水泥石灰土處治濕陷性黃土路基研究

李文秀

（山西交科公路勘察設(shè)計(jì)院，山西太原 030006）

水泥石灰土處治濕陷性黃土路基研究

李文秀

（山西交科公路勘察設(shè)計(jì)院，山西太原 030006）

為了提高石灰土的早期強(qiáng)度及水穩(wěn)定性，將水泥作為外加劑摻入石灰土中，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)水泥石灰土的特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，水泥石灰土的最佳含水量為23.5%，石灰土的強(qiáng)度、剛度和水穩(wěn)定性隨著水泥的摻入而顯著提高，考慮經(jīng)濟(jì)效益，工程應(yīng)用中可取水泥摻量為6%；通過(guò)工程實(shí)例得出水泥的摻入提高了石灰土的早期強(qiáng)度，可有效控制濕陷性黃土路基沉降。

公路；路基；水泥石灰土；濕陷性黃土

濕陷性黃土是指天然黃土受水浸濕后，在附加壓力、自重壓力下土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，并引發(fā)顯著變形的土體。濕陷性黃土廣泛分布于中國(guó)西北地區(qū)，其分布面積約占黃土地區(qū)總面積的60%。濕陷性黃土以粉土顆粒為主（約占50%），具有孔隙大、沉降變化量大、邊坡自持性好等特點(diǎn)。由于濕陷性黃土特殊的沉降性，會(huì)引發(fā)大量工程災(zāi)害，如路面開(kāi)裂、路基沉降、結(jié)構(gòu)物傾斜、倒塌等，在施工中應(yīng)對(duì)濕陷性黃土地基進(jìn)行特殊處理。

石灰土是將適量的消石灰、土和水按一定比例混合而成，可用來(lái)解決濕陷性黃土的特殊沉降性，提高土體的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。但由于石灰土的早期強(qiáng)度過(guò)低，水穩(wěn)定性差，且只能應(yīng)用于地下水位以上土體，使石灰土的使用受到限制。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出添加水泥作為外加劑來(lái)提高石灰土的強(qiáng)度及水穩(wěn)定性，但目前對(duì)水泥石灰土的特性及在工程中的應(yīng)用效果研究還不夠深入。該文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)水泥石灰土特性進(jìn)行研究，并通過(guò)工程應(yīng)用實(shí)例分析水泥石灰土在處治濕陷性黃土路基中的實(shí)用性。

1 水泥石灰土特性試驗(yàn)分析

1.1 試驗(yàn)材料和方案

試驗(yàn)采用質(zhì)量合格的新鮮消解石灰，摻入325＃硅酸鹽水泥；采用開(kāi)挖不久的新堆積的黃土，其物理特性見(jiàn)表1。

以GB／T 50123《土木工程試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》為標(biāo)準(zhǔn)，用孔隙為5 mm的篩子對(duì)風(fēng)干碾碎后的試驗(yàn)黃土與石灰進(jìn)行篩分，灰土比取2∶8，按水泥摻量分別為2%、4%、6%配制3種水泥石灰土試樣進(jìn)行輕型擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可見(jiàn)3種水泥石灰土的最佳含水量均接近23.5%，考慮到試驗(yàn)誤差，取水泥石灰土的最佳含水量為23.5%。

表1 試驗(yàn)用黃土的物理特性指標(biāo)

表2 不同水泥摻量水泥石灰土的最佳含水率%

分別進(jìn)行三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)?；彝帘热?∶8，含水率為23.5%。以水泥摻量、齡期作為變量，試樣的水泥摻量分別為2%、4%、6%，齡期分別取3、7、15、30、90、150 d，三軸試驗(yàn)的圍壓分別取200、400、600 k Pa。對(duì)試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1～4。

圖1 水泥石灰土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

圖2 水泥石灰土抗壓強(qiáng)度與水泥體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖3 水泥石灰土割線模量E50與齡期的關(guān)系

圖4 水泥石灰土割線模量E50與圍壓的關(guān)系

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.2.1 水泥摻量對(duì)石灰土強(qiáng)度的影響

如圖1所示，在齡期相同的情況下，加入水泥的石灰土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均高于不加水泥的石灰土試樣。以水泥摻量6%為例，養(yǎng)護(hù)齡期30 d以內(nèi)，其抗壓強(qiáng)度由1.12 MPa增加到2.98 MPa，漲幅達(dá)1.86 MPa，而純石灰土的抗壓強(qiáng)度漲幅僅為0.57 MPa，前者的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度更明顯。同時(shí)隨著水泥摻量的提高，早期強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度增大，水泥摻量為4%時(shí)的早期強(qiáng)度漲幅為1.23 MPa，水泥摻量為6%時(shí)的漲幅為1.86 MPa。由圖2可知，石灰土的強(qiáng)度隨著水泥摻量的提高而呈線性增長(zhǎng)。

水泥的摻入使石灰土強(qiáng)度顯著增加的原因可從微觀角度來(lái)分析。水泥的摻入增加了水中Ca2+的濃度，使離子交換反應(yīng)加強(qiáng)，也使土體顆粒所帶電荷增加，從而使土體顆粒的凝聚作用增強(qiáng)，增加了土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。另一方面，水泥在水中會(huì)生成一種管狀原纖維，由于水泥的水化反應(yīng)遠(yuǎn)快于石灰土，這種纖維會(huì)迅速充斥在土體顆粒之間將土體顆粒連接在一起形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，增大了石灰土的早期強(qiáng)度。

