淤泥質黃土地基處理試驗研究★

秦仕偉 李 陽 劉 陽

(信息產業部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054)

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淤泥質黃土地基處理試驗研究★

秦仕偉 李 陽 劉 陽

(信息產業部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054)

通過室內試驗與數值模擬方法，對陜北淤泥質黃土地基進行了振陷、化學改良及地基處理技術研究，分析了淤泥質黃土的振陷規律，并提出了相應的技術指標，為類似淤泥質黃土地基處理工程提供了理論基礎與參考依據。

淤泥質黃土，地基處理，化學改良，振陷試驗

0 引言

陜北地區屬于典型繼承型或繼承、侵蝕混合型黃土梁峁區，在河流長期侵蝕切割作用下形成地勢高、邊坡陡的梁峁與沖溝并存地貌，碎屑物在溝底低洼區與溝口堆積形成淤泥質黃土。淤泥質黃土淤積厚度小則1 m～3 m，大則10 m以上。可適建設用地不足迫使陜北地區出現了大量高填方工程，調查發現，高低起伏的地形地貌引起淤泥質填方地基產生不均勻沉降，致使陜北大量建筑結構成為危房，輕則房屋開裂，重則失穩倒塌，嚴重威脅人身生命及財產安全。

國內，王俊等[1]采用地質力學模型試驗方法進行了地下水入滲基底軟弱黃土層的模擬試驗，研究了分級填筑、軟弱基底以及飽水條件下黃土基底排土場邊坡裂縫開展和發育特征以及邊坡破裂面的空間形態特點。黃英豪等[2]發現，固化淤泥壓縮特性的最大特點是存在固結屈服應力，固化淤泥的固結屈服應力隨水泥量增加線性增大，齡期越長、含水率越低固結屈服應力越大。馬學寧等[3]研究了水泥改良黃土的擊實、壓縮、強度以及列車重復荷載作用下動力學特性，并論證了水泥改良黃土作為高速鐵路路基基床底層填料的可行性。鄭江等[4]通過對軟巖改良無側限抗壓強度試驗研究發現，水泥改良土的無側限抗壓強度隨著水泥摻合量增大而增大，在相同壓實度條件下,水泥改良土的無側限抗壓強度優于石灰改良土的無側限抗壓強度。張齊齊等[5]對水泥改良的微觀結構進行了定量研究，發現水泥摻量越大，等效直徑較大的結構單元體含量越多，小結構單元體數量相對減少，孔隙度減小，土顆粒的分形維數減小；試樣結構單元體在90°區位內具有一定的定向性。此外，張春雷等[6]通過室內調配不同初始含水率的淤泥，研究了初始含水率對水泥固化效果的影響。褚峰等[7]對飽和淤泥質砂土動力變形及動強度特性進行了研究，發現淤泥與含沙量比例對淤泥質砂土動力特性的影響規律。此外，范邵平等[8]研究了有機質含量對淤泥固化效果的影響，馮志超等[9]分析了黏粒含量對固化淤泥力學性質的影響。

相較于沿海地區軟土，西北地區淤泥質軟弱黃土一般分布面積小，成分復雜，工程性質差，在工程實踐中多采用換填處置方式，因此，工程界對淤泥質黃土的性質研究較少，特別是高壓及動荷載作用下淤泥質黃土的性質研究更是罕見，使得大體積淤泥質黃土地基處理成為難題。隨著城鎮化建設步伐逐步加快，填筑高度高、填方面積大成為當今及未來的發展趨勢，對淤泥質黃土物理力學性質及處置技術的研究已迫在眉睫。

1 振陷試驗研究

研究區地處陜北南部，淤泥質黃土在動荷載作用下具有黏彈塑性流變力學特性，引起土體密度增大、孔隙減小、地面沉降。地基處理期間不同機械動荷載作用下，淤泥質黃土在宏觀上呈現出不同的受力與變形關系。因此，為了研究不同施工工藝對淤泥質黃土地基的處置效果，本文采用GDS高級動態三軸測試系統分析淤泥質黃土在動載下的沉降變形特征。該試驗系統通過加載活塞上下運動來實現將任意波形的軸向荷載施加到試樣上(如圖1所示)。

