淤泥質(zhì)黃土地基處理試驗(yàn)研究★

秦仕偉 李 陽(yáng) 劉 陽(yáng)

(信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054)

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淤泥質(zhì)黃土地基處理試驗(yàn)研究★

秦仕偉 李 陽(yáng) 劉 陽(yáng)

(信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054)

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法，對(duì)陜北淤泥質(zhì)黃土地基進(jìn)行了振陷、化學(xué)改良及地基處理技術(shù)研究，分析了淤泥質(zhì)黃土的振陷規(guī)律，并提出了相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，為類(lèi)似淤泥質(zhì)黃土地基處理工程提供了理論基礎(chǔ)與參考依據(jù)。

淤泥質(zhì)黃土，地基處理，化學(xué)改良，振陷試驗(yàn)

0 引言

陜北地區(qū)屬于典型繼承型或繼承、侵蝕混合型黃土梁峁區(qū)，在河流長(zhǎng)期侵蝕切割作用下形成地勢(shì)高、邊坡陡的梁峁與沖溝并存地貌，碎屑物在溝底低洼區(qū)與溝口堆積形成淤泥質(zhì)黃土。淤泥質(zhì)黃土淤積厚度小則1 m～3 m，大則10 m以上。可適建設(shè)用地不足迫使陜北地區(qū)出現(xiàn)了大量高填方工程，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高低起伏的地形地貌引起淤泥質(zhì)填方地基產(chǎn)生不均勻沉降，致使陜北大量建筑結(jié)構(gòu)成為危房，輕則房屋開(kāi)裂，重則失穩(wěn)倒塌，嚴(yán)重威脅人身生命及財(cái)產(chǎn)安全。

國(guó)內(nèi)，王俊等[1]采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法進(jìn)行了地下水入滲基底軟弱黃土層的模擬試驗(yàn)，研究了分級(jí)填筑、軟弱基底以及飽水條件下黃土基底排土場(chǎng)邊坡裂縫開(kāi)展和發(fā)育特征以及邊坡破裂面的空間形態(tài)特點(diǎn)。黃英豪等[2]發(fā)現(xiàn)，固化淤泥壓縮特性的最大特點(diǎn)是存在固結(jié)屈服應(yīng)力，固化淤泥的固結(jié)屈服應(yīng)力隨水泥量增加線(xiàn)性增大，齡期越長(zhǎng)、含水率越低固結(jié)屈服應(yīng)力越大。馬學(xué)寧等[3]研究了水泥改良黃土的擊實(shí)、壓縮、強(qiáng)度以及列車(chē)重復(fù)荷載作用下動(dòng)力學(xué)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(guò)對(duì)軟巖改良無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，水泥改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻合量增大而增大，在相同壓實(shí)度條件下,水泥改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度優(yōu)于石灰改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。張齊齊等[5]對(duì)水泥改良的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量研究，發(fā)現(xiàn)水泥摻量越大，等效直徑較大的結(jié)構(gòu)單元體含量越多，小結(jié)構(gòu)單元體數(shù)量相對(duì)減少，孔隙度減小，土顆粒的分形維數(shù)減小；試樣結(jié)構(gòu)單元體在90°區(qū)位內(nèi)具有一定的定向性。此外，張春雷等[6]通過(guò)室內(nèi)調(diào)配不同初始含水率的淤泥，研究了初始含水率對(duì)水泥固化效果的影響。褚峰等[7]對(duì)飽和淤泥質(zhì)砂土動(dòng)力變形及動(dòng)強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)淤泥與含沙量比例對(duì)淤泥質(zhì)砂土動(dòng)力特性的影響規(guī)律。此外，范邵平等[8]研究了有機(jī)質(zhì)含量對(duì)淤泥固化效果的影響，馮志超等[9]分析了黏粒含量對(duì)固化淤泥力學(xué)性質(zhì)的影響。

