第二节 水泥土的室内配比试验

　　一．试验目的

　　软弱土层的粉喷桩加固技术是基于水泥对软土的加固作用，而目前这项技术的发展仅仅经历了几十年，无论从加固机理还是设计计算方法还是施工工艺均有不完善的地方，有些还处于半理论半经验状态，因此，应该特别重视水泥土的室内配比试验。通过对试验结果的分析，掌握一些规律性因果关系来指导粉喷桩加固方案的设计。

　　本文根据各种不同方案的水泥土室内配比试验结果，利用多元线性回归和BP神经网络两种数学方法对地基土加固效果有影响的因素如：掺入比、含水量等因素进行了分析，希望对设计、计算和施工中重要参数的确定有指导意义，从而经济合理地确定深层搅拌法加固地基土的技术方案，也为类似工程提供参考数据。具体步骤如下：

　　1．确定哪些变量x_i（如水泥品种，标号，掺入比，含水量，搅拌方式，养护条件等）对响应Y（如无侧限抗压强度，抗剪，抗拉强度等）最有影响。

　　2．确定最有影响的x_i设置在何处（如含水量、掺入比最优）使得Y几乎接近于所希望的额定值。

　　3．确定有影响的x_i设置在何处使得Y的变异性较大。

　　4．确定有影响的x_i设置在何处使得不可控制的变量z₁,z₂ ···z_n,(如搅拌机械，施工工艺，管理水平)的效果最小。

　　二．试验设计的基本原理

　　１．重复性

　　重复性是指基本试验的重复进行。重复有两个重要性质：第一，是可以得到试验误差的一个估计量；第二，如果样本均值用作为试验中一个因素的效应估计量，则重复允许试验者求得这一效应更为精确的估计量。例如：如果σ²是数据方差，而有n次重复的样本均值的方差则为σ²/n。这一点的实际意义是,如果只有一次试验，并观察到含水量为40%的试块抗压强度为y₁=0.9Mpa，而含水量为30%的试块抗压强度为y₂=1.0Mpa，我们也许不能作出抗压强度随含水量增加而降低的推断，也就是说观察差可能是试验误差的结果；另一方面，如果n合理的大，试验误差足够小，当观察到同样的结果时，我们就认为以下的结论是可靠的：在其他条件相同的条件下，含水量的增加确实使水泥土抗压强度降低。

　　２．随机化

　　它是在试验设计中使用统计方法的基石。所谓随机化，指试验材料的分配和各个试验的进行次序都是随机确定的。统计方法要求观察值（或误差）是独立分布的随机变量，而随机化通常使这一假定有效，把试验进行适量的随机化有助于“平均出”可能出现的外来因素的效应。例如在抗拉试验中随机对龄期相同的试块进行拉断试验，而非按掺入比等因素分组进行拉断试验，这样就会缓解试验设备的摩阻力或因接触位置的差异引起的强度变化。

　　３）．区组化

　　它是用来提高试验精确度的一种方法。一个区组就是试验材料的一部分，相比于试验材料全体，它们本身的性质应该更为类似。例如：想知道掺入比对试块强度的影响，可以用下述方法进行。随机制一批试块，样品的一半掺入比为10%，另一半为15%，进行抗压试验时试块的选取是随机决定的，因为这是一种完全随机化设计，两个样本的平均抗压强度可用t检验法来比较。这样就会显现出完全随机化设计的一个严重缺陷。设掺入比相同的试块由一个模具压制而成，而在制模过程中可能使试块的厚度、密实性等不同，不同掺入比的样本之间将缺乏均匀性导致抗压强度的变异性，并会增大试验的误差，使掺入比的真实影响难以鉴别。

　　区组化原则就是针对这一情况，假定一个模具可以制成掺入比不同的两个试块，这样试块之间的厚度、密实性等差异将缩小，从而降低其他因素引起的抗压强度的变异性，达到提高试验精确度的目的。

　　以上设计实际是一般的随机化区组设计中特殊的设计类型。区组理解为一个相对均匀的试验单元，并且表示对完全随机化的一个约束，因为处理组合仅仅在区组内部是随机化的。

　　但是，要注意以下几点：例如对一个20个样本的试验，用完全随机化设计方法，对t统计量而言，用了n₁-1+n₂-1=10-1+10-1=18个自由度，而随机化区组设计却使t统计量只用了10-1=9个自由度，区组化使我们失去了（n₂-1）个自由度。但我们希望，消除了附加的变异性源（样本之间的差别）能得到更好的信息，对以上两种方法进行置信区间分析可知：区组化分析所得到的置信区间小于独立分析所得到的置信区间，这一点反应了区组化的噪音减小性质。

　　区组化并不常是最好的设计策略。如果区组内部的变异性和区组之间的变异性相同，则y₁-y₂的方差不管用什么设计方法都是相同的，实际上区组化将不是一个好的选择，因为区组化损失了（n₂-1）个自由度并在实际上导致了一个关于（μ₁-μ₂）的较宽的置信区间。

　　三．试验设备和规程

　　本次试验用土取自宁高公路（洪蓝至双牌石段）工地现场，场地原为河道，属于江、河漫滩沉积，加固区土层土样由钻机在现场进行补充勘探时取得，常规土工试验测得其物理力学性质指标见表2—1，这些参数主要是在粉喷桩地基加固设计和沉降计算中提供桩间土参数。

　　根据表2—1提供的地质资料情况，知加固区以粘性土和淤泥质土为主，分布呈层状，且同种土土层较薄，由于钻头的推进和旋转，可能会使相邻土层土混杂，与掺入水泥共同胶结形成成桩材料；另一方面，试验经费有限，回归分析所需样本量又较大，难以对每种土都进行配比试验。因此室内土样主要取粘土和淤泥质土，在室内使土样完全扰动，并搅拌均匀后，利用现有的土工试验仪器，制得试块为70mm×70mm×70mm的立方体，空气养护，搅拌方式为干搅，按照土工试验规程进行试验。配比方案如下：水泥掺入比分别为8%、12%、15%；含水量分别为30%和40%；龄期分为30天和90天。试样共分12组，每组12个，共12组×12个=144（个）

　　表2—1.宁高二期土工试验成果表