根據板式無碴軌道動力模型試驗，獲得表1動力衰減試驗數據。

表1 板式無砟軌道動力衰減試驗數據

對表1數據擬合得到沿地基深度方向的衰減曲線公式：

(1)

其中，λ為衰減系數；H為地基深度。

從式(1)可以看出動力荷載在土體中的傳播能力。對比分析后，利用動三軸制樣器將研究區典型淤泥質黃土配制成直徑70 mm、高140 mm標準柱體試樣。

動荷載研究方面，鐵科院給出動荷載計算系數經驗公式：

(2)

其中，Pd為中活載，kN；v為列車時速，km/h。

假設動荷載在基礎板上為均布荷載，荷載縱向作用面積7.0 m2。將式(1)，式(2)聯立，確定出動應力與圍壓之間的關系如表2所示。

表2 振陷試驗參數 kPa

試驗采用正交原理，將淤泥質黃土圍壓、動應力參數交叉組合，分別施加動荷載進行一定振次的振動，經數據處理繪制出圖2振陷曲線。

對比圖2能夠看出，淤泥質黃土在長持時、小振幅作用下會發生不同程度的沉降。在圍壓不變的情況下，隨著動應力增大，累計沉降量逐漸增大；相對于動應力30 kPa，50 kPa，當動應力達到70 kPa時，累計沉降量明顯增大，且隨著振次增大，這種變化趨勢越加顯著；累計沉降量與振次基本成正比關系，振次為500～3 000時，累計沉降量隨振次增加變化較慢，當振次為3 000～5 000時，變化逐漸加快，當振次達到6 000以上，累計沉降量增長速度又逐漸回落。

2 淤泥質黃土化學改良

黃土化學改良是黃土改良的一種，通過化學反應改變影響土體固有成分，降低土塑性，增大土的內摩擦角和粘聚力，有效提高土體的抗剪強度指標。一般有機高分子固化效果較好，但成本較高，故結合實際本試驗采用水泥、石灰改良淤泥質黃土。

2.1 試驗制備

本試驗欲探討不同摻量的水泥、石灰后，改良淤積土的物理力學性質的變化規律。試驗前將復合硅酸鹽水泥P.C32.5、石灰以及烘干后粉碎的土過0.5 mm的篩。試驗嚴格依照GB/T 50123—1999土工試驗方法標準進行，改良土固化劑水泥、石灰摻量見表3。

表3 改良土固化劑摻量表 %

2.2 界限含水量對比分析

在土中摻入水泥、石灰后，在水的作用下與黃土中的土顆粒、土中氣發生一系列復雜的物理、化學反應后，土的含水率及壓縮性將發生變化。

由于黃土本身對水的敏感性較強，因此測定黃土的液塑限及塑性指數，可以有效地判定土體與水的結合程度及在不同含水率條件下的穩定性，從而間接地反映土的力學性質。

由圖3曲線可以看出，隨著固化劑摻量的增加，改良淤泥質黃土的液限逐漸減小，塑限先增大后減小，塑限指數先減小后增大。在黃土填料中加入一定量的水泥或石灰后，黃土與固化劑發生強烈的相互作用，離子交換作用使得細粘顆粒形成團粒結構，形成一定的膠結物，其比表面積增大，吸收的水分也相應的增加，塑性指數減小，塑性顯著降低，親水性大大減弱，從而增強了改良土的穩定性。

2.3 壓縮固結試驗對比分析

對淤泥質黃土改良養護14 d后，采用GZQ-1型固結儀施加壓力，每一級壓力為25 kPa,50 kPa,100 kPa,200 kPa。通過試驗數據計算處理，最終得到改良淤泥質黃土壓縮系數、壓縮模量與固化劑摻量的數據曲線(見圖4，圖5)。