綜上，水泥的摻入使石灰土的整體強(qiáng)度顯著提高，早期強(qiáng)度快速增長(zhǎng)。

1.2.2 水泥摻量對(duì)石灰土剛度的影響

如圖3所示，純石灰土的抗壓強(qiáng)度曲線斜率幾乎為零，而水泥摻量2%、4%、6%時(shí)曲線斜率分別為0.76、1.23、1.50，水泥石灰土的抗壓強(qiáng)度曲線在各個(gè)齡期的斜率均比純石灰土的大，表明水泥石灰土的變形模量大于純石灰土。

如圖4所示，隨著水泥摻量的增加，水泥石灰土的變形模量大致呈線性增長(zhǎng)；隨著齡期和圍壓的增大，變形模量的增長(zhǎng)幅度逐漸增大?？梢?jiàn)，石灰土的剛度隨著水泥的摻入而顯著提高。

1.2.3 水泥摻量對(duì)石灰土水穩(wěn)定性的影響

石灰土的水穩(wěn)定性可用軟化系數(shù)來(lái)表示。軟化系數(shù)是指石灰土在飽和狀態(tài)與普通潮濕狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度之比。一般情況下，石灰土的軟化系數(shù)為0.54～0.90，可取平均值為0.7。由于石灰土浸水后其強(qiáng)度有所下降，為了提高石灰土的水穩(wěn)定性，在石灰土混合料中摻入4%的水泥，以不同灰土比的純石灰土作為對(duì)照組，在飽和狀態(tài)和普通潮濕狀態(tài)下分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同配合比石灰土試樣泡水72 h后的軟化系數(shù)

由表3可知：純石灰土的軟化系數(shù)平均值為0.51，最高值為0.75；而不同灰土比下的水泥石灰土在各齡期的軟化系數(shù)均大于石灰土。說(shuō)明水泥的摻

入能提高石灰土的水穩(wěn)定性。從微觀角度分析，水泥的摻入使水中Ca2+增加，離子交換作用加強(qiáng)，同時(shí)水泥在水中生成的管狀原纖維加強(qiáng)了土體顆粒之間的粘結(jié)，使土體不易被水分散。

2 水泥石灰土處治濕陷性黃土路基的工程實(shí)例

2.1 工程概況

某一級(jí)公路擴(kuò)建項(xiàng)目跨越濕陷性黃土區(qū)域，土質(zhì)多為黃土，其中K520+310—K530+350采用水泥石灰土填筑路基，K610+220—K630+260采用石灰土填筑路基?；彝帘热?∶8，水泥石灰土中水泥摻量為4%，采用普通325＃硅酸鹽水泥，石灰及水泥材料的技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。施工時(shí)控制各混合料的含水率為22%～24%。路基填土高度均為5.78 m。

2.2 彎沉檢測(cè)

各段路基施工完成后，取有代表性的水泥石灰土橫斷面K525+460、K525+465及石灰土橫斷面K620+220、K620+225埋設(shè)沉降板，按JTG F80／1 -2004《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行承載板試驗(yàn)，測(cè)定各齡期的彎沉，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 水泥石灰土、石灰土不同齡期的彎沉值

由表4可知：水泥石灰土控制路基沉降的效果比石灰土好，水泥石灰土60 d時(shí)的彎沉值為4.14 mm，而石灰土60 d時(shí)的彎沉值為5.22 mm；水泥石灰土的早期彎沉值較小，8 d時(shí)的彎沉值僅為1.88 mm，而石灰土8 d時(shí)的彎沉值為3.265 mm；石灰土的早期沉降量大于水泥石灰土，后期沉降量逐漸減少；水泥石灰土后期強(qiáng)度增加不大，后期強(qiáng)度的增加幅度與石灰土的相近，說(shuō)明水泥的摻入主要增加了石灰土的早期強(qiáng)度。

2.3 回彈模量檢測(cè)

取水泥石灰土橫斷面K525+460、石灰土橫斷面K610+220分別進(jìn)行回彈模量測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 水泥石灰土、石灰土回彈模量與齡期的關(guān)系

由圖5可知：隨著齡期的增長(zhǎng)，水泥石灰土的回彈模量逐漸增大，并且早期回彈模量增長(zhǎng)幅度較大，4 d時(shí)的回彈模量為58 MPa，6和15 d的回彈模量分別為69、85 MPa；水泥石灰土的后期回彈模量增長(zhǎng)幅度與純石灰土相近，且最終回彈模量值與純石灰土相近。

3 結(jié)論

（1）水泥的摻入使水中Ca2+增加，離子交換作用加強(qiáng)，同時(shí)水泥在水中生成的管狀原纖維加強(qiáng)了土體顆粒之間的粘結(jié)，從而提高了土體的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。

（2）水泥的摻入使石灰土強(qiáng)度顯著增加，早期強(qiáng)度快速增長(zhǎng)；石灰土的強(qiáng)度隨著水泥摻量的提高呈線性增長(zhǎng)。

（3）石灰土的剛度隨著水泥的摻入而顯著提高；水泥石灰土的變形模量大于純石灰土，隨著水泥摻量的增加，水泥石灰土的變形模量大致呈線性增長(zhǎng)；隨著齡期和圍壓的增大，變形模量的增長(zhǎng)幅度逐漸增大。

（4）水泥石灰土控制路基沉降的效果比石灰土好；水泥石灰土后期強(qiáng)度增加不大，后期強(qiáng)度的增加幅度與石灰土相近，水泥的摻入主要增加了石灰土的早期強(qiáng)度。

（5）水泥石灰土早期回彈模量增長(zhǎng)幅度大于石灰土，后期回彈模量增長(zhǎng)幅度與純石灰土相近，且最終回彈模量值與純石灰土相近。

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