基于正交试验法的洞庭湖区水泥土影响因素重要性探讨

丁 宇 肖 磊 方国宝 黄绪泉 蔡 忍 黄耀英

(1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002； 2.长江勘测规划设计研究院，武汉 430010)

水泥土搅拌桩是一种常用的地基加固措施，通过使用特制机械强制搅拌水泥与软土，使水泥与软土之间发生一系列物理、化学反应，从而使软土硬结为具有一定强度、低压缩性、低渗透性的水泥土．洞庭湖区某分洪闸工程区位于湖相沉积平原区，地形较平坦．工程区内主要发育第四系湖积、河流冲积和人工堆积层．基岩伏于第四系地层之下，埋深50 m左右．此分洪闸地基土具有高孔隙比、高含水量、液性指数大、压缩性强、凝聚力小、抗剪强度低等对工程不利的性质．地基受荷时易发生不均匀沉降、冲切破坏或滑动破坏，导致建筑物局部开裂和整体破坏．经多方研究，决定采用深层水泥土搅拌桩技术对此软弱地基进行加固处理．有关水泥土桩复合地基工作特性的研究报道较多[1-2]．

掺入比、水灰比、水泥强度等级、养护条件、土的天然含水率以及搅拌工艺等都是水泥土物理力学性质的影响因素．针对上述影响因素，S.Horpibulsuk等[3]研究发现水灰比对固化土的强度和变形特性均起到控制性作用；汤怡新等[4]认为水泥土的抗压强度主要取决于水泥用量，其次是原料土的含水量；朱大宇[5]研究了水泥掺量、龄期、试件形状尺寸、试验方法对土水泥土抗压强度的影响；邢皓枫等[6]通过试验定量地分析了水泥品种、掺入量和添加剂对高含盐水泥土强度的影响效应；王贤昆等[7]研究了不同养护龄期下水泥掺量、脱硫石膏及粉煤灰对水泥土抗压强度的影响，结果表明，水泥掺量对水泥土无侧限抗压强度影响最大．阮波等[8，9]研究了洞庭湖区某高速公路试验段的淤泥质粉质黏土地基处理工程，结果表明，水泥强度等级对水泥土无侧限抗压强度的影响最大，其次是水泥掺入比，影响最小的是含水率；陈启宏[10]采用洞庭湖区某堤防工程淤泥质土拌制水泥土，分析后认为水泥掺入比对水泥土强度有显著性影响，其他因素无显著性影响．

以上研究表明，影响水泥土强度的因素较为复杂，因试验条件不同，得到的显著性影响因素存在差异．另外，现有研究主要针对的是水泥土的抗压强度，而研究各因素对水泥土的其他物理力学性质的影响较少．因此，本文依托洞庭湖区某分洪闸地基加固工程，选取现场地基土样，采用正交设计方法，选取水灰比、水泥掺量和搅拌时间为3个因素，再根据已有研究以及工程实践确定因素的3个水平，开展水泥土室内试验，进而研究这3个因素对水泥土无侧限抗压强度、含水率以及pH的影响，最后采用极差分析法分析各因素水平的显著性并对各因素的重要性进行排序．

1 水泥土正交试验方案

1.1 试验材料

试验用土取样挖深3～4 m，该地层属全新统湖相堆积(Q4al+l)，为淤泥质土和淤泥质土夹粉细砂，试验用土的物理力学参数见表1；所用水泥为石门海螺P.O42.5水泥；拌和用水为实验室普通自来水．

表1 土的主要物理力学参数

1.2 正交试验设计

本次试验选用L9(34)正交表，以水灰比、水泥掺量、搅拌时间作为正交设计的3个因素，每个因素设置3个水平．根据已有研究以及工程实践，取水灰比的3个水平分别为0.5、0.6、0.7；水泥掺量以天然淤泥质湿土质量为基数进行配比，3个水平分别为15%、18%、20%；搅拌时间的3个水平分别为1 min、1.5 min、2 min，得到因素水平表见表2．

表2 因素水平表

本次试验总共设计9种水泥土配合比，每种配合比设计3个龄期(7 d、14 d、28 d)，每个龄期成型3个试件，共成型9×3×3=81个试件．当水泥土达到试验龄期时，测定水泥土的无侧限抗压强度，并在试件中心部位取样测定含水率及pH，由此得到基于正交设计的水泥土试验方案见表3．表中淤泥质土的质量为天然淤泥质湿土的质量，水泥质量由水泥掺量和淤泥质湿土质量相乘获得，水灰比为新加水质量和水泥质量的比值．由《水泥土配合比试验规程》(JGJ/T233-2011)[11]以及设计的水灰比和水泥掺量得到9组试验的材料配比．

1.3 试验步骤

首先进行试件制备，试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm．搅拌方式采用机械搅拌，投料前将搅拌锅润湿，然后均匀混合土样和水泥，再洒水并按30 s顺时针、30 s逆时针相互交替的方式进行搅拌，直至达到设计的搅拌时间．装样振捣后注意将表面抹平并用塑料薄膜遮盖以防止水分蒸发过快．24 h后进行拆模，然后放入养护箱中进行养护，养护温度为20±5℃，养护湿度≥95%．

试件达到相应龄期后，先进行无侧限抗压强度试验，所用仪器为JYE-2000型数显压力试验机，加载速率为0.2 kN/s．再将测定完抗压强度的试件破碎，取大约20 g中心部位的土样，按照《土工试验方法标准》(SL237-1999)[12]测定水泥土的含水率．将水泥土进一步碾细，称取10 g细样并兑入50 g蒸馏水搅拌均匀后得到土水比为1∶5的土样溶液．将配制的土样溶液静置30 min，使用数显精密酸度计(具有自动温补功能，能补偿到25℃时的数值)测定其上层清液的pH值．

