周子剛 張順利

（1、北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司蘭州分院，甘肅 蘭州 730070 2、陜西省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710000）

1 概述

黃土區(qū)分布在世界各地，面積約13×106km2。中國黃土面積640000 km2，主要分布在黃河流域中游，是中國區(qū)域自然地理和黃土高原的重要組成部分[1]。黃土高原上的黃土以其地層完整、地層發(fā)育、地層層序良好、深度和厚度達(dá)到100-200m（部分地區(qū)甚至達(dá)到300m）、連續(xù)分布、特殊的微結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)和濕陷性等優(yōu)良特性而聞名于世。黃土也是該地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)的有用材料和基礎(chǔ)。濕陷性黃土地區(qū)建設(shè)工程中，由于水的作用，黃土顆粒成分復(fù)雜，孔隙大，結(jié)構(gòu)松散，經(jīng)常發(fā)生地基沉降。濕陷性引起的下沉或不均勻沉降可能導(dǎo)致房屋嚴(yán)重開裂和地面沉降，對建筑物的安全構(gòu)成極大威脅。它還可能導(dǎo)致建筑物傾斜，甚至倒塌，以及溝渠破壞[2-4]。室外區(qū)域的額外下沉將導(dǎo)致道路或現(xiàn)場出現(xiàn)裂縫。許多工程事故都是由坍塌沉降引起的，直接危及生產(chǎn)安全和人身安全。由于地基處理不當(dāng)造成的建筑物沉陷的加固是昂貴的，對安全生產(chǎn)和人類生活有很大的影響。隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，越來越多的工業(yè)和土木工程項目建設(shè)在大厚度自重濕陷性黃土上，給研究人員帶來了一系列具有挑戰(zhàn)性的課題。如何避免因滲水引起的工程結(jié)構(gòu)破壞，是一個十分緊迫的問題。

為防止?jié)裣菪渣S土地區(qū)建設(shè)項目在施工過程中發(fā)生失穩(wěn)事故，保證工程設(shè)計和施工過程中的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性，必須選擇合理有效的黃土地基處理。目前，濕陷性黃土路基處理方法主要有物理法和化學(xué)法兩種。目前廣泛使用的物理方法主要有強(qiáng)夯法，如沖擊壓實(shí)法、灰土擠密樁法、土墊層法等[5]。主要的化學(xué)方法是用硅酸鹽材料制成的，如單液硅和雙液硅化物法、氫氧化鈉溶液強(qiáng)化法、加料混合法。然而，這些方法的加固效果和經(jīng)濟(jì)效益的研究尚不清楚，需要進(jìn)一步研究。

由于改良土在工程上的諸多優(yōu)點(diǎn)，人們進(jìn)行了大量的研究和分析，積累了一定的經(jīng)驗和成果。改良土壤是加固土壤的有效措施。迄今為止，對黃土加固的研究很少，水泥加固黃土的研究成果還不完善。水泥改良黃土的研究大多局限于實(shí)驗室試驗，其現(xiàn)場試驗和工程應(yīng)用受到很大限制，在實(shí)際工程中的應(yīng)用仍然受到很大限制。因此，水泥改良黃土在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用理論需要進(jìn)一步補(bǔ)充。本文通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗研究了水泥參量對濕陷性黃土力學(xué)性質(zhì)與強(qiáng)度的影響。

2 黃土樣品的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征

2.1 粒徑

在某濕陷性黃土地區(qū)公路路基段取土，測試黃土的粒度組成，得出平均粒度組成（見表1）。由表1 可知，粉土（0.05-0.005 mm）是濕陷性黃土的基本組成部分，其平均含量高達(dá)71.59%。

表1 黃土顆粒組成統(tǒng)計結(jié)果

2.2 化學(xué)成分和礦物成分

黃土的化學(xué)成分主要是SiO2、Al2O3和CaO，因為黃土的主要礦物是石英、長石、云母和碳酸鈣，其次是Fe2O3、MgO、K2O、Na2O、MnO、FeO、TiO2、P2O5等。這些化學(xué)物質(zhì)形成一系列可溶鹽，平均含量為0.057%，低于中國其他黃土地區(qū)可溶鹽含量，對該地區(qū)黃土濕陷性的影響較小。石膏（CaSO4·2H2O）是中可溶性鹽的代表。

2.3 基本力學(xué)性能

采樣深度在1.0 至2.0m 之間。該地區(qū)黃土的孔隙比在0.676 至1.267 之間，重點(diǎn)放在0.913 至0.980 段。總的來說，它的變化范圍很廣。平均含水量為13.9%，天然密度集中在1.37-1.85 g/cm3之間，干密度為1.19-1.60 g/cm3，液限為22.80%-38.80%，塑限為17.10%-22.90%，塑性指數(shù)最大值為15.90，平均內(nèi)聚力為24.30 kPa，平均內(nèi)摩擦角為21.7°。

通過對各路段黃土濕陷系數(shù)的對比分析，得出中等濕陷性黃土為主，小濕陷性黃土局部分布，強(qiáng)濕陷性黃土為少數(shù)。不同地貌單元發(fā)育的黃土具有不同的物理力學(xué)性質(zhì)。影響該區(qū)黃土濕陷性大小的因素除與黃土的地貌單元類型有關(guān)外，主要包括溫度、壓力、水分、物質(zhì)和黃土的結(jié)構(gòu)組成。

