周冬青，邵 艷，曹慶文，張寶良，李季佩(安徽建筑大學 土木工程系，安徽 合肥 230601)

合肥濱湖新區(qū)湖積軟土固化配方試驗研究

周冬青，邵 艷，曹慶文，張寶良，李季佩
(安徽建筑大學 土木工程系，安徽 合肥 230601)

湖積軟土在合肥濱湖新區(qū)分布廣泛，其性能難以滿足工程建設需要，需進行固化處理。采用固化助劑粒化高爐礦渣(GGBS)和激發(fā)劑CaO、石膏，通過組合配比對加固體進行室內無側限抗壓強度試驗。以GGBS、CaO和石膏的摻量作為影響因子，以7 d和28 d固化體的無側限抗壓強度作為響應值，采用Box-Behnken法進行試驗。結果表明：7 d時，GGBS與石膏的交互作用顯著；28d時，石膏與CaO的交互作用顯著。通過交互作用分析，最終得出3種外添劑GGBS、CaO和石膏在7 d和28 d的最優(yōu)配比分別為12.18%、3.62%、3.71%(7 d) 和11.6%、4.08%、4.50%(28 d)。將GGBS固化土與水泥土的固化效果進行對比分析，驗證新型固化材料GGBS作為軟土固化劑的可行性。

GGBS固化土；無側限抗壓強度；Box-Behnken法；最優(yōu)配比

軟土固化是軟土地區(qū)應用最廣泛的地基加固方法[1]，重要內容之一是考慮軟土的成因來選擇固化劑的種類及配比。合肥濱湖新區(qū)廣泛分布著河湖相軟土層，屬第四紀沉積物，厚度約為10 m，土層大多為含水豐富的淤泥或淤泥質黏土[2]，具有承載力低、地基沉降變形大等特點，不利于濱湖地區(qū)城市建設[3]。?；郀t礦渣微粉(GGBS)具有潛在的水化活性，水化產物與水泥相同，可以替代水泥作為湖積軟土的固化劑。采用粒化高爐礦渣微粉替代或者部分替代水泥作為軟土固化劑不僅可以減少水泥生產過程帶來的環(huán)境影響，同時還能夠提高軟土固化效果，降低工程造價[4-5]。

Box-Behnken法是一種能夠同時考慮多個影響因子來尋求最優(yōu)目標值的試驗方法，它不僅可以建立影響因子與目標值之間的函數關系，還可分析不同影響因子之間的交互作用規(guī)律。將Box-Behnken法應用于合肥湖積軟土固化劑配方的研制，分析三種添加劑礦渣微粉GGBS、CaO和石膏的交互作用規(guī)律，建立添加劑和強度目標值之間的函數模型，進而確定固化劑和復合激發(fā)劑之間的最優(yōu)配比。以合肥濱湖新區(qū)地基軟土為試驗對象，選取粒化高爐礦渣(GGBS)替代常用的水泥作為軟土固化劑，選用CaO和石膏作為GGBS的激化劑對軟土進行固化，通過將礦渣類固化土與水泥土的固化效果進行對比，分析GGBS軟土固化劑的可行性。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

本次試驗所用土取自合肥濱湖地區(qū)某工程地基軟土，基本物理指標見表1。試驗所用的材料包括?；郀t礦渣(GGBS)、純度為98%的CaO以及常用的建筑石膏。

表1 土樣的基本物理指標

1.2 試樣的制作與養(yǎng)護

將取回的軟土放置于105 ℃～110 ℃的烘箱中烘干，取出擊碎，過2 mm篩，去除雜質，置于塑料袋內密封備用。根據已有的單摻試驗成果[6]，初步給出摻量范圍：GGBS為8%～14%，CaO為2%～5%，石膏為2%～5%。將過篩后的干土、水、GGBS、CaO和石膏按比例放入攪拌機中攪拌均勻，制成固化土混合料，然后將其放入三瓣模(直徑為39.1 mm，高為80.0 mm)內分層擊實。試樣制作完成后在三瓣模的兩端蓋上玻璃片以防止水分流失(見圖1)，靜置24 h后脫模取出放入不透氣的保鮮袋內密封，標記配比含量以及日期(見圖2)后放于養(yǎng)護器皿中養(yǎng)護，直至養(yǎng)護齡期取出進行試驗。

圖1 三瓣膜放置試樣 圖2 保鮮膜密封養(yǎng)護

1.3 試驗設計

本次Box-Behnken試驗設計[7]采用三因素(X1，X2，X3)、三水平(-1，0，+1)布置試驗，試驗總數為2K·(K-1) +C0。其中：K表示因素的個數，C0表示中心試驗點的重復次數，本次試驗K=3，C0=5。利用Design Expert軟件對試驗數據進行擬合，建立二階經驗模型。模型為：

(1)

