理力学指标

1.2　正交试验设计

水泥砂浆桩无侧限抗压强度的影响因素较多，主要影响因素有水泥掺入比、含水率、掺砂比和砂的细度模数等，用A，B，C和D分别代表含水率、掺砂量、水泥掺入比和砂的细度模数。其中各细度模数的砂由天然河砂筛分后再进行不同粒径配比而成，如表3所示。正交试验因素和水平的选取见表4，掺砂量和水泥掺入比均以土的干质量为基数计算。试验方案选用4因素4水平正交试验，正交表为L16(45)，见表5，空列留作误差计算。

表3　砂的细度模数对应各粒径百分比

表4　正交试验的因素及水平

1.3　试样制备

土样风干碾碎，过2 mm 筛，按照比例加入砂和水泥，加水搅和均匀，搅拌时间为12 min左右。将搅拌均匀的混合料分两层倒入试模，插捣后振实，每层振实时间不少于2 min，制作成直径39.1 mm，高80 mm的圆柱体试样；养护24 h后脱模，编号，放入标准养护箱内养护，养护条件为：温度(20±2)℃，相对湿度95%。根据《水泥土配合比设计规程》[9]，每组试样为6个。

1.4试验

采用TSZ-1型全自动三轴仪，进行不固结不排水剪(UU)试验，将围压设为零，无需加水施加围压，剪切速率为0.8 mm/min。

2试验结果及分析

2.1　实验结果及极差分析

达到28 d龄期，对各组试样进行无侧限抗压强度试验，试验结果及计算过程见表5。

表5　正交试验方案和结果计算表

从表5可以看出，第13号试验的平均无侧限抗压强度最高，其具体条件为A4B1C4D2。极差RC>RA>RD>RB，水泥砂浆桩试件无侧限抗压强度影响因素的敏感性由高到低为水泥掺入比、含水率、砂的细度模数和掺砂量。

2.2　效应分析

各因素在不同水平下效应均值kjl相对于各水平的变化情况如图1所示。由图1可知，随着水泥掺入比的增加无侧限抗压强度增加；随着含水率的减小无侧限抗压强度增加；掺砂量从0%增加到15%时无侧限抗压强度增加，掺砂量从15%增加到45%时无侧限抗压强度减小，甚至小于0%掺砂量无侧限抗压强度，即当掺砂量超过一定值无侧限抗压强度比未掺砂水泥砂浆桩试件还要低；当细度模数在1.5~2.5随着细度模数增加无侧限抗压强度降低，但当细度模数为3.0时无侧限抗压强度稍有增强的趋势。试验中，取每个影响因素对应的无侧限抗压强度最高的为最优水平，因此最优水平组合选A4B2C4D1，即最优水平组合为水泥掺入比为30% ，含水率为45%，砂的细度模数为1.5，掺砂量为15%。

(a)含水率对无侧限抗压强度的影响；(b)掺砂量对无侧限抗压强度的影响；(c)水泥掺入比对无侧限抗压强度的影响；(d)砂的细度模数对无侧限抗压强度的影响图1　各因素对无侧限抗压强度的效应图Fig.1 Effect of various factors on UCS

2.3　方差分析

由于极差分析和效应分析可以区分因素主次和得出最优组合，但是不能区分影响因素各水平所对应的试验结果间的差异是由于影响因素水平不同引起的，还是由于试验误差造成的。因此，采用方差分析法进行区分[10]，并且根据方差分析结果构造F分布统计量进行显著性检验，见表6。

表6　方差分析表

从表6可以看出，FC> FA> FD> FB，各F值与常见F分布临界值对比可知，水泥掺入比和含水率对无侧限抗压强度影响较显著，其中水泥掺入比影响高度显著，掺砂量和砂的细度模数对无侧限抗压强度影响较小。即水泥掺入比的显著性>含水率的显著性>砂的细度模数的显著性>掺砂量的显著性。本次试验中各因素均方差均大于随机误差的均方差，试验结果可靠。

3结论

1)水泥砂浆桩的无侧限抗压强度的影响因素中，水泥掺入比影响较大，其次是含水率，影响较小的是砂的细度模数和掺砂量。

2)掺砂量存在最优值，当掺砂量超过一定值以后砂浆桩无侧限抗压强度随掺砂量增加呈下降趋势。

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(编辑蒋学东)

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

通讯作者：阮波(1972-)，男，河南新县人，副教授，博士，从事岩土工程方面的研究；E-mail：421084359@126.com

基金项目：中南大学实验室开放专项资金资助项目

收稿日期：2015-03-01

中图分类号：TU 411.7

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2015)06-1353-05