水泥改良濕陷性黃土技術(shù)研究

樊微 FAN Wei

（中鐵十七局集團第一工程有限公司，太原 030032）

0 引言

濕陷性黃土在我國西北部分布范圍廣，具有低塑性、低含水量、高壓縮性的特征，不能直接作為高速公路、鐵路路基的填筑，需對其濕陷性進行合理研究并采取改良措施，以作為路基填料。由于各區(qū)域的黃土在空間分布、工程性質(zhì)等方面都是復雜多變的，具體項目需根據(jù)擬采用的改良方法，進行改良填料的系列試驗，以驗證改良方案的可行性。并根據(jù)試驗結(jié)果，確定最佳水泥摻入占比，確保濕陷性黃土能有效改良，作為合格的路基填料。

1 工程概況及施工技術(shù)難點

寶坪高速公路LJ-2合同段施工里程K123+430～K128+545.5，位于寶雞市南塬黃十臺塬上，該路段地形起伏變化較大，溝谷縱橫，該段路基多以深挖高填的形式通過。標段全線處于濕陷性黃土地區(qū)，地勘資料揭示，濕陷性黃土厚度約為3.2m～9.5m。調(diào)查資料表明，該段區(qū)域附近天然優(yōu)質(zhì)填料缺乏。本標段擬采用改良濕陷性黃土作路基填料的方案，不僅能解決天然填料缺乏和大量填料遠運的巨額成本問題，且能夠降低大量棄土而保護了環(huán)境，產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。

2 濕陷黃土改良方法選定及工程試驗方案

2.1 濕陷黃土改良方法

進行黃土改良及加固的方法及種類較多，經(jīng)技術(shù)可行、加固效果、施工簡便性及改良成本等幾方面因素進行綜合考慮及評估，最終決定采用水泥作為改良加固劑的方法，該方法能顯著提高填料的強度、剛度以及水穩(wěn)定性，并且具有改良效果佳、材料來源廣、施工簡便快捷、易于質(zhì)量控制、成本低等優(yōu)勢。

2.2 試驗方案設(shè)計

在室內(nèi)進行系列土工試驗，以探究不同水泥摻入量后土樣工程力學特性變化情況，對不同水泥摻量的改良土、原狀土的工程特性進行分析對比。并根據(jù)改良固化的效果選出最佳改良配合比，為改良黃土作為高速公路路基填料的現(xiàn)場實施提供理論依據(jù)。對土樣分別摻入水泥4%、5%、6%、7%、8%、9%，水泥摻入配比按質(zhì)量百分比計算，土樣為干土質(zhì)量。水泥采用海螺的P.O 42.5水泥。

3 原狀土的物理力學特性

原狀濕陷性黃土的工程特性反映在其各項物理特性指標上，是研究和評估其濕陷性質(zhì)的重要參數(shù)。本文選擇寶坪高速公路寶雞南服務(wù)區(qū)（K125+620～+852）段路塹進行了原狀黃土土樣的采取，取樣深度分別2m、4m、6m、8m。基本物理性質(zhì)指標見表1。該地區(qū)濕陷性黃土土質(zhì)均勻，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙發(fā)育且孔率較大，多呈硬塑狀，遇水具有濕陷性，稍濕稍密；壓縮系數(shù)在0.46～0.56MPa-1范圍，無側(cè)限抗壓強度在0.397～0.428MPa范圍；水穩(wěn)性差，不能達到高速公路路基填料的要求，需實施改良處理。