相較于沿海地區(qū)軟土，西北地區(qū)淤泥質(zhì)軟弱黃土一般分布面積小，成分復(fù)雜，工程性質(zhì)差，在工程實(shí)踐中多采用換填處置方式，因此，工程界對(duì)淤泥質(zhì)黃土的性質(zhì)研究較少，特別是高壓及動(dòng)荷載作用下淤泥質(zhì)黃土的性質(zhì)研究更是罕見(jiàn)，使得大體積淤泥質(zhì)黃土地基處理成為難題。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐逐步加快，填筑高度高、填方面積大成為當(dāng)今及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)淤泥質(zhì)黃土物理力學(xué)性質(zhì)及處置技術(shù)的研究已迫在眉睫。

1 振陷試驗(yàn)研究

研究區(qū)地處陜北南部，淤泥質(zhì)黃土在動(dòng)荷載作用下具有黏彈塑性流變力學(xué)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(jī)械動(dòng)荷載作用下，淤泥質(zhì)黃土在宏觀上呈現(xiàn)出不同的受力與變形關(guān)系。因此，為了研究不同施工工藝對(duì)淤泥質(zhì)黃土地基的處置效果，本文采用GDS高級(jí)動(dòng)態(tài)三軸測(cè)試系統(tǒng)分析淤泥質(zhì)黃土在動(dòng)載下的沉降變形特征。該試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)加載活塞上下運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)將任意波形的軸向荷載施加到試樣上(如圖1所示)。

根據(jù)板式無(wú)碴軌道動(dòng)力模型試驗(yàn)，獲得表1動(dòng)力衰減試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 板式無(wú)砟軌道動(dòng)力衰減試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)表1數(shù)據(jù)擬合得到沿地基深度方向的衰減曲線(xiàn)公式：

(1)

其中，λ為衰減系數(shù)；H為地基深度。

從式(1)可以看出動(dòng)力荷載在土體中的傳播能力。對(duì)比分析后，利用動(dòng)三軸制樣器將研究區(qū)典型淤泥質(zhì)黃土配制成直徑70 mm、高140 mm標(biāo)準(zhǔn)柱體試樣。

動(dòng)荷載研究方面，鐵科院給出動(dòng)荷載計(jì)算系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式：

(2)

其中，Pd為中活載，kN；v為列車(chē)時(shí)速，km/h。

假設(shè)動(dòng)荷載在基礎(chǔ)板上為均布荷載，荷載縱向作用面積7.0 m2。將式(1)，式(2)聯(lián)立，確定出動(dòng)應(yīng)力與圍壓之間的關(guān)系如表2所示。

表2 振陷試驗(yàn)參數(shù) kPa

試驗(yàn)采用正交原理，將淤泥質(zhì)黃土圍壓、動(dòng)應(yīng)力參數(shù)交叉組合，分別施加動(dòng)荷載進(jìn)行一定振次的振動(dòng)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理繪制出圖2振陷曲線(xiàn)。

對(duì)比圖2能夠看出，淤泥質(zhì)黃土在長(zhǎng)持時(shí)、小振幅作用下會(huì)發(fā)生不同程度的沉降。在圍壓不變的情況下，隨著動(dòng)應(yīng)力增大，累計(jì)沉降量逐漸增大；相對(duì)于動(dòng)應(yīng)力30 kPa，50 kPa，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力達(dá)到70 kPa時(shí)，累計(jì)沉降量明顯增大，且隨著振次增大，這種變化趨勢(shì)越加顯著；累計(jì)沉降量與振次基本成正比關(guān)系，振次為500～3 000時(shí)，累計(jì)沉降量隨振次增加變化較慢，當(dāng)振次為3 000～5 000時(shí)，變化逐漸加快，當(dāng)振次達(dá)到6 000以上，累計(jì)沉降量增長(zhǎng)速度又逐漸回落。

2 淤泥質(zhì)黃土化學(xué)改良

黃土化學(xué)改良是黃土改良的一種，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)改變影響土體固有成分，降低土塑性，增大土的內(nèi)摩擦角和粘聚力，有效提高土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。一般有機(jī)高分子固化效果較好，但成本較高，故結(jié)合實(shí)際本試驗(yàn)采用水泥、石灰改良淤泥質(zhì)黃土。