3 水泥加固濕陷性黃土試驗

3.1 測試方法

在黃土路基中加入一定比例的其他工程材料，并進(jìn)行壓實(shí)，從而消除濕陷性，提高黃土強(qiáng)度。

試驗時，首先，通過試驗測定了該黃土的物理力學(xué)指標(biāo)；其次，嘗試在黃土（二灰水泥粉煤灰）中加入不同類型和不同含量的其他材料，水泥的配合比為5%、10%、15%或20%。將一定含量的材料放入壓實(shí)筒中壓實(shí)，按照一定的要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)（通常為1 天、7 天、28 天和90 天），然后在壓力機(jī)上進(jìn)行單軸和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。最后，測量了破壞時的極限抗壓強(qiáng)度和破壞形式。具體步驟如下：

眾所周知，在一定的壓實(shí)功率下，不同含水量的土壤具有不同的干密度。然而，當(dāng)含水量超過一定值時，隨著含水量的增加，壓實(shí)土的干密度變低。因此，在一定的壓實(shí)功率下，在一定的含水量水平下壓實(shí)后，土壤強(qiáng)度可以達(dá)到最大值。此時，該含水量稱為最佳含水量，干密度為最大干密度。通過實(shí)驗可以知道最佳含水量。夯實(shí)數(shù)據(jù)和壓實(shí)曲線如表2 和圖1 所示。

圖1 壓實(shí)曲線

表2 干密度測定結(jié)果

從壓實(shí)曲線可以看出：最佳含水量為14.4%；最大干密度為1.80 g/cm3。

水泥的配合比分別為5%、10%、15%和20%。同時為每個混合比例準(zhǔn)備四個樣品，以滿足在四個不同年齡段保持的要求。

3.2 測試結(jié)果分析

樣品的抗壓強(qiáng)度值如圖2 所示。結(jié)果表明，試樣的抗壓強(qiáng)度與水泥的配合比成正比，并且隨著混合比的增加而增加。當(dāng)水泥摻量為15%和20%時，強(qiáng)度相差不大。因此，最經(jīng)濟(jì)的水泥配比是15%。養(yǎng)護(hù)齡期不同時，同一水泥混合料的試樣強(qiáng)度也不同。試樣的強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期成正比。養(yǎng)護(hù)齡期為28 天或90 天時，強(qiáng)度基本相同。所以最佳養(yǎng)護(hù)時間是28 天。

圖2 不同水泥摻量試樣在不同條件下的抗壓強(qiáng)度

3.3 穩(wěn)定機(jī)理分析

黃土中含有大量的粘土顆粒。在自然條件下，一些粘土顆粒通常帶有負(fù)電荷，并能吸附其表面的低價陽離子（Na+、K+等）。在氫氧化鈣溶液中，低價陽離子能與鈣離子發(fā)生等價交換，這是水泥水化的結(jié)果。交換的結(jié)果是粘土的雙電層厚度發(fā)生變化，形成薄的擴(kuò)散層。因此，粘土顆粒之間的連接變得牢固，也形成了堅實(shí)的連接，從而提高了黃土的強(qiáng)度。除氫氧化鈣外，水泥中水和游離氧化鈣的反應(yīng)產(chǎn)物還可以與二氧化碳反應(yīng)，結(jié)果是碳酸鈣也加強(qiáng)了土壤質(zhì)量。

因此，在黃土中加入水泥后，土壤強(qiáng)度將顯著提高。

4 工程應(yīng)用

室內(nèi)試驗研究得出路基填土的最經(jīng)濟(jì)的水泥配比是15%，最佳治愈年齡是28 天。為了驗證上述試驗數(shù)據(jù)的有效性以及后期推廣應(yīng)用的安全性。在某段公路開展了現(xiàn)場試驗，分別對比了無水泥參量和15%水泥參量工況下濕陷性黃土沉降值，試驗結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同工況下路基沉降值

由圖3 可知，無水泥摻量的路基在施工初期發(fā)生快速沉降，沉降至在30 天時趨于穩(wěn)定，最大沉降值約為31 cm。而15%水泥摻量的路基沉降值較小，在25 天時，路面沉降基本穩(wěn)定，最大沉降值約為2.9 cm。滿足相關(guān)規(guī)范要求，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，水泥加固法能夠有效解決濕陷性黃土路基沉降問題。

5 結(jié)論

當(dāng)混合比例一定時，試樣強(qiáng)度隨齡期的增加而增加，28 天強(qiáng)度增長明顯，28-90 天增長率較小，90 天內(nèi)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。當(dāng)水泥摻量為5%時，黃土的強(qiáng)度比不摻水泥的黃土大3-4 倍。當(dāng)水泥摻量為10%時，黃土的強(qiáng)度是未摻水泥黃土強(qiáng)度的5-6 倍。當(dāng)水泥摻量為15%和20%時，黃土的強(qiáng)度比不摻水泥的黃土大6-7 倍。

當(dāng)齡期一定時，黃土強(qiáng)度隨配合比的增加而增加，當(dāng)水泥配合比為5%-15%時，強(qiáng)度增長趨勢比較明顯，當(dāng)配合比大于15%時，強(qiáng)度增長趨勢減緩。采用水泥改良黃土?xí)r，最經(jīng)濟(jì)的配合比在5%-15%之間，28 天內(nèi)強(qiáng)度齡期增長明顯，這一結(jié)論將為類似工程提供借鑒。