表1 原狀黃土基本物理性質(zhì)指標

4 物理特性試驗

下文以深度為6m的土樣為例，詳細闡述水泥改良濕陷性黃土的試驗及分析過程。

4.1 液塑性試驗

土樣的液塑性指標是對土顆粒與水分子間相互作用效應(yīng)大小及靈敏度的反映，通過測定不同水泥摻入量時，改良黃土的液限、塑限、塑性指數(shù)，并與原土樣進行工程性質(zhì)的對比分析，以判斷水泥改良濕陷性黃土是否可行。選用代表性土體，并將風干土樣過0.5mm篩，按設(shè)計的試驗方案摻入不同占比的水泥和適量的蒸餾水，攪拌成均勻土膏狀。靜置48h后裝入試樣杯，刮平杯口，采用光電式液塑限聯(lián)合測定儀（GYS-2）測定含水率。結(jié)果見表2，液限、塑限與水泥摻入量關(guān)系曲線見圖1。從表2、圖1可以看出，與原土樣相比較，摻入水泥進行改良后，黃土的液、塑限值都得到提高，且隨著水泥摻量的增加，黃土的塑性指數(shù)為逐漸降低趨勢，表明采用水泥改良后，大幅減少土體塑性，降低持水能力，使水理性能變差。同時，隨著水泥的摻入，黃土由粉土狀向砂質(zhì)狀演變，濕陷性降低，持續(xù)增強抗水性能和強度，說明將水泥作為改良固化劑改善黃土液塑性指標的效果良好。

表2 水泥改良黃土液塑性試驗結(jié)果

圖1 液限、塑限與水泥摻入量關(guān)系曲線圖

4.2 濕陷性試驗

黃土最為關(guān)鍵也是最不利的工程特性是濕陷性。需做改良黃土的濕陷性試驗，并評價改良效果，判斷是否消除其濕陷性，進而達到用作高速公路路基填料的要求。試驗方法為室內(nèi)浸水壓縮試驗，整個試驗在固結(jié)容器中進行，結(jié)果見表3、圖2。

表3 水泥改良黃土濕陷性系數(shù)試驗結(jié)果

從表3可以看出，隨著不同占比水泥的摻入，大幅降低了黃土濕陷系數(shù)，且均＜0.015，表明水泥改良已消除了原黃土的濕陷性。從圖2可看出，隨著水泥摻量的增大，土樣濕陷性系數(shù)也呈線性降低。當水泥摻量為8%時，土樣濕陷系數(shù)為零。其原因是，水泥摻入后產(chǎn)生系列的化學反應(yīng)，生成將土顆粒包裹的膠凝狀化合物，提高了土體水穩(wěn)定性。隨著水泥摻量的增大，膠凝狀化合物形成更為致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最終完全消除了土樣的濕陷性。

圖2 濕陷性系數(shù)與水泥摻入量的關(guān)系圖

4.3 壓縮性試驗

路基在外荷載作用下會出現(xiàn)壓縮沉降。高速公路路基填料需有足夠的剛度以滿足路基變形要求。剛度以壓縮系數(shù)作為評價指標。試驗采用快速固結(jié)法，試驗結(jié)果見表4。

表4 水泥改良黃土壓縮系數(shù)試驗結(jié)果

從表4可以看出，摻入不同占比的水泥后，土樣壓縮系數(shù)得到顯著改善，且均＜0.1MPa-l，能夠滿足高速公路對路基填料壓縮性的相關(guān)要求，利于控制運營期間路基的變形，提高了路基結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及安全性。試驗結(jié)果表明，摻入水泥改善土體壓縮性的效果非常好。

4.4 擊實特性試驗

為了提高路基本體的壓實度和強度，使其壓縮性、滲透性減少，需對路基填筑的壓實質(zhì)量實施有效控制，以達到足夠的壓實質(zhì)量，進而確保高速公路路基的穩(wěn)固。通過進行6種不同水泥占比的改良土的擊實試驗，對比各改良土樣及與原黃土的擊實特性，為改良黃土路基的壓實度控制及質(zhì)量評價提供參數(shù)依據(jù)。本次試驗采用重型擊實方法，采用數(shù)控電動擊實儀（JSD-1型）進行試驗。試驗結(jié)果見表5、圖3。從表5、圖3可以看出，在相同擊實功下，隨著水泥摻入量的不斷增大，最大干密度變化幅值很窄，而最優(yōu)含水量逐漸增加。水泥摻入量占比4%時，最優(yōu)含水量增幅不明顯，水泥摻入量5%～9%時含水量增幅趨大。原因是當水泥摻入量較低時，水泥與濕陷性黃土反應(yīng)規(guī)模不足，尚不能明顯改善含水量，由于水泥細度小，吸收水分能力較黃土強，水泥摻入量達到5%時，水泥充分吸收了土體水分，使最優(yōu)含水量增大，這有利于路基工程中填料含水量的控制。

