水泥加固法在湿陷性黄土路基应用中的研究

周子刚 张顺利

（1、北京市市政工程设计研究总院有限公司兰州分院，甘肃 兰州 730070 2、陕西省交通规划设计研究院有限公司，陕西 西安 710000）

1 概述

黄土区分布在世界各地，面积约13×106km2。中国黄土面积640000 km2，主要分布在黄河流域中游，是中国区域自然地理和黄土高原的重要组成部分[1]。黄土高原上的黄土以其地层完整、地层发育、地层层序良好、深度和厚度达到100-200m（部分地区甚至达到300m）、连续分布、特殊的微结构、物理力学和湿陷性等优良特性而闻名于世。黄土也是该地区建筑结构的有用材料和基础。湿陷性黄土地区建设工程中，由于水的作用，黄土颗粒成分复杂，孔隙大，结构松散，经常发生地基沉降。湿陷性引起的下沉或不均匀沉降可能导致房屋严重开裂和地面沉降，对建筑物的安全构成极大威胁。它还可能导致建筑物倾斜，甚至倒塌，以及沟渠破坏[2-4]。室外区域的额外下沉将导致道路或现场出现裂缝。许多工程事故都是由坍塌沉降引起的，直接危及生产安全和人身安全。由于地基处理不当造成的建筑物沉陷的加固是昂贵的，对安全生产和人类生活有很大的影响。随着国民经济发展和西部大开发战略的实施，越来越多的工业和土木工程项目建设在大厚度自重湿陷性黄土上，给研究人员带来了一系列具有挑战性的课题。如何避免因渗水引起的工程结构破坏，是一个十分紧迫的问题。

为防止湿陷性黄土地区建设项目在施工过程中发生失稳事故，保证工程设计和施工过程中的安全性、可靠性和经济合理性，必须选择合理有效的黄土地基处理。目前，湿陷性黄土路基处理方法主要有物理法和化学法两种。目前广泛使用的物理方法主要有强夯法，如冲击压实法、灰土挤密桩法、土垫层法等[5]。主要的化学方法是用硅酸盐材料制成的，如单液硅和双液硅化物法、氢氧化钠溶液强化法、加料混合法。然而，这些方法的加固效果和经济效益的研究尚不清楚，需要进一步研究。

由于改良土在工程上的诸多优点，人们进行了大量的研究和分析，积累了一定的经验和成果。改良土壤是加固土壤的有效措施。迄今为止，对黄土加固的研究很少，水泥加固黄土的研究成果还不完善。水泥改良黄土的研究大多局限于实验室试验，其现场试验和工程应用受到很大限制，在实际工程中的应用仍然受到很大限制。因此，水泥改良黄土在湿陷性黄土地区的应用理论需要进一步补充。本文通过室内试验和现场试验研究了水泥参量对湿陷性黄土力学性质与强度的影响。

2 黄土样品的物质组成和结构特征

2.1 粒径

在某湿陷性黄土地区公路路基段取土，测试黄土的粒度组成，得出平均粒度组成（见表1）。由表1 可知，粉土（0.05-0.005 mm）是湿陷性黄土的基本组成部分，其平均含量高达71.59%。

表1 黄土颗粒组成统计结果

2.2 化学成分和矿物成分

黄土的化学成分主要是SiO2、Al2O3和CaO，因为黄土的主要矿物是石英、长石、云母和碳酸钙，其次是Fe2O3、MgO、K2O、Na2O、MnO、FeO、TiO2、P2O5等。这些化学物质形成一系列可溶盐，平均含量为0.057%，低于中国其他黄土地区可溶盐含量，对该地区黄土湿陷性的影响较小。石膏（CaSO4·2H2O）是中可溶性盐的代表。

2.3 基本力学性能

采样深度在1.0 至2.0m 之间。该地区黄土的孔隙比在0.676 至1.267 之间，重点放在0.913 至0.980 段。总的来说，它的变化范围很广。平均含水量为13.9%，天然密度集中在1.37-1.85 g/cm3之间，干密度为1.19-1.60 g/cm3，液限为22.80%-38.80%，塑限为17.10%-22.90%，塑性指数最大值为15.90，平均内聚力为24.30 kPa，平均内摩擦角为21.7°。

