瞿海洋

(湖南致力工程科技有限公司，湖南 長沙 410208)

0 引言

黃土是一種特殊土，具有水敏性、大孔性、結(jié)構(gòu)性、濕陷性和地震液化性等特性[1-2]。已有學(xué)者對黃土的不良工程特性進(jìn)行了一系列改良研究。Locat等[3]研究了水泥、石灰對黃土改良的效果，文鎔等[4]研究了水泥劑量和齡期對黃土抗壓強(qiáng)度影響關(guān)系、土的含水率對土體性質(zhì)的改變及對土的密實(shí)度和土強(qiáng)度影響。周志軍等[5]采用4種地基處理方式對濕陷性黃土地區(qū)公路地基進(jìn)行處理，通過試驗(yàn)結(jié)果得出了不同處理方法的改良效果和適用條件。楊梅等[6]進(jìn)行了石灰改良黃土試驗(yàn)，分析了改良黃土性能。房建宏等[7]研究了青海省黃土的顆粒組成、含鹽量、濕陷性等基本物理力學(xué)性質(zhì)和工程特性。裴元新等[8]通過研究黃土高填土工程的合理填土含水率范圍，為控制壓實(shí)黃土的含水率提供了參考依據(jù)。

在濕陷性黃土地區(qū)工程建設(shè)中，一般采用其他物理和力學(xué)性能較好的填料將其換填，或者采用石灰或化學(xué)劑改良的方法對黃土進(jìn)行改良后用于路基填筑[9]。換填雖然能夠解決黃土地區(qū)路基問題，但存在環(huán)境破壞、土地資源浪費(fèi)，成本過高等一系列不利因素，所以將改良黃土運(yùn)用于路基填筑具有重要的價(jià)值和意義。本文就濕陷性黃土改良進(jìn)行研究，以期改良后的濕陷性黃土能作為路基填料使用。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

土樣取自某路基挖方段。分別在3個(gè)位置進(jìn)行取土，編號為1#、2#和3#，其物理性質(zhì)如表1所示。

表1 黃土的物理性質(zhì)取土編號液限ωL/%塑限ωP/%最優(yōu)含水率/%最大干密度/(g·cm-3)1#28.218.912.41.862#28.118.712.01.883#26.117.812.01.91

采用32.5硅酸鹽水泥，通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行檢測，水泥初凝時(shí)間為230 min，終凝時(shí)間為327 min，具體指標(biāo)如表2所示。

1.2 試驗(yàn)過程

水泥劑量是指水泥摻合料質(zhì)量與土質(zhì)量的百分比，本文水泥改良黃土的水泥劑量分別為4%、5%、6%、7%、8%。對改良后的黃土物理特性分別進(jìn)行液塑限試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)；對改良后黃土的力學(xué)特性分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)、濕陷性試驗(yàn)。

表2 P·C32.5水泥指標(biāo)試驗(yàn)項(xiàng)目凝結(jié)時(shí)間/min抗折強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa初凝終凝3 d28 d3 d28 d試驗(yàn)數(shù)值2303273.46.617.537.3技術(shù)要求≥180≤600≥2.5≥5.5≥10.0≥32.5

1.2.1液塑限試驗(yàn)

將3個(gè)位置取回的黃土置于陰涼處進(jìn)行風(fēng)干，利用篩子剔除粒徑大于0.5 mm的組分。每個(gè)取土場各取4份200 g代表性土樣，分別摻入4%、5%、6%、7%、8%的水泥，然后用純水將不同水泥摻量改良的黃土試樣調(diào)制成均勻膏狀，采用液塑限聯(lián)合測定儀測定水泥改良黃土液塑限值。

1.2.2擊實(shí)特性試驗(yàn)

按上述方法及摻比制備改良黃土樣品，每份樣品重量約為4.5 kg，選定用重I型擊實(shí)試驗(yàn)確定各取土場不同水泥摻量改良黃土的最優(yōu)含水率ωop和最大干密度ρdmax。