式中：Y為預測響應值；β0為常數；βi為線性系數；βij為交互作用系數；βii為平方系數；k為因子數。

本次試驗中，變量因子分別為GGBS(X1)、CaO(X2)、石膏(X3)，其三水平分別記作-1、0、+1，見表2。

表2 自變量及其編碼水平

采用Box-Behnken法建立試驗設計方案，以7d齡期和28d齡期的無側限抗壓強度作為響應值，依次進行試驗，試驗安排與試驗結果見表3。

表3 三因素三水平的Box-Behnken試驗設計方案

2 試驗結果與數據分析

2.1 模型的建立與分析

利用Design-Expert軟件，對表3試驗結果進行二次多項式回歸擬合，得到二階模型方程各項系數及其方差分析結果如表4所示。

注：7d模型 R2=0.9655；28d模型R2=0.9508。

由方差分析可知：7d齡期和28d齡期的模型均顯著(P=0.000 3，0.000 9)，表明模型與實際情況擬合很好。據此對于7d齡期，各因素對固化土強度的線性效應和曲面效應均顯著，X1X3的交互作用顯著；28d齡期，各因素對強度的線性效應和曲面效應均顯著，X2X3的交互作用顯著。對于7d的回歸分析結果，通過Design-Expert軟件剔除不顯著項X1X2、X2X3，給出二階模型為：

Y7=1452.80+110.13X1+37.00X2+49.88X3-53.00X1X3-128.15X12-163.40X22-105.15X32

(2)

對于28d的回歸分析結果，剔除項為X1X2、X1X3，二階模型為：

Y28=2752.20+305.88X1+318.00X2+277.37X3+239.25X2X3-614.35X12-600.60X22-268.35X32

(3)

2.2 交互作用與固化機制分析

由上述分析可知，7d齡期時GGBS與石膏的交互作用顯著，在式(2)中將X2固定在0水平，便得到GGBS與石膏摻量間交互作用對強度影響的響應面圖和等高線圖，見圖3。

圖3 GGBS和石膏對7 d齡期的強度交互作用的響應面和等高線圖

對于28d齡期，CaO與石膏的交互作用顯著，在式(3)中將X1固定在0水平，便得到CaO與石膏摻量間交互作用對強度影響的響應面圖和等高線(見圖4)。

圖4 CaO和石膏對28d齡期的強度交互作用的響應面和等高線圖

由圖4可知：CaO和石膏的交互作用明顯，當CaO摻量在2%～5%時，Y28隨石膏摻量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。另外，固化土強度同樣隨CaO摻量的增加呈先增大后減小的變化趨勢。這是由于在起初石膏含量逐漸增加時，鈣礬石的生成量也是在不斷增加，由于鈣礬石的膨脹作用不斷填充加固土的孔隙，使得土體強度得到提高，當隨著石膏的不斷增加達到一個峰值后，生成的多余鈣礬石會破壞生石灰，經過一系列水化反應生成水化硅酸鈣(CSH)導致固化土強度的整體降低。

2.3 配方優(yōu)化分析

通過Design-Expert軟件對7d和28d齡期的交互作用分析，可以得出GGBS、CaO、石膏的最優(yōu)配合比。對于7d齡期，最優(yōu)配比為12.18% 、3.62% 、3.71%，在此配比下Y7=1 479.33kPa。對于28d齡期試樣，最優(yōu)配比為11.6%、4.08%、4.50%，Y28=2 936.78kPa。

為了檢驗模型的實用性，將對應的編碼帶入式(2)、式(3)，計算所得的預測值與試驗結果進行對比，見表5。由表5可知：預測值與實際值比較接近，說明該法對于固化土在實際工程中的配比設計具有重要意義。

表5 實測值與預測值對比

3 GGBS固化土與水泥固化土力學性質的對比分析

上述試驗和分析證明了GGBS、CaO和石膏可以有效固化湖積軟土，提高土體的強度。工程上一般以28d強度作為檢測值，為了驗證GGBS、CaO和石膏混合固化劑在工程中的可行性，將水泥固化土的試驗結果與最優(yōu)配比為11.6%、4.08%、4.50%的GGBS固化土進行對比。

3.1 固化土強度變化規(guī)律的對比

選用水泥對軟土進行加固，試驗條件和養(yǎng)護條件與上述礦渣固化土相同，水泥的摻入比分別為8%、11%、14%，水泥固化土含水率取自然含水率(32.51%)，圖5為水泥土與GGBS固化土無側限抗壓強度比較曲線。

圖5 水泥土與GGBS固化土無側限抗壓強度比較曲線

由圖5可知：固化土的強度隨水泥摻量的增加而增大，其3條增長曲線近乎平行。水泥摻量為8%的固化土養(yǎng)護3d后強度即達到700kPa，之后其強度增長速率較低，強度增長曲線整體趨于平緩，養(yǎng)護28d后水泥固化土強度為988kPa，其3d無側限抗壓強度就已達到28d強度的75%。摻量為11%和14%的水泥固化土強度高于摻量為8%水泥固化土，但其強度增長曲線與摻量為8%的水泥固化土相近，養(yǎng)護初期其強度增長迅速，水泥摻量為11%固化土的 3d側限抗壓強度可以達到28d強度的62%，摻量為14%的固化土3d強度可以達到28d的61%以上。不同配比的水泥固化土無側限抗壓強度試驗表明：隨著養(yǎng)護齡期的增長和水泥摻入比的增加，固化土強度也隨之增長，在養(yǎng)護初期固化土強度增長迅速，可以很快形成一定強度，其固化土3d無側限抗壓強度基本上可以達到28d強度的60%以上。