表3 水泥土试验方案

2 试验结果及分析

2.1 试验结果整体分析

根据试验方案，测定9组不同配比水泥土试件在不同龄期(7 d、14 d、28 d)的无侧限抗压强度、含水率和上清液的pH值，结果见表4．由表4可以得到水泥土抗压强度、含水率以及pH随龄期变化的关系，依次见图1～3．

表4 水泥土正交试验结果

图1 抗压强度与龄期的关系 图2 含水率与龄期的关系 图3 pH与龄期的关系

从图1可见，水泥土抗压强度随龄期增大而增大，主要表现为前期增长快，后期增长缓慢．9组试验中，试验7(A3B1C3)所测抗压强度最小，试验3(A1B3C3)所测抗压强度最大，28 d龄期时达到3.279 MPa．由图2可见，除试验2和试验8，其他各组试验含水率随龄期增长而降低，其中试验1(A1B1C1)所测3个龄期的含水率均为最低．根据表4和图3，9组试验所测pH变化幅度均较小，其中，试验7和试验8所测pH值随龄期增长而减小，而试验1～6则先减小再增大．试验9(A3B3C2)所测3个龄期的pH值均为最大．

2.2 各因素敏感性分析

根据正交试验理论，各因素不同水平相对应的试验指标之和的极差大小反映各因素对指标影响的大小．极差越大，表示该因素的水平变化对试验指标的影响越大，是重要因素；反之，该因素越不重要．具体做法为：先求各因素不同水平相对应的试验指标之和，记作Ki(i为各因素的水平)，再求同一因素下Ki的极差，用R表示，最后根据R对比分析各因素的影响．另外，通过绘制水平趋势图，可以直观反映指标随因素水平的变化规律，具体做法为：用因素的水平做横坐标，用相应的水平所导致的结果之和(即Ki)作为纵坐标，在图中画出相应的点，用直线依次联结起来，形成水平趋势折线．

2.2.1 抗压强度的影响因素敏感性分析

由表4中正交试验结果，对各因素同水平下的抗压强度值求和后求极差，结果见表5．从中可见，同一龄期下，A因素(水灰比)极差最大，B因素(水泥掺量)次之，C因素(搅拌时间)最小，则影响水泥土抗压强度各因素的重要性次序分别为A、B、C，并且随着龄期增大，极差越大，各因素重要性区分度更大．根据表4绘制各因素水平的趋势图(如图4所示)，从图中直观可见，抗压强度随A因素增大而减小，随B因素或C因素增大而增大，说明在一定范围内，水灰比较小，水泥掺量较大以及搅拌时间越长时，水泥土抗压强度越大，与一般事实相符．

表5 抗压强度极差分析 (单位：MPa)

图4 抗压强度随各因素不同水平的变化趋势

2.2.2 含水率的影响因素敏感性分析

由表3中正交试验结果，对各因素同水平下的水泥土含水率求和后求极差，结果见表6．从中可以看出，同一龄期下，A因素(水灰比)极差最大，B因素(水泥掺量)和C因素(搅拌时间)的极差大小在不同龄期表现各异，这说明A因素对水泥土含水率的影响最重要．根据表6可以绘制影响水泥土含水率的各因素水平的趋势图(如图5所示)，从图中直观可见，随着A因素的增大，含水率之和也增大，并且龄期越长，极差越大；B因素与C因素水平变动时，含水率在部分龄期表现出一定规律性，但从整体上看，B因素与C因素与含水率试验结果相关性不大，即B、C两种因素的重要性不显著．

图5 含水率随各因素不同水平的变化趋势

表6 含水率极差分析 (单位：%)

2.2.3 pH的影响因素敏感性分析

由表3中正交试验结果，对各因素同水平下的pH值求和后求极差，结果见表7．可见A、B、C 3种因素所得极差均较小．根据表7绘制影响土样溶液pH的各因素水平的趋势图(如图6所示)，从图中可见，pH随着B因素增大而增大，这是由于水泥掺量越大，水化产物越多，碱度增大；A因素增大时，pH先减小后增大，这可能是mw/mc=0.5的水化体系水化后孔溶液浓度较mw/mc=0.6的高，从而pH也较之更高，而mw/mc=0.7的水化体系比低水灰比的水化体系水化程度大，提高了孔溶液浓度，从而导致pH增大；C因素水平变动时，pH的变化未表现出统一的规律．由此，可以认为A、B因素对pH的影响更重要．

表7 pH极差分析

图6 pH随各因素不同水平的变化趋势

3 结 论

结合洞庭湖区某分洪闸工程的淤泥质土地基，开展了水泥土正交试验，研究了水灰比、水泥掺量和搅拌时间对淤泥质土水泥土无侧限抗压强度、含水率以及pH的影响．分析表明：

1)水泥土抗压强度随龄期增长而增大，早期强度增长较快，后期强度增长缓慢．影响抗压强度的因素的重要性排序为水灰比、水泥掺量、搅拌时间，并且在一定范围内，水灰比较小，水泥掺量较大以及搅拌时间越长时，水泥土抗压强度越大．

2)水泥土含水率主要随龄期增长而降低．3种因素中，对含水率的影响最重要的是水灰比，影响规律表现为，含水率随着水灰比的增大而增大．水泥掺量和搅拌时间对含水率的影响没有明显规律．

3)水泥土pH随龄期的变化为：试验7和试验8所测pH值随龄期增长而减小，而试验1～6则先减小后增大．同一龄期下，pH随着水泥掺量的增大而增大；所测pH随水灰比的变化是非单调的，一定范围内，水灰比增大时，pH先减小后增大．