表5 水泥改良黃土擊實試驗結(jié)果

圖3 擊實特性與水泥摻入量關(guān)系曲線

4.5 無側(cè)限抗壓強度試驗

無側(cè)限抗壓強度是黃土改良后能否作為公路路基填料的重要評價指標之一。因改良土7d無側(cè)限抗壓強度可以滿足現(xiàn)場施工質(zhì)量檢測的需要，本項目對不同水泥摻入占比的改良黃土做標準養(yǎng)護7d的無側(cè)限抗壓強度試驗，探究不同水泥摻入量對試件抗壓強度的影響程度，判斷強度變化趨勢及改良效果，以評估水泥改良黃土的可行性。

取適量風干土樣，過0.5mm篩后，按試驗方案分別摻入6種不同占比的水泥，按照擊實試驗確定的各水泥摻入量的最大干密度和最優(yōu)含水量的95%進行配料，采用萬能材料試驗機靜壓成型，制作成φ50mm×h100mm的圓柱體試樣，在養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7d后，采用應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀實施試驗。在試驗時以1mm/min的速率保試件變形且等速增加。每級不同水泥摻量制作6個試樣，每級試驗強度的平均值作為無側(cè)限抗壓強度值，結(jié)果見表6、圖4。

表6 各土樣無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

圖4 無側(cè)限抗壓強度與水泥摻入量關(guān)系曲線

由表6、圖4可見，不同水泥摻入占比下的試樣無側(cè)限抗壓強度均較原土樣得到很大提高，且均大于0.5MPa。隨著水泥摻占比的增加，試樣的無側(cè)限抗壓強度值持續(xù)增大，兩者的變化曲線在小配合比范圍內(nèi)基本上呈線性關(guān)系。摻和比在5%時增長速率最快隨后變緩慢，摻入量5%為影響無側(cè)限抗壓強度的較佳比例。

4.6 承載比（CBR）試驗

采用CBR值作為路基填料強度的評價指標，CBR值是路基填料的關(guān)鍵力學指標，是對填料局部抗剪強度的水穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)特性的反映，對決定改良土能否作為路基填料具有重要意義，試驗結(jié)果見表7、圖5。由圖5可見，摻入水量后，改良黃土的承載比（CBR）均高于高速公路對于路基填料的要求（上路床8%；下路床5%；上路堤4%；下路堤3%），表明水泥改良黃土可行。當水泥摻入量≤7%，隨著擊實次數(shù)、水泥摻入量的增加，承載比呈現(xiàn)出遞增趨勢，但增加幅度逐漸變小；當水泥摻入量＞7%后，承載比呈微降趨勢。從提高承載比（CBR）指標方面考慮，水泥摻入量以6%為最佳。

表7 水泥改良黃土承載比（CBR）試驗結(jié)果

圖5 承載比（CBR）與水泥摻入量關(guān)系曲線

5 結(jié)語

通過上述試驗，說明采用水泥對濕陷性黃土進行改良合理可行，各項指標均能滿足路基填料的要求。根據(jù)改良固化效果及現(xiàn)場工藝性試驗得出，最佳改良配合比水泥摻量為5%，考慮現(xiàn)場施工質(zhì)量控制難以達到試驗室的精準度，實際施工的水泥摻量為6%。經(jīng)成本估算，本項目采用水泥改良黃土作路基填料較采用天然填料節(jié)約成本約865萬元。標段全線在水泥改良黃土施工過程中，壓實度和灰劑量全部滿足設(shè)計要求，路基壓實度及彎沉檢測全部合格，通車運營后無任何一處沉降，無任何工程質(zhì)量問題。