1.2.3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

3個(gè)位置隨機(jī)取一定量的擾動黃土，試樣風(fēng)干后經(jīng)過0.5 mm篩進(jìn)行篩分，配制上述5種水泥摻量試樣，各取土場的不同水泥摻量試樣均制作12個(gè)，含水率采用擊實(shí)試驗(yàn)中各水泥摻量的最優(yōu)含水率，且要求壓實(shí)系數(shù)K=0.95。試樣尺寸為φ50 mm×h100 mm，試樣配制完成后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為7、14、28 d。隨后正式開展抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，采用應(yīng)變控制法進(jìn)行勻速加載，控制變形的增長速率約為1.52 mm/min，當(dāng)試樣破壞時(shí)停止加載。

1.2.4CBR試驗(yàn)

對上述5種水泥摻量的水泥改良土進(jìn)行CBR試驗(yàn)，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)[10]進(jìn)行。

1.2.5濕陷性試驗(yàn)

從1#、2#和3#取土場隨機(jī)取一定量的擾動黃土，試樣風(fēng)干經(jīng)過0.5 mm篩進(jìn)行篩分，配制成4%、5%、6%、7%、8%共5種水泥摻量試樣，含水率采用各水泥摻量最優(yōu)含水率，且要求壓實(shí)系數(shù)K=0.93，養(yǎng)護(hù)時(shí)間統(tǒng)一為7 d，試樣尺寸為φ79.8 mm×h20 mm。每個(gè)取土場每種水泥摻量的水泥改良黃土各進(jìn)行1組4個(gè)試樣的試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 界限含水率

根據(jù)上述液塑限試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果繪制出各改良土wL、wP、Ip與水泥摻量的關(guān)系曲線，如圖1所示。

a)液限

b)塑限

c)塑性指數(shù)

由圖1可知，水泥改良后黃土的液塑限值與原狀土相比顯著提高，且隨水泥摻量增大呈增大趨勢，不同取土位置的土樣變化值幅度不同；塑性指數(shù)在水泥摻量為4%～5%時(shí)達(dá)到峰值，隨后有減小趨勢。究其原因是黃土填料加入水泥后，改變了黃土中的顆粒結(jié)構(gòu)，并且與原黃土中顆粒產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成膠結(jié)物，從而改變了原黃土的塑液限值。

2.2 擊實(shí)特性

根據(jù)上述擊實(shí)特性試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果繪制各取土場最優(yōu)含水率、最大干密度與水泥摻量的關(guān)系曲線,如圖2所示。

a)最優(yōu)含水率

b)最大干密度

從圖2可以看出,在重型擊實(shí)試驗(yàn)中，改良黃土與原狀黃土相比，最優(yōu)含水率在水泥劑量為5%時(shí)達(dá)到峰值，但最佳含水率都高于原狀土；在不同水泥摻量條件下，改良黃土最大干密度變化幅度不大。其原因?yàn)樗鄵饺朦S土后開始吸收水分，考慮到黃土水穩(wěn)性較差(產(chǎn)生附加下沉)，需選用最優(yōu)含水率較大的水泥摻量。綜上所述，選用4%、5%和6%水泥摻量進(jìn)行試驗(yàn)段施工比較經(jīng)濟(jì)可靠。

2.3 抗壓強(qiáng)度

計(jì)劃開展各個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期下的改良土飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)試驗(yàn)，但14 d和28 d試件在養(yǎng)護(hù)過程中有不同程度破損，故取7 d養(yǎng)護(hù)試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)比較，并將各取土場相同水泥摻量同一齡期4個(gè)試樣試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。由試驗(yàn)結(jié)果繪制出不同水泥摻量改良黃土UCS曲線，如圖3所示。

a)7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

b)14 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

c)28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

從圖3可以看出，在不同水泥摻比下，改良后黃土的UCS大于0.35 MPa，適用于高速公路路基填筑。水泥劑量和改良黃土的UCS大致呈線性關(guān)系。

2.4 CBR值

根據(jù)上述CBR試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果繪制出各取土場在30、50、98擊下CBR與水泥摻量的關(guān)系曲線,如圖4所示。