2.1 試驗(yàn)制備

本試驗(yàn)欲探討不同摻量的水泥、石灰后，改良淤積土的物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。試驗(yàn)前將復(fù)合硅酸鹽水泥P.C32.5、石灰以及烘干后粉碎的土過(guò)0.5 mm的篩。試驗(yàn)嚴(yán)格依照GB/T 50123—1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，改良土固化劑水泥、石灰摻量見(jiàn)表3。

表3 改良土固化劑摻量表 %

2.2 界限含水量對(duì)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(fā)生一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)后，土的含水率及壓縮性將發(fā)生變化。

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

由圖3曲線(xiàn)可以看出，隨著固化劑摻量的增加，改良淤泥質(zhì)黃土的液限逐漸減小，塑限先增大后減小，塑限指數(shù)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(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，離子交換作用使得細(xì)粘顆粒形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，形成一定的膠結(jié)物，其比表面積增大，吸收的水分也相應(yīng)的增加，塑性指數(shù)減小，塑性顯著降低，親水性大大減弱，從而增強(qiáng)了改良土的穩(wěn)定性。

2.3 壓縮固結(jié)試驗(yàn)對(duì)比分析

對(duì)淤泥質(zhì)黃土改良養(yǎng)護(hù)14 d后，采用GZQ-1型固結(jié)儀施加壓力，每一級(jí)壓力為25 kPa,50 kPa,100 kPa,200 kPa。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算處理，最終得到改良淤泥質(zhì)黃土壓縮系數(shù)、壓縮模量與固化劑摻量的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)(見(jiàn)圖4，圖5)。

從圖4可以看出，水泥和石灰改良黃土壓縮系數(shù)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(shù)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(shù)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(zhì)黃土壓縮模量與固化劑摻量的關(guān)系。水泥摻量小于5%時(shí)，改良土的壓縮模量基本不隨摻量增大而發(fā)生明顯變化，當(dāng)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(xiàn)了壓縮模量拐點(diǎn)。石灰改良土的壓縮模量與石灰摻量同樣呈線(xiàn)性關(guān)系。

3 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)淤泥質(zhì)黃土的振陷規(guī)律研究，得到了動(dòng)應(yīng)力荷載、振次與沉降量之間的關(guān)系，動(dòng)應(yīng)力和振次越大地基處理效果越好，振次在3 000～5 000時(shí)沉降量較為敏感，超過(guò)6 000次時(shí)累計(jì)沉降量增速明顯降低。因此建議對(duì)地基處理時(shí)，將振次控制在6 000次以上。

2)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，水泥和石灰對(duì)淤泥質(zhì)黃土均具有較好的效果，并確定了水泥改良和石灰改良經(jīng)濟(jì)、合理的最優(yōu)配比分別為2%和10%左右。

3)根據(jù)淤泥質(zhì)黃土所處厚度不同，建議小于3 m時(shí)宜選用換填墊層法或化學(xué)改良處理，3 m～5 m可選用換填墊層或強(qiáng)夯法處理，5 m以上宜選用強(qiáng)夯法處理，對(duì)松散破碎表層土體可進(jìn)行碾壓處理。另外，處理后的地基應(yīng)做好防水措施。

[1] 王 俊,孫書(shū)偉,陳 沖.飽和黃土基底排土場(chǎng)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),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(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2012,33(2):2923-2928.

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

[4] 鄭 江,舒海明,但漢成.軟巖改良無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2009,7(130):94-97.

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

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

[7] 褚 峰,邵生俊,陳存禮.飽和淤泥質(zhì)砂土動(dòng)力變形及動(dòng)強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(S1):3299-3305.

[8] 范昭平,朱 偉,張春雷.有機(jī)質(zhì)含量對(duì)淤泥固化效果影響的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2005,26(8):1327-1334.

[9] 馮志超,朱 偉,張春雷,等.黏粒含量對(duì)固化淤泥力學(xué)性質(zhì)的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),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(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2016KTZDSF04-05-04)；2012年陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程(2012KTZD03-02)

秦仕偉(1987- )，男，碩士，工程師，注冊(cè)巖土工程師

TU411

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