秦鵬飛， 劉 陽， 孫麗娟， 熊 毅

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程學(xué)院 河南 鄭州 451000)

0 引言

濕陷性黃土(Collapsible loess)是浸水后強度驟降和變形大幅增加的不良土體，對其場地上的工程建設(shè)危害極大。近年來大規(guī)模的公路、鐵路、高層建筑等工程建設(shè)，迫切需要解決與濕陷性黃土相關(guān)的技術(shù)難題[1-5]。本文從微觀角度分析了濕陷性黃土的結(jié)構(gòu)特點與濕陷機理，總結(jié)闡釋了化學(xué)加固法、灰土擠密樁法和強夯法等黃土地基處理技術(shù)的應(yīng)用研究進展，期望著對濕陷性黃土地區(qū)的工程建設(shè)提供有益啟示和新見解。

1 濕陷性黃土力學(xué)性狀

濕陷性黃土是第四紀干旱氣候環(huán)境下形成的顆粒沉積物，通常富含CaCO3、MgSO4及NaCl等多種鹽分，具有大孔隙、欠壓密和水敏感性等典型特性。我國中西部地區(qū)廣泛分布的Q3黃土、淺層黃土狀土均具有強烈的濕陷性，工程建設(shè)前需進行加固處理。

1.1 黃土微觀結(jié)構(gòu)

黃土顆粒成分主要是單粒、集粒和凝塊，其骨架強度低，膠結(jié)力弱。黃土內(nèi)部存在粒間孔隙和架空孔隙，尤以架空孔隙發(fā)育，致使黃土呈現(xiàn)疏松的結(jié)構(gòu)狀態(tài)(如圖1)。在漫長的地質(zhì)歷史演化進程中，黃土表面顆粒沉積非常緩慢，因而黃土的自重應(yīng)力和固結(jié)壓力增長速率很小，黃土結(jié)構(gòu)中分子連接鍵的強度增長卻比較快，使得上覆壓力不能有效向下傳遞，致使黃土呈現(xiàn)欠壓密的結(jié)構(gòu)性狀[6-10]。

1.2 濕陷機理

濕陷性黃土遇水后結(jié)構(gòu)迅速破壞，研究表明影響黃土濕陷的因素主要為黃土的濕度狀態(tài)、濕度變化歷史及黃土的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力歷史等。在濕陷性因素的作用下黃土內(nèi)部產(chǎn)生一系列的毛細管作用、鹽分溶解作用和孔隙壓密作用，導(dǎo)致黃土結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的附加下沉。多孔結(jié)構(gòu)是黃土產(chǎn)生濕陷的誘發(fā)條件，微膠結(jié)破壞和強度降低則是黃土濕陷的主要原因。黃土結(jié)構(gòu)破壞后，其孔隙率和平均孔徑減小，微細孔隙則增多，黃土力學(xué)性狀發(fā)生明顯改變[11-15]。

圖1 濕陷性黃土力學(xué)特性

2 濕陷性黃土加固技術(shù)

化學(xué)加固法、灰土擠密樁法和強夯法等地基處理技術(shù)，在濕陷性黃土項目建設(shè)中得到了成功應(yīng)用，并獲得了創(chuàng)新性發(fā)展，形成了獨具特色的黃土地基處理技術(shù)。

2.1 化學(xué)灌漿(Chemical Grouting)法

化學(xué)漿液可顯著增強黃土顆粒間的膠結(jié)力，從根本上改變黃土的原狀結(jié)構(gòu)，進而提高黃土地基的承載力。目前黃土加固材料主要分為有機類和無機類兩種，包括SH、LD固化劑和木質(zhì)素，以及水泥、水玻璃、堿液、粉煤灰和石灰等(如表1)。

表1 黃土化學(xué)加固分析

2.1.1 無機材料

吳文飛(2016)[16]通過試驗研究了水泥及微量固化劑對黃土力學(xué)性能的改善狀況，發(fā)現(xiàn)水泥可顯著提高黃土強度，而CaCl2和磷酸鹽等微量固化劑則可以有效改善黃土的水穩(wěn)定性；楊有海(2016)[17]發(fā)現(xiàn)二灰(水泥、粉煤灰)摻入比從12%增加到20%，水泥飽和黃土的強度提高了1倍，粉煤灰與水泥質(zhì)量配比1：2加固效果最理想；金鑫(2016)[18]采用水玻璃自滲方式對馬蘭黃土(Q3eol)進行注漿加固，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶后可達天然黃土強度的10倍，反應(yīng)生成的硅酸凝膠能保持良好的水穩(wěn)定性；王鐵行(2016)[19]指出NaOH堿液在適宜的溫度下能顯著提高黃土的強度，由于黃土中參與反應(yīng)的Ca2+、Mg2+數(shù)量有限，建議NaOH堿液摻量不超過3%。