a)30擊

b)50擊

c)98擊

從圖4可以看出，水泥改良后CBR值顯著提高，說明黃土的承載能力增大，CBR值與水泥劑量和擊實(shí)次數(shù)均成正相關(guān)關(guān)系。

2.5 濕陷性

黃土的濕陷性采用濕陷系數(shù)δs進(jìn)行判定，濕陷性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 黃土的濕陷性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)濕陷性類型評價(jià)指標(biāo)濕陷系數(shù)(δs)濕陷性非濕陷性黃土δs<0.015濕陷性黃土δs≥0.015濕陷性輕微0.015≤δs≤0.03濕陷程度濕陷性中等0.03<δs≤0.07濕陷性強(qiáng)烈δs>0.07

根據(jù)濕陷性試驗(yàn)結(jié)果，繪制出各取土場不同水泥摻量改良黃土和濕陷性系數(shù)的關(guān)系曲線(見圖5)。

圖5 不同水泥劑量下的濕陷系數(shù)

從圖5可以看出水泥可以顯著改良濕陷性黃土的濕陷性。1#、2#和3#原狀土的δs分別為0.016、0.019和0.024，均大于0.015，為濕陷性輕微黃土，而改良后黃土δs均小于0.015，表明不再具有濕陷性，且隨著水泥摻量增加，δs逐漸減小，表明當(dāng)濕陷性輕微時(shí)，進(jìn)行水泥改良可以較好地消除黃土的濕陷性，為改良濕陷性黃土提供了一種很好的選擇方法。

3 水泥改良黃土路基現(xiàn)場應(yīng)用研究

在路基現(xiàn)場建立了水泥改良黃土路基試驗(yàn)段，并采用路拌法進(jìn)行施工，水泥摻量選擇5%，施工工序如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場水泥改良施工工序(路拌法)

施工結(jié)束后，分別利用核子密度儀對改良黃土路基和普通黃土路基開展壓實(shí)度檢測，并且以環(huán)刀取樣進(jìn)行UCS試驗(yàn)檢測。檢測對比結(jié)果如表4和表5所示。

表4 不同碾壓次數(shù)后的壓實(shí)度檢測結(jié)果% 填土類型靜壓2次靜壓4次振壓4次振壓6次改良黃土93.295.195.896.3普通黃土91.792.693.193.8

表5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果MPa 填土類型7 d14 d28 d改良黃土1.421.802.02普通黃土0.720.750.76

從路基現(xiàn)場檢測對比結(jié)果可知，采用合理工序進(jìn)行路拌水泥改良后，黃土更易于壓實(shí)，此外，改良黃土的UCS達(dá)到普通黃土的2倍以上，而且隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)增加而增長。由此可見，水泥改良后黃土的工程性質(zhì)得到了顯著改善。

4 結(jié)論

1)水泥改良后黃土的wL和wP隨著水泥摻量增加而上升，IP在水泥摻量為4%～5%時(shí)達(dá)到峰值；選用最優(yōu)含水率較大的水泥摻量時(shí)，采用4%、5%和6%水泥摻量進(jìn)行試驗(yàn)段施工比較經(jīng)濟(jì)可靠。

2)改良后黃土的UCS全部大于0.35 MPa，并且與水泥劑量、齡期呈現(xiàn)一致性變化關(guān)系，即當(dāng)水泥劑量不斷增加時(shí)，改良黃土的UCS不斷地上升，同時(shí)也隨養(yǎng)護(hù)齡期增加而上升。

3)水泥改良后CBR值顯著提高，強(qiáng)度上升，與水泥摻量呈正相關(guān)，并且隨著擊實(shí)次數(shù)增加，承載比呈上升趨勢。

4)水泥可以很好改良黃土濕陷性，隨著水泥摻量增加，濕陷系數(shù)逐漸減小，黃土不再具有濕陷性。

5)采用合理的工序進(jìn)行路拌法水泥改良后，黃土更易壓實(shí)，此外改良黃土的UCS達(dá)到普通黃土的2倍以上。從實(shí)際工程來看，水泥改良后黃土的工程性質(zhì)得到了顯著改善。