配比為11.6%、4.08%、4.50%的GGBS固化土初期強度與水泥摻量為11%的固化土相近，但是隨著養(yǎng)護齡期的增長，礦渣固化土的28d強度遠遠大于摻量為11%的水泥固化土；與摻入比為14% 的固化土相比，養(yǎng)護初期礦渣固化土強度要小于摻量為14%的水泥固化土，但是隨著養(yǎng)護齡期的增長其強度很快超過14%的水泥固化土。與水泥固化土相比，礦渣固化土的初期強度較低，其7d抗壓強度僅達到了28d強度的41%，與水泥土的60%相比有較大差距；但礦渣固化土的后期強度增長潛力較大，其28d抗壓強度比3d增長了約157%。

3.2 固化土應力應變關系比較分析

水泥和GGBS固化土都可以有效提高軟土的強度，但是水泥和GGBS對固化土的影響也有不同。選取養(yǎng)護28d后的水泥和配比為11.6%、4.08%、4.50%的GGBS固化土的應力應變曲線進行對比，如圖6所示。

圖6 28d水泥土與GGBS固化土應力應變關系曲線比較 圖7GGBS固化土的破壞形態(tài)

由圖6可知：3個摻入比不同的水泥固化土應力應變曲線相近，基本上呈脆性破壞，試驗初期應力應變曲線呈直線上升，臨近破壞時進入塑性階段，其塑性階段十分短暫試樣很快達到破壞，強度急劇降低。3個摻入比不同的水泥固化土均在應變約為2.5%時強度達到最大值，試樣破壞。

配比為11.6%、4.08%、4.50%的固化土應力應變曲線與水泥固化土相似，但與水泥固化土相比，GGBS固化土強度更高，其應力應變曲線上升更加陡峭，當應變?yōu)?.1%時試樣即遭到破壞，其塑性階段比水泥固化土更加短暫，破壞方式更趨近于脆性破壞。其試樣破壞如圖7所示，試樣破壞時固化土沒有明顯變形，在試樣上形成了一個由上而下呈45°的通縫，土體的破壞性質越來越接近混凝土的受壓破壞，屬于脆性破壞。

4 結論

(1)根據回歸方程的方差分析，7d齡期時，三因素對固化土強度的線性效應和曲面效應均顯著，GGBS與石膏的交互作用顯著；28d齡期時，各因素對強度的線性效應和曲面效應均顯著，CaO與石膏的交互作用顯著。

(2)采用Box-Behnken法設計優(yōu)化了GGBS、CaO、石膏三者的配比：對于7d齡期，最佳配合比為12.18% 、3.62% 、3.71%，在此配比下Y7達到1 479.33kPa；對于28d齡期，最佳配合比為11.6%、4.08%、4.50%，Y28達到2 936.78kPa。驗證試驗的結果表明，預測值與實測值比較接近。說明對合肥湖積軟土的固化配方研究具有廣闊的應用前景。

(3)將水泥固化土與礦渣固化土的固化效果進行對比，分析表明：礦渣可以有效固化合肥湖積軟土，其配比為11.6%、4.08%、4.50%的礦渣固化土28d強度完全可以超過摻入比為14%的水泥固化土，同時礦渣固化土前期強度比水泥固化土低，但試樣的后期強度增長潛力較大。

(4)GGBS固化土與水泥固化土應力應變曲線對比表明：配比為11.6%、4.08%、4.50%的GGBS固化土更趨近于脆性破壞，其應變?yōu)?.1%時試樣即達到破壞，可以極大地降低軟土的壓縮性，減小軟土變形引起的破壞。

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Experiment research on mixture ratio of stabilizing lacustrine soft soil in Binhu New Area of Hefei Province

ZHOU Dong-qing, SHAO Yan, CAO Qing-wen, ZHANG Bao-liang, LI Ji-pei
(DepartmentofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China)

The lacustrine soft soil is widely distributed in Binhu New Area of Hefei Province, and its performance is difficult to meet the need of project construction, which needs to be cured. (GGBS) and activator CaO, gypsum were used to control the indentation strength of the solidified body by the combination ratio. The effects of GGBS, CaO and gypsum as the influencing factors were studied by Box-Behnken method with the unconfined compressive strength of 7 d and 28 d. At 28 days, the interaction between gypsum and CaO was significant. The optimal ratios of GGBS, CaO and gypsum were 12.18%, 3.62%, 3.71% (7 d) and 11.6% and 4.08% respectively at 7 d and 28d, respectively, by interaction analysis. 4.50% (28 d). The feasibility of GGBS solidified soil and cement soil was compared and analyzed to verify the feasibility of the new curing material GGBS as soft soil curing agent.

GGBS stabilized soil; unconfined compressive strength; Box-Behnken method; optimum mixture ratio

2016-12-31

安徽省自然科學基金項目(1508085ME76)

周冬青(1991—)，男，安徽宿州人，碩士研究生。

1674-7046(2017)02-0053-08

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.02.010

TU472

A