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計院，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計院，山西太原 030006）

為了提高石灰土的早期強度及水穩定性，將水泥作為外加劑摻入石灰土中，通過室內試驗對水泥石灰土的特性進行研究，結果表明，水泥石灰土的最佳含水量為23.5%，石灰土的強度、剛度和水穩定性隨著水泥的摻入而顯著提高，考慮經濟效益，工程應用中可取水泥摻量為6%；通過工程實例得出水泥的摻入提高了石灰土的早期強度，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、自重壓力下土體結構發生破壞，并引發顯著變形的土體。濕陷性黃土廣泛分布于中國西北地區，其分布面積約占黃土地區總面積的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。由于濕陷性黃土特殊的沉降性，會引發大量工程災害，如路面開裂、路基沉降、結構物傾斜、倒塌等，在施工中應對濕陷性黃土地基進行特殊處理。

石灰土是將適量的消石灰、土和水按一定比例混合而成，可用來解決濕陷性黃土的特殊沉降性，提高土體的強度及穩定性。但由于石灰土的早期強度過低，水穩定性差，且只能應用于地下水位以上土體，使石灰土的使用受到限制。為此，國內外學者提出添加水泥作為外加劑來提高石灰土的強度及水穩定性，但目前對水泥石灰土的特性及在工程中的應用效果研究還不夠深入。該文通過室內試驗對水泥石灰土特性進行研究，并通過工程應用實例分析水泥石灰土在處治濕陷性黃土路基中的實用性。

1 水泥石灰土特性試驗分析

1.1 試驗材料和方案

試驗采用質量合格的新鮮消解石灰，摻入325＃硅酸鹽水泥；采用開挖不久的新堆積的黃土，其物理特性見表1。

以GB／T 50123《土木工程試驗方法標準》為標準，用孔隙為5 mm的篩子對風干碾碎后的試驗黃土與石灰進行篩分，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行輕型擊實試驗，試驗結果見表2。從表2可見3種水泥石灰土的最佳含水量均接近23.5%，考慮到試驗誤差，取水泥石灰土的最佳含水量為23.5%。

表1 試驗用黃土的物理特性指標

表2 不同水泥摻量水泥石灰土的最佳含水率%

分別進行三軸不固結不排水試驗和無側限抗壓強度試驗。灰土比取2∶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，三軸試驗的圍壓分別取200、400、600 k Pa。對試樣標準養護后進行試驗，試驗結果見圖1～4。

圖1 水泥石灰土抗壓強度與齡期的關系

圖2 水泥石灰土抗壓強度與水泥體積分數的關系

圖3 水泥石灰土割線模量E50與齡期的關系

圖4 水泥石灰土割線模量E50與圍壓的關系

1.2 試驗結果分析

1.2.1 水泥摻量對石灰土強度的影響

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側限抗壓強度均高于不加水泥的石灰土試樣。以水泥摻量6%為例，養護齡期30 d以內，其抗壓強度由1.12 MPa增加到2.98 MPa，漲幅達1.86 MPa，而純石灰土的抗壓強度漲幅僅為0.57 MPa，前者的強度增長幅度更明顯。同時隨著水泥摻量的提高，早期強度的增長幅度增大，水泥摻量為4%時的早期強度漲幅為1.23 MPa，水泥摻量為6%時的漲幅為1.86 MPa。由圖2可知，石灰土的強度隨著水泥摻量的提高而呈線性增長。

水泥的摻入使石灰土強度顯著增加的原因可從微觀角度來分析。水泥的摻入增加了水中Ca2+的濃度，使離子交換反應加強，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，增加了土體的強度和穩定性。另一方面，水泥在水中會生成一種管狀原纖維，由于水泥的水化反應遠快于石灰土，這種纖維會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統一的整體，增大了石灰土的早期強度。

綜上，水泥的摻入使石灰土的整體強度顯著提高，早期強度快速增長。

1.2.2 水泥摻量對石灰土剛度的影響

如圖3所示，純石灰土的抗壓強度曲線斜率幾乎為零，而水泥摻量2%、4%、6%時曲線斜率分別為0.76、1.23、1.50，水泥石灰土的抗壓強度曲線在各個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；隨著齡期和圍壓的增大，變形模量的增長幅度逐漸增大。可見，石灰土的剛度隨著水泥的摻入而顯著提高。

1.2.3 水泥摻量對石灰土水穩定性的影響

石灰土的水穩定性可用軟化系數來表示。軟化系數是指石灰土在飽和狀態與普通潮濕狀態下的抗壓強度之比。一般情況下，石灰土的軟化系數為0.54～0.90，可取平均值為0.7。由于石灰土浸水后其強度有所下降，為了提高石灰土的水穩定性，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照組，在飽和狀態和普通潮濕狀態下分別進行抗壓強度試驗，試驗結果見表3。

表3 不同配合比石灰土試樣泡水72 h后的軟化系數

由表3可知：純石灰土的軟化系數平均值為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均大于石灰土。說明水泥的摻

入能提高石灰土的水穩定性。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，同時水泥在水中生成的管狀原纖維加強了土體顆粒之間的粘結，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例

2.1 工程概況

某一級公路擴建項目跨越濕陷性黃土區域，土質多為黃土，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。灰土比取2∶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指標均滿足規范要求。施工時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

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埋設沉降板，按JTG F80／1 -2004《公路工程質量檢驗評定標準》進行承載板試驗，測定各齡期的彎沉，結果見表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時的彎沉值為4.14 mm，而石灰土60 d時的彎沉值為5.22 mm；水泥石灰土的早期彎沉值較小，8 d時的彎沉值僅為1.88 mm，而石灰土8 d時的彎沉值為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；水泥石灰土后期強度增加不大，后期強度的增加幅度與石灰土的相近，說明水泥的摻入主要增加了石灰土的早期強度。

2.3 回彈模量檢測

取水泥石灰土橫斷面K525+460、石灰土橫斷面K610+220分別進行回彈模量測定，結果見圖5。

圖5 水泥石灰土、石灰土回彈模量與齡期的關系

由圖5可知：隨著齡期的增長，水泥石灰土的回彈模量逐漸增大，并且早期回彈模量增長幅度較大，4 d時的回彈模量為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 結論

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

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

（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；隨著齡期和圍壓的增大，變形模量的增長幅度逐漸增大。

（4）水泥石灰土控制路基沉降的效果比石灰土好；水泥石灰土后期強度增加不大，后期強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度。

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

［1］ 高新文.濕陷性黃土地基處置技術研究［J］.山西交通科技，2008（2）.

［2］ 吳曉霞，陳若翔.公路濕陷性黃土路基分析與處理［J］.交通科技，2004（4）.

［3］ 韓曉雷，郅彬，郭志勇.灰土強度影響因素研究［J］.巖土工程學報，2002，24（5）.

［4］ Walaa E I K，Keneth OA.Assessing seasonal variations in cohesive subgrade soils［A］.International Symposium on Subdrainage in Roadway Roads and Subgrades［C］.Granada：World Road Association，1998.

［5］ GB／T 50123，土木工程試驗方法標準［S］.

［6］ 郅兵.灰土強度影響因素及灰土本構關系的研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2004.

［7］ JTG F80／1-2004，公路工程質量檢驗評定標準［S］.

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