2.1.2 有機高分子材料

王銀梅(2012)[20]發(fā)現(xiàn)SH固化劑通過高分子鏈與黃土顆粒搭接、纏繞，形成一個錯綜復(fù)雜、聯(lián)結(jié)牢固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能顯著改善黃土的結(jié)構(gòu)形態(tài)，強度提高至5 MPa以上；王生俊(2013)[21]研究表明LD高分子鏈對黃土顆粒具有較好的吸附、膠結(jié)作用，經(jīng)膠結(jié)固化后濕陷性明顯消除，黃土力學(xué)性能指標(biāo)大幅提高；張虎元(2015)[22]指出抗疏力固化劑也是有效的新型化學(xué)材料，抗疏力固化劑改良后黃土的液塑限和塑性指數(shù)提高，最大干密度、干縮率和膨脹率等指標(biāo)明顯改善；侯鑫(2017)[23]研究表明木質(zhì)素磺酸鹽能與陽離子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成強度極高的石英質(zhì)和碳酸鹽礦物，有效增加黃土的荷載承受力；馬文杰(2018)[24]指出HEC可有效激發(fā)黃土顆粒中的鋁硅酸鹽成分，產(chǎn)生強度大于3 MPa的多晶聚合體，比水泥的使用效果更佳。

2.2 復(fù)合地基(Composite Foundation)法

豎向增強體與黃土協(xié)同作用形成復(fù)合地基，是有效改善黃土力學(xué)性狀、提高黃土地基承載力的方法(如圖2)。豎向增強體可以采用灰土擠密樁、CFG樁、旋噴樁及鋼管樁等，黃土處理工程中常組合使用兩種型式的樁體以提升加固效果。

圖2 黃土復(fù)合地基

2.2.1 灰土擠密樁

灰土擠密樁的設(shè)計、計算，可依據(jù)彈塑性力學(xué)的基本理論進行。根據(jù)柱形擴孔理論和統(tǒng)一強度準(zhǔn)則[25]，灰土擠密樁成樁過程中孔壁上的彈性極限壓力為(如圖3)

(1)

圖3 應(yīng)力狀態(tài)分析

式中σt為黃土的拉伸屈服強度，b為材料強度參數(shù)，q為水平向自重應(yīng)力，α為拉壓強度比?？妆趬毫與塑性區(qū)半徑rp的關(guān)系為

(2)

《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025)[26]規(guī)定樁孔間距按式(3)進行設(shè)計，樁位則按正三角形布置。

(3)

2.2.2 剛-柔性樁

通過設(shè)置灰土擠密樁、素土擠密樁等柔性樁，可有效消除黃土的濕陷性，改善黃土的力學(xué)性能。通過設(shè)置素混凝土樁、CFG樁等剛性樁，則可以較好地控制沉降，大幅提高黃土地基的承載力。研究顯示剛-柔性樁復(fù)合地基中，剛性樁承擔(dān)荷載的60%，柔性樁承擔(dān)荷載的10%，樁間土承擔(dān)荷載的30%。剛-柔性樁協(xié)同作用，顯著提升了黃土地基的加固效果(如圖4)。

圖4 剛-柔性樁黃土復(fù)合地基

2.2.3 應(yīng)用分析

劉志偉(2009)[27]檢測發(fā)現(xiàn)經(jīng)灰土擠密樁處理后，黃土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)達到25～29擊，地基承載力達到300～330 kPa，比處理前提高1～2倍，濕陷性有效消除；米海珍(2012)[28]指出灰土擠密樁間距不宜超過2～2.5 d(d為樁徑)，樁間距控制在1.75 d內(nèi)，可顯著改善黃土地基的承載性能；趙永虎(2018)[29]對比分析了換填法和灰土擠密樁法對濕陷性黃土公路地基的處理效果，發(fā)現(xiàn)灰土擠密樁法在降低壓縮變形、提高力學(xué)強度方面比換填法更為有效；張恩祥(2019)[30]指出適當(dāng)增加柔性樁的長度或減小柔性樁的間距可有效降低剛性樁承擔(dān)的荷載，剛性樁-柔性樁-樁間土協(xié)同作用顯著提高了黃土地基的加固效果。

