水泥加固法在濕陷性黃土路基應用中的研究

周子剛 張順利

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

1 概述

黃土區分布在世界各地，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、地層發育、地層層序良好、深度和厚度達到100-200m（部分地區甚至達到300m）、連續分布、特殊的微結構、物理力學和濕陷性等優良特性而聞名于世。黃土也是該地區建筑結構的有用材料和基礎。濕陷性黃土地區建設工程中，由于水的作用，黃土顆粒成分復雜，孔隙大，結構松散，經常發生地基沉降。濕陷性引起的下沉或不均勻沉降可能導致房屋嚴重開裂和地面沉降，對建筑物的安全構成極大威脅。它還可能導致建筑物傾斜，甚至倒塌，以及溝渠破壞[2-4]。室外區域的額外下沉將導致道路或現場出現裂縫。許多工程事故都是由坍塌沉降引起的，直接危及生產安全和人身安全。由于地基處理不當造成的建筑物沉陷的加固是昂貴的，對安全生產和人類生活有很大的影響。隨著國民經濟發展和西部大開發戰略的實施，越來越多的工業和土木工程項目建設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性的課題。如何避免因滲水引起的工程結構破壞，是一個十分緊迫的問題。

為防止濕陷性黃土地區建設項目在施工過程中發生失穩事故，保證工程設計和施工過程中的安全性、可靠性和經濟合理性，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法兩種。目前廣泛使用的物理方法主要有強夯法，如沖擊壓實法、灰土擠密樁法、土墊層法等[5]。主要的化學方法是用硅酸鹽材料制成的，如單液硅和雙液硅化物法、氫氧化鈉溶液強化法、加料混合法。然而，這些方法的加固效果和經濟效益的研究尚不清楚，需要進一步研究。

由于改良土在工程上的諸多優點，人們進行了大量的研究和分析，積累了一定的經驗和成果。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驗室試驗，其現場試驗和工程應用受到很大限制，在實際工程中的應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的應用理論需要進一步補充。本文通過室內試驗和現場試驗研究了水泥參量對濕陷性黃土力學性質與強度的影響。

2 黃土樣品的物質組成和結構特征

2.1 粒徑

在某濕陷性黃土地區公路路基段取土，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71.59%。

表1 黃土顆粒組成統計結果

2.2 化學成分和礦物成分

黃土的化學成分主要是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。這些化學物質形成一系列可溶鹽，平均含量為0.057%，低于中國其他黃土地區可溶鹽含量，對該地區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 基本力學性能

采樣深度在1.0 至2.0m 之間。該地區黃土的孔隙比在0.676 至1.267 之間，重點放在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%，塑性指數最大值為15.90，平均內聚力為24.30 kPa，平均內摩擦角為21.7°。

通過對各路段黃土濕陷系數的對比分析，得出中等濕陷性黃土為主，小濕陷性黃土局部分布，強濕陷性黃土為少數。不同地貌單元發育的黃土具有不同的物理力學性質。影響該區黃土濕陷性大小的因素除與黃土的地貌單元類型有關外，主要包括溫度、壓力、水分、物質和黃土的結構組成。

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，并進行壓實，從而消除濕陷性，提高黃土強度。

試驗時，首先，通過試驗測定了該黃土的物理力學指標；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筒中壓實，按照一定的要求進行養護（通常為1 天、7 天、28 天和90 天），然后在壓力機上進行單軸和無側限抗壓強度試驗。最后，測量了破壞時的極限抗壓強度和破壞形式。具體步驟如下：

眾所周知，在一定的壓實功率下，不同含水量的土壤具有不同的干密度。然而，當含水量超過一定值時，隨著含水量的增加，壓實土的干密度變低。因此，在一定的壓實功率下，在一定的含水量水平下壓實后，土壤強度可以達到最大值。此時，該含水量稱為最佳含水量，干密度為最大干密度。通過實驗可以知道最佳含水量。夯實數據和壓實曲線如表2 和圖1 所示。

圖1 壓實曲線

表2 干密度測定結果

從壓實曲線可以看出：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 測試結果分析

樣品的抗壓強度值如圖2 所示。結果表明，試樣的抗壓強度與水泥的配合比成正比，并且隨著混合比的增加而增加。當水泥摻量為15%和20%時，強度相差不大。因此，最經濟的水泥配比是15%。養護齡期不同時，同一水泥混合料的試樣強度也不同。試樣的強度與養護齡期成正比。養護齡期為28 天或90 天時，強度基本相同。所以最佳養護時間是28 天。

圖2 不同水泥摻量試樣在不同條件下的抗壓強度

3.3 穩定機理分析

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生等價交換，這是水泥水化的結果。交換的結果是粘土的雙電層厚度發生變化，形成薄的擴散層。因此，粘土顆粒之間的連接變得牢固，也形成了堅實的連接，從而提高了黃土的強度。除氫氧化鈣外，水泥中水和游離氧化鈣的反應產物還可以與二氧化碳反應，結果是碳酸鈣也加強了土壤質量。

因此，在黃土中加入水泥后，土壤強度將顯著提高。

4 工程應用

室內試驗研究得出路基填土的最經濟的水泥配比是15%，最佳治愈年齡是28 天。為了驗證上述試驗數據的有效性以及后期推廣應用的安全性。在某段公路開展了現場試驗，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生快速沉降，沉降至在30 天時趨于穩定，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，路面沉降基本穩定，最大沉降值約為2.9 cm。滿足相關規范要求，現場試驗結果表明，水泥加固法能夠有效解決濕陷性黃土路基沉降問題。

5 結論

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

當齡期一定時，黃土強度隨配合比的增加而增加，當水泥配合比為5%-15%時，強度增長趨勢比較明顯，當配合比大于15%時，強度增長趨勢減緩。采用水泥改良黃土時，最經濟的配合比在5%-15%之間，28 天內強度齡期增長明顯，這一結論將為類似工程提供借鑒。