通过对各路段黄土湿陷系数的对比分析，得出中等湿陷性黄土为主，小湿陷性黄土局部分布，强湿陷性黄土为少数。不同地貌单元发育的黄土具有不同的物理力学性质。影响该区黄土湿陷性大小的因素除与黄土的地貌单元类型有关外，主要包括温度、压力、水分、物质和黄土的结构组成。

3 水泥加固湿陷性黄土试验

3.1 测试方法

在黄土路基中加入一定比例的其他工程材料，并进行压实，从而消除湿陷性，提高黄土强度。

试验时，首先，通过试验测定了该黄土的物理力学指标；其次，尝试在黄土（二灰水泥粉煤灰）中加入不同类型和不同含量的其他材料，水泥的配合比为5%、10%、15%或20%。将一定含量的材料放入压实筒中压实，按照一定的要求进行养护（通常为1 天、7 天、28 天和90 天），然后在压力机上进行单轴和无侧限抗压强度试验。最后，测量了破坏时的极限抗压强度和破坏形式。具体步骤如下：

众所周知，在一定的压实功率下，不同含水量的土壤具有不同的干密度。然而，当含水量超过一定值时，随着含水量的增加，压实土的干密度变低。因此，在一定的压实功率下，在一定的含水量水平下压实后，土壤强度可以达到最大值。此时，该含水量称为最佳含水量，干密度为最大干密度。通过实验可以知道最佳含水量。夯实数据和压实曲线如表2 和图1 所示。

图1 压实曲线

表2 干密度测定结果

从压实曲线可以看出：最佳含水量为14.4%；最大干密度为1.80 g/cm3。

水泥的配合比分别为5%、10%、15%和20%。同时为每个混合比例准备四个样品，以满足在四个不同年龄段保持的要求。

3.2 测试结果分析

样品的抗压强度值如图2 所示。结果表明，试样的抗压强度与水泥的配合比成正比，并且随着混合比的增加而增加。当水泥掺量为15%和20%时，强度相差不大。因此，最经济的水泥配比是15%。养护龄期不同时，同一水泥混合料的试样强度也不同。试样的强度与养护龄期成正比。养护龄期为28 天或90 天时，强度基本相同。所以最佳养护时间是28 天。

图2 不同水泥掺量试样在不同条件下的抗压强度

3.3 稳定机理分析

黄土中含有大量的粘土颗粒。在自然条件下，一些粘土颗粒通常带有负电荷，并能吸附其表面的低价阳离子（Na+、K+等）。在氢氧化钙溶液中，低价阳离子能与钙离子发生等价交换，这是水泥水化的结果。交换的结果是粘土的双电层厚度发生变化，形成薄的扩散层。因此，粘土颗粒之间的连接变得牢固，也形成了坚实的连接，从而提高了黄土的强度。除氢氧化钙外，水泥中水和游离氧化钙的反应产物还可以与二氧化碳反应，结果是碳酸钙也加强了土壤质量。

因此，在黄土中加入水泥后，土壤强度将显著提高。

4 工程应用

室内试验研究得出路基填土的最经济的水泥配比是15%，最佳治愈年龄是28 天。为了验证上述试验数据的有效性以及后期推广应用的安全性。在某段公路开展了现场试验，分别对比了无水泥参量和15%水泥参量工况下湿陷性黄土沉降值，试验结果如图3 所示。

图3 不同工况下路基沉降值

由图3 可知，无水泥掺量的路基在施工初期发生快速沉降，沉降至在30 天时趋于稳定，最大沉降值约为31 cm。而15%水泥掺量的路基沉降值较小，在25 天时，路面沉降基本稳定，最大沉降值约为2.9 cm。满足相关规范要求，现场试验结果表明，水泥加固法能够有效解决湿陷性黄土路基沉降问题。

5 结论

当混合比例一定时，试样强度随龄期的增加而增加，28 天强度增长明显，28-90 天增长率较小，90 天内强度趋于稳定。当水泥掺量为5%时，黄土的强度比不掺水泥的黄土大3-4 倍。当水泥掺量为10%时，黄土的强度是未掺水泥黄土强度的5-6 倍。当水泥掺量为15%和20%时，黄土的强度比不掺水泥的黄土大6-7 倍。

当龄期一定时，黄土强度随配合比的增加而增加，当水泥配合比为5%-15%时，强度增长趋势比较明显，当配合比大于15%时，强度增长趋势减缓。采用水泥改良黄土时，最经济的配合比在5%-15%之间，28 天内强度龄期增长明显，这一结论将为类似工程提供借鉴。