2.3 強夯(Dynamic Compaction)法

強夯法能將夯錘所攜帶能量全部轉(zhuǎn)入土中，顯著提高黃土的密實度及黃土地基的承載力。強夯法的加固機理主要表現(xiàn)為動力密實、動力固結(jié)和動力置換。

2.3.1 強夯效果

王松江(2012)[31]研究表明，深厚濕陷性黃土經(jīng)過強夯后其標(biāo)貫擊數(shù)增加至24擊，靜力觸探錐尖阻力可超過10.0 MPa，地基承載力提高至300 kPa以上；王謙(2013)[32]指出強夯法顯著提高了黃土地基的承載力和抗液化性能，但黃土的力學(xué)性狀與土中的顆粒組分和結(jié)構(gòu)的膠結(jié)性等特性有密切關(guān)系，強夯法不能完全消除黃土的液化勢；王蘭民(2013)[33]通過顯微鏡掃描試驗證明，經(jīng)強夯處理后黃土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，黃土中的大、中孔隙基本消失而細微孔隙明顯增加(見圖5)，這一變化使得黃土地基的密實度和承載力大幅提高；朱彥鵬(2014)[34]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)強夯處理后黃土最大顆粒粒徑由120.226 μm減小至104.713 μm，黃土的結(jié)構(gòu)性狀也有較大改變，顆粒接觸形態(tài)由棱邊接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|和疊置接觸，黃土的回彈模量、壓實度和無側(cè)限抗壓強度等指標(biāo)顯著提高。

圖5 黃土微觀結(jié)構(gòu)變化

2.3.2 有效加固深度

胡長明(2012)[35，36]通過試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)強夯處理后離石黃土有效加固深度可達9.0 m(有效加固深度見式4)

(4)

式中H為有效加固深度，w為夯錘重量，h為夯錘落距，α為修正系數(shù)，可取0.35～0.37；詹金林(2015)[37]指出強夯能級是黃土地基夯實效果的決定性因素，他通過對隴中黃土塬的強夯現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，3000、8000、12000和15000 kN·m強夯能級所對應(yīng)的黃土有效加固深度分別為5、9、12和16 m；賀為民(2017)[38]通過檢測發(fā)現(xiàn)，強夯處理后的黃土地基從上至下可依次分為強加密帶(0～6 m)、加密帶(7～10 m)和影響帶(10 m以上)3種區(qū)域，強加密帶和加密帶的處理效果非常明顯，承載力提高幅度非常顯著，而影響帶仍保留著黃土的原始結(jié)構(gòu)，濕陷性不能消除。

2.3.3 強夯效果影響因素

何淑軍(2011)[39]對西北干旱濕陷性黃土進行15000 kN·m高能級強夯，結(jié)果發(fā)現(xiàn)濕陷消除深度可達9.5 m，而經(jīng)過增濕處理后采用同能級強夯處理深度則可達15.5 m，地基土壓縮模量提高2～3倍；馮志焱(2011)[40]指出為保證良好的夯擊效果夯點間距應(yīng)控制在2 d以內(nèi)，夯擊次數(shù)不宜少于12擊，停夯標(biāo)準(zhǔn)為最后兩擊的夯沉量不大于3～5 cm；翁效林(2011)[41]通過強夯試驗表明含水率應(yīng)嚴格控制在20%以內(nèi)，否則將會產(chǎn)生明顯的震陷；李保華(2015)[42]研究發(fā)現(xiàn)除濕陷性黃土自身力學(xué)性質(zhì)外，影響強夯加固效果的因素還有夯擊能、單點夯擊次數(shù)、夯點間距、夯擊遍數(shù)及夯點搭接方式等工藝參數(shù)。強夯效果主要影響因素[43-45]如表2所示。

表2 強夯效果評價及影響因素

3 結(jié)語

化學(xué)加固法、復(fù)合地基法和強夯法在濕陷性黃土加固中得到了成功應(yīng)用，并在工程實踐中獲得了創(chuàng)新性的發(fā)展，形成了獨具特色的黃土地基處理技術(shù)。本文闡釋了濕陷性黃土的微觀結(jié)構(gòu)及其濕陷機理，分析了這3種主要方法的應(yīng)用研究進展，期望著對黃土地區(qū)的工程建設(shè)提供有益啟示和幫助。