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(guī)劃設計研究院有限公司，陜西 西安 710000）

1 概述

黃土區(qū)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(qū)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(fā)育、地層層序良好、深度和厚度達到100-200m（部分地區(qū)甚至達到300m）、連續(xù)分布、特殊的微結構、物理力學和濕陷性等優(yōu)良特性而聞名于世。黃土也是該地區(qū)建筑結構的有用材料和基礎。濕陷性黃土地區(qū)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(fā)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(qū)域的額外下沉將導致道路或現(xiàn)場出現(xiàn)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(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，越來越多的工業(yè)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(zhàn)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?jié)裣菪渣S土地區(qū)建設項目在施工過程中發(fā)生失穩(wěn)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(yōu)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(xiàn)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(qū)的應用理論需要進一步補充。本文通過室內試驗和現(xiàn)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(qū)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(tǒng)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(qū)可溶鹽含量，對該地區(qū)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(qū)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(fā)育的黃土具有不同的物理力學性質。影響該區(qū)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)護齡期成正比。養(yǎng)護齡期為28 天或90 天時，強度基本相同。所以最佳養(yǎng)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(wěn)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(fā)生快速沉降，沉降至在30 天時趨于穩(wěn)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(wěn)定，最大沉降值約為2.9 cm。滿足相關規(guī)范要求，現(xiàn)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(wěn)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。