從圖4可以看出，水泥和石灰改良黃土壓縮系數均隨固化劑摻量增大而減小，石灰摻量大于10%以后，改良黃土的壓縮系數隨固化劑摻量增大而減小速度逐漸降低，水泥摻量在2%～6%，水泥改良黃土的壓縮系數隨摻量增加其減小速度有所放緩。

從圖5可直觀地看出，水泥和石灰改良淤泥質黃土壓縮模量與固化劑摻量的關系。水泥摻量小于5%時，改良土的壓縮模量基本不隨摻量增大而發生明顯變化，當摻量大于5%后，改良土的壓縮模量隨摻量增大而劇烈增大，在5%處出現了壓縮模量拐點。石灰改良土的壓縮模量與石灰摻量同樣呈線性關系。

3 結論

1)通過對淤泥質黃土的振陷規律研究，得到了動應力荷載、振次與沉降量之間的關系，動應力和振次越大地基處理效果越好，振次在3 000～5 000時沉降量較為敏感，超過6 000次時累計沉降量增速明顯降低。因此建議對地基處理時，將振次控制在6 000次以上。

2)通過對試驗數據分析發現，水泥和石灰對淤泥質黃土均具有較好的效果，并確定了水泥改良和石灰改良經濟、合理的最優配比分別為2%和10%左右。

3)根據淤泥質黃土所處厚度不同，建議小于3 m時宜選用換填墊層法或化學改良處理，3 m～5 m可選用換填墊層或強夯法處理，5 m以上宜選用強夯法處理，對松散破碎表層土體可進行碾壓處理。另外，處理后的地基應做好防水措施。

[1] 王 俊,孫書偉,陳 沖.飽和黃土基底排土場地質力學模型試驗研究[J].煤炭學報,2014,39(5):861-867.

[2] 黃英豪,朱 偉,周宣兆,等.固化淤泥壓縮特性的試驗研究[J].巖土力學,2012,33(2):2923-2928.

[3] 馬學寧,梁 波.水泥改良黃土力學特性試驗研究[J].巖土工程技術，2005,19(5):241-244.

[4] 鄭 江,舒海明,但漢成.軟巖改良無側限抗壓強度試驗研究[J].鐵道工程學報,2009,7(130):94-97.

[5] 張齊齊,王家鼎,劉博榕,等.水泥改良土微觀結構定量研究[J].水文地質工程地質,2015,42(3):92-96.

[6] 張春雷,汪順才,朱 偉,等.初始含水率對水泥固化淤積效果的影響[J].巖土力學,2008,29(sup):567-570.

[7] 褚 峰,邵生俊,陳存禮.飽和淤泥質砂土動力變形及動強度特性試驗研究[J].巖土力學與工程學報,2014,33(S1):3299-3305.

[8] 范昭平,朱 偉,張春雷.有機質含量對淤泥固化效果影響的試驗研究[J].巖土力學,2005,26(8):1327-1334.

[9] 馮志超,朱 偉,張春雷,等.黏粒含量對固化淤泥力學性質的影響[J].巖石力學與工程學報,2007,26(1):3052-3057.

Experimental study on foundation treatment of silt loess foundation★

Qin Shiwei Li Yang Liu Yang

(ElectronicComprehensiveInvestigation&SurveyingInstituteofMinistryofInformationIndustry,Xi’an710054,China)

This paper makes technical research on vibration settlement, chemical amelioration, ground treatment of muddy loess in the northern Shaanxi by laboratory test and numerical simulation, discovers the law of muddy loess’ vibration settlement and puts forward corresponding technical indicators, and provides theoretical basis and reference data for ground treatment of similar muddy loess.

muddy loess, ground treatment, chemical amelioration, vibration test

1009-6825(2017)06-0069-03

2016-12-13 ★：2016陜西省科技統籌創新工程計劃項目(2016KTZDSF04-05-04)；2012年陜西省科技統籌創新工程(2012KTZD03-02)

秦仕偉(1987- )，男，碩士，工程師，注冊巖土工程師

TU411

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