周有祿,賈海峰,楊曉明,宋新龍

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

黃土內(nèi)部具有孔隙多、在水的作用下強(qiáng)度迅速降低、變形加大的新時(shí)期形成的一種多孔隙沉積物，具有明顯與水強(qiáng)烈的濕陷性的特性，因此會(huì)導(dǎo)致路基不均勻沉陷、沖蝕、滑坡，橋梁、涵洞結(jié)構(gòu)物破壞等一系列工程問(wèn)題[1]。由于隨著國(guó)家“一帶一路”的建設(shè)，黃土區(qū)正處于一段基礎(chǔ)工程高峰建設(shè)時(shí)期，為了解決黃土地區(qū)的高速鐵路、高速公路路基合格填料缺乏、外運(yùn)成本高等問(wèn)題，近年來(lái)，很多學(xué)者采用無(wú)機(jī)材料改良黃土工程性能的有關(guān)試驗(yàn)探究。房軍等[2]通過(guò)寶—蘭客運(yùn)專(zhuān)線上的王家溝黃土進(jìn)行了水泥改良黃土試驗(yàn)，得出：改良后的抗壓強(qiáng)度提升了3 967 kPa、抗拉強(qiáng)度提升了232.38 kPa，其改良效果最佳的摻量為5%。買(mǎi)曉斌等[3]通過(guò)水泥改良黃土并在循環(huán)荷載作用下進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到兩者累加后的變形公式。 文桃等[4]通過(guò)對(duì)鹽漬土用石灰加固，研究其工程特性，結(jié)果表明：對(duì)于石灰改良的高含鹽量的鹽漬土其強(qiáng)度隨摻量具有先提高后降低的趨勢(shì)，其中最佳灰土質(zhì)量摻配比為2∶8。周建基等[5]分別采用3，5，7，9和15石灰對(duì)黃土進(jìn)行了改良試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)摻灰量為7時(shí)，改良黃土的滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)等參數(shù)都處于最小值，說(shuō)明改良后黃土的各項(xiàng)性能都處于最佳。

目前，對(duì)黃土改良大部分為無(wú)機(jī)結(jié)合料，由于無(wú)機(jī)結(jié)合料在生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)存在一定的缺陷，所以很難推廣應(yīng)用[6-7]。為了達(dá)到黃土區(qū)路基填料的基本需求，彌補(bǔ)無(wú)機(jī)結(jié)合料固化黃土的缺陷，本文將在無(wú)機(jī)結(jié)合料水泥、石灰中復(fù)配新型固化材料進(jìn)行不同比例的組合，研究復(fù)配后的固化劑改良黃土工程的特性，使各固化材料達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)來(lái)滿足黃土區(qū)工程建設(shè)的需要，并對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土樣取民小公路K70+050右側(cè)50 m，該處黃土斷面厚度為17 m，類(lèi)型為典型河流高階地Q3黃土，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到了黃土基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1，由標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)得到試樣的最優(yōu)含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為15.5%，最大干密度為1.64 g/cm3，素土擊實(shí)曲線見(jiàn)圖1。水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥[8]。試驗(yàn)所用改良劑石灰采用粉末狀生石灰，其灼燒后Ca，Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于98%。新型高分子固化材料為水溶性的SH固化劑，其密度為1.1 g/cm3，親水力極強(qiáng)，無(wú)毒、無(wú)刺激性氣味。

表1 黃土基本物理指標(biāo)

1.2 試件制樣及試驗(yàn)方法

首先取一定數(shù)量的黃土樣在烘箱烘干，然后過(guò)0.5 mm篩子備用。在試件制樣過(guò)程中加入蒸餾水使其含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為15.5%，將土攪拌均勻后裝入塑料袋中在標(biāo)養(yǎng)條件下?tīng)F料24 h。在制備好的土樣中按設(shè)計(jì)比例分別加入水泥、石灰、新型高分子材料SH攪拌均勻，采用靜壓法制備試驗(yàn)土樣試件，在制樣過(guò)程中試件的最大干密度為1.64 g/cm3，試件抗壓強(qiáng)度采用無(wú)側(cè)限試驗(yàn)測(cè)定，其試件規(guī)格為直徑5 cm，高10 cm的圓柱體；通過(guò)直接剪切試驗(yàn)測(cè)定其抗剪強(qiáng)度，試件的規(guī)格采用高2 cm，直徑6.18 cm 的環(huán)刀對(duì)靜壓法制樣試件取樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)。本次試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)齡期設(shè)計(jì)為7 d，14 d，28 d，水泥、石灰和新型高分子材料SH的設(shè)計(jì)摻量均為2%，5%，8%，10%。試驗(yàn)過(guò)程按照SL 237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水泥固化黃土抗壓強(qiáng)度

由圖2可知，在不同的養(yǎng)護(hù)齡期下，改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增加呈線性增大，并且14 d和28 d養(yǎng)護(hù)齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本相同，明顯大于7 d養(yǎng)護(hù)齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，由此說(shuō)明水泥改良黃土的養(yǎng)護(hù)齡期一般要控制在14 d。當(dāng)水泥摻量在2%～10%范圍內(nèi)增加時(shí)，其抗壓強(qiáng)度由1.43 MPa提高到2.23 MPa，提高了55.9%。

對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的水泥固化黃土進(jìn)行了線性擬合，如圖3所示，得出擬合關(guān)系式為：

y=0.103 1x+1.188 4

(1)

其相關(guān)系數(shù)R2=0.986，由此說(shuō)明，當(dāng)水泥摻量由2%增加到10%時(shí)，固化黃土的抗壓強(qiáng)度與摻量呈線性正相關(guān)關(guān)系。

