蘭曉玲,王秋生,霍飛

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,山西太谷 030801)

黃土在我國覆蓋面積約64萬km2,約占領(lǐng)土面積的6.6%[1]。由于黃土顆粒間的膠結(jié)力很弱,強度較低[2]。在黃土地區(qū)進行工程建設(shè)時,很多天然地基不能滿足要求,需要進行地基處理。

夯實水泥土樁復(fù)合地基作為一種新的地基處理技術(shù),具有工藝簡單、造價低、工期短、保護環(huán)境、能有效改變地基土的變形特性和提高承載力等很多優(yōu)點[3～8]而被認為是一種很有前景的地基處理方法。

目前對夯實水泥土樁的試驗研究主要集中在加固一般軟弱地基的性狀上。但由于黃土是一種特殊土,它具有結(jié)構(gòu)性、欠壓密性、非飽和性等以及特殊的化學(xué)成分使它與一般軟土的工程性狀差別較大[9,10],由此決定了夯實水泥黃土的物理力學(xué)特性與一般夯實水泥土有一定差別。本文對夯實水泥土樁處理黃土地基形成的樁體——夯實水泥黃土進行壓縮試驗,分析了初始含水量、水泥摻入比和夯實功對夯實水泥黃土壓縮性的影響,對夯實水泥土樁在黃土地區(qū)的設(shè)計及施工等具有重要意義。

1 材料與方法

制備夯實水泥黃土的土樣取自太原東山,取土深度6.0 m左右,土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1。水泥使用太原水泥廠生產(chǎn)的獅頭牌32.5R礦渣硅酸鹽水泥。

表1 試驗用黃土的物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical parameters of loess sample

試驗考慮三個影響因素:夯實功W、水泥黃土中水泥摻入比aω、水泥黃土混合料的含水量 ω。其中,夯實功取三種:15擊、25擊、35擊;水泥摻入比aω定義為本次試驗采用的aω分別為8%、12%、16%、20%;水泥黃土混合料的含水量 ω定義為ω=本次試驗采用的 ωop分別為16%、18%、20%、22%、ωop(對五個不同含水量的混合料進行擊實試驗,測得每個試樣的干密度,作出擊實曲線,求得最大干密度,對應(yīng)的含水量為最優(yōu)含水量ωop)。

根據(jù)水泥摻入比和含水量的不同配比經(jīng)不同夯實功夯實后制成環(huán)刀試樣,放入保濕皿養(yǎng)護28 d。試樣制備參照土工試驗現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123-1999。將滿足齡期的試樣取出,按照土工試驗標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定步驟進行壓縮試驗。儀器采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的WG型單杠桿(中壓)固結(jié)儀。

2 結(jié)果與分析

2.1 初始含水量對壓縮性的影響

圖1 不同初始含水量下夯實水泥黃土的抗剪強度Fig.1 Shear strength of compacted cement-loess at different water content

從不同初始含水量下夯實水泥黃土的抗剪強度(圖1)可以看出:(1)在夯實功和摻入比相同時,隨著初始含水量的增大,壓縮系數(shù)先降低后增 大,在最優(yōu)含水量附近達到最小值,此時夯實水泥黃土的壓縮性最低。(2)隨著夯實功的增大,壓縮系數(shù)有減小的趨勢。

此外,從圖1還可以發(fā)現(xiàn),黃土經(jīng)水泥加固夯實后壓縮性大大降低,壓縮系數(shù)都遠小于0.1 MPa-1,即都屬于低壓縮性土。而原狀黃土的壓縮系數(shù)是0.23 MPa-1,屬中壓縮性土,加固效果明顯。

2.2 水泥摻入比對壓縮性的影響

從圖1還可以看出:(1)夯實功和含水量相同時,摻入比不同,水泥土的壓縮系數(shù)不同,壓縮性也不同。隨著摻入比的增大,壓縮系數(shù)越來越小,壓縮性也越來越低。(2)夯實擊數(shù)從15擊增大到35擊的過程中,摻入比的增加對壓縮系數(shù)的影響越來越明顯。夯實功較大時,相同含水量下,隨著摻入比的增加,壓縮系數(shù)減小的幅度越來越大,壓縮性降低的幅度越來越大。從15擊到35擊,不同摻入比對應(yīng)的a1-2-ω曲線在相同的坐標(biāo)中分布得越來越松散,曲線上含水量相同的點其縱坐標(biāo)a1-2之間的差值越來越大,例如含水量為18%的點在不同夯實擊數(shù)下其縱坐標(biāo)之間的平均差從15擊的0.0015增大到25擊的0.0026再增大到35擊的0.0037。

2.3 夯實功對壓縮性的影響

圖2 不同夯實功下夯實水泥黃土的壓縮系數(shù)Fig.2 Compressibility coefficient of compacted cement-loess on different compactive effort

從圖2可以看出,在相同的摻入比下,隨著夯實功的增大,相同含水量對應(yīng)的壓縮系數(shù)越來越小,壓縮性越來越低,夯實功越大,壓縮系數(shù)減小幅度越大。摻入比為12%時,含水量為18%的點在a1-2-ω曲線上其縱坐標(biāo)之間的差從15擊到25擊時為0.0028,從25擊到35擊時為0.0136。

3 討論

(1)水泥是無機膠凝材料,它在水泥黃土中起固結(jié)黃土、填充孔隙的主要作用,是水泥黃土壓縮性降低的基礎(chǔ),所以水泥摻量是影響水泥黃土壓縮性最活躍的因素。在其它條件基本相同時,水泥摻量越高,水泥固結(jié)黃土的能力越強,壓縮性也越低。但在實際工程中,考慮到工程成本,水泥摻入比不應(yīng)一味地增大,而應(yīng)依工程需要通過試驗確定,但當(dāng)滿足工程要求而確定的水泥摻量過大時,應(yīng)通過經(jīng)濟分析判斷合理與否。當(dāng)水泥摻入比小于5%時,水泥與土的反應(yīng)過弱,固化程度甚微。水泥摻入比超過一定數(shù)量時,水泥的有效利用率減小,成本增加幅度較大。在工程應(yīng)用上建議取aω=(7～20)%。

(2)試驗過程中發(fā)現(xiàn)了一些不足,試樣制備時水泥黃土試樣的不均勻性是試驗中存在的最大問題,必然直接影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。對于同一試樣中所取的環(huán)刀試樣,將其密度差值控制在0.03 g·cm-3范圍之內(nèi),以減少由于試樣的不均勻所帶來的影響,但實際上仍然無法完全消除這種影響。此外,壓縮試驗所采用的環(huán)刀試樣體積較小,因此儀器邊界的影響對試樣的影響較大。例如,由于試樣的表面平整度不夠以及透水石和儀器周壁接觸不夠緊密,這些都將對試驗結(jié)果造成不可避免的誤差。

4 結(jié)論

黃土經(jīng)水泥加固夯實后壓縮性大大降低;壓縮系數(shù)隨著初始含水量的增大先降低后增大,在最優(yōu)含水量附近達到最小值,此時夯實水泥黃土的壓縮性最低;壓縮系數(shù)隨著摻入比的增大越來越小,壓縮性也越來越低,夯實功越大,摻入比對壓縮系數(shù)的影響越明顯;壓縮系數(shù)隨著夯實功的增大呈減小的趨勢,夯實功越大,壓縮系數(shù)減小幅度越大。

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