由圖4可知，在不同水泥摻量下，改良黃土試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大，其中試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)齡期為7 d～14 d之間增長(zhǎng)較快，養(yǎng)護(hù)齡期在14 d～28 d之間變化時(shí)試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)比較緩慢。由此可知，水泥改良黃土試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度形成在7 d～14 d，所以在這個(gè)時(shí)段要加強(qiáng)改良土的養(yǎng)護(hù)，才能保證改良土的工程特性。

2.2 水泥固化黃土抗剪強(qiáng)度參數(shù)

由圖5,圖6可知，水泥改良黃土試件的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨水泥摻量的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，且水泥摻量由2%增加到8%時(shí)試件的黏聚力提高程度遠(yuǎn)大于摩擦角。當(dāng)水泥摻量在8%～10%之間變化時(shí)，其試件的黏聚力增長(zhǎng)幅度大于2%～8%之間的增長(zhǎng)幅度。另外由圖5，圖6可知，水泥摻量對(duì)試件黏聚力的影響大于內(nèi)摩擦角。

2.3 石灰固化黃土抗壓強(qiáng)度

由圖7可知，石灰改良固化黃土試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在不同養(yǎng)護(hù)齡期下[9]，當(dāng)摻量由2%增加到10%時(shí)，其試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的規(guī)律，并且在摻量為8%時(shí)達(dá)到最大值。由圖7還可以看出，不同石灰摻量的固化黃土隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加其抗壓強(qiáng)度都出現(xiàn)了不同程度的提高。

2.4 SH固化黃土抗壓強(qiáng)度

由圖8可知，SH固化黃土的抗壓強(qiáng)度在不同養(yǎng)護(hù)齡期下，其抗壓強(qiáng)度均隨SH摻量遞增而增大。其抗壓強(qiáng)度在摻量為2%～8%之間增加時(shí)其增長(zhǎng)較快，在8%～10%之間增長(zhǎng)緩慢,說(shuō)明用SH改良黃土?xí)r摻量控制在2%～8%范圍內(nèi)既經(jīng)濟(jì)又能滿足強(qiáng)度要求。

2.5 SH改良黃土抗剪強(qiáng)度分析

由圖9可知，固化黃土的黏聚力在不同養(yǎng)護(hù)齡期下，其隨SH摻量增加均逐漸增大。但不同養(yǎng)護(hù)齡期下固化黃土的黏聚力基本一致，說(shuō)明用SH固化黃土其黏聚力與養(yǎng)護(hù)齡期沒(méi)有直接關(guān)系。由圖10可知，SH固化黃土的內(nèi)摩擦角在不同養(yǎng)護(hù)齡期下，隨著SH摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加內(nèi)摩擦角也在不斷增大。

2.6 SH和水泥復(fù)配固化黃土的工程特性

本次試驗(yàn)將摻量為2%SH和2%水泥組合對(duì)黃土改良，與在不同的養(yǎng)護(hù)齡期下跟單一用SH和水泥改良黃土進(jìn)行對(duì)比分析。

由圖11可知，用SH和水泥復(fù)配固化黃土的抗壓強(qiáng)度明顯大于單獨(dú)用SH、水泥固化黃土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期到達(dá)7 d時(shí)用SH和水泥復(fù)配固化黃土的抗壓強(qiáng)度分別比單獨(dú)用SH、水泥固化黃土的強(qiáng)度提高了38.2%和55.6%；當(dāng)齡期到達(dá)第14天時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別提高了73.7%和183.9%；當(dāng)齡期到達(dá)第28天時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別提高了57.6%和251.7%，由此可知，用SH和水泥復(fù)配固化黃土以28 d的養(yǎng)護(hù)齡期為最佳。

由圖12，圖13可知，用 SH和水泥復(fù)配固化黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨著齡期遞增而增大，但與SH固化黃土相比其抗剪強(qiáng)度參數(shù)提高不多，說(shuō)明 SH和水泥復(fù)配固化黃土的抗剪強(qiáng)度與SH固化的抗剪強(qiáng)度相比基本沒(méi)有什么變化。

2.7 SH和石灰復(fù)配固化黃土的工程特性

由圖14可知，石灰固化黃土抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于SH和石灰復(fù)配固化黃土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)用2%SH和不同摻量的石灰復(fù)配，不同養(yǎng)護(hù)齡期下的抗壓強(qiáng)度都隨石灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加在不斷增大。

3 結(jié)論

1)水泥改良固化黃土?xí)r，其試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的不斷增加而增大，并且與水泥摻量成正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)水泥摻量在2%～10%之間變化時(shí)，水泥改良固化黃土的工程特性不斷提高。

2)石灰改良固化黃土?xí)r，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量在2%～10%之間變化時(shí)呈非線性關(guān)系，當(dāng)石灰摻量為8%時(shí)，改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值1.3 MPa。

3)SH固化黃土的抗壓強(qiáng)度與摻量之間具有較好的線性相關(guān)性，因此，在工程應(yīng)用中根據(jù)工程要求加固強(qiáng)度，計(jì)算所需SH的摻量，可為工程節(jié)約成本。

4)SH和水泥復(fù)配固化黃土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于單獨(dú)用SH、水泥固化黃土的強(qiáng)度。

5)SH和不同摻量石灰復(fù)配固化黃土的抗壓強(qiáng)度隨摻量和齡期的增加均在增大，且遠(yuǎn)大于只用石灰固化黃土的強(qiáng)度。