夯实水泥黄土压缩性试验研究

兰晓玲,王秋生,霍飞

(山西农业大学工学院,山西太谷 030801)

黄土在我国覆盖面积约64万km2,约占领土面积的6.6%[1]。由于黄土颗粒间的胶结力很弱,强度较低[2]。在黄土地区进行工程建设时,很多天然地基不能满足要求,需要进行地基处理。

夯实水泥土桩复合地基作为一种新的地基处理技术,具有工艺简单、造价低、工期短、保护环境、能有效改变地基土的变形特性和提高承载力等很多优点[3～8]而被认为是一种很有前景的地基处理方法。

目前对夯实水泥土桩的试验研究主要集中在加固一般软弱地基的性状上。但由于黄土是一种特殊土,它具有结构性、欠压密性、非饱和性等以及特殊的化学成分使它与一般软土的工程性状差别较大[9,10],由此决定了夯实水泥黄土的物理力学特性与一般夯实水泥土有一定差别。本文对夯实水泥土桩处理黄土地基形成的桩体——夯实水泥黄土进行压缩试验,分析了初始含水量、水泥掺入比和夯实功对夯实水泥黄土压缩性的影响,对夯实水泥土桩在黄土地区的设计及施工等具有重要意义。

1 材料与方法

制备夯实水泥黄土的土样取自太原东山,取土深度6.0 m左右,土样的基本物理力学指标见表1。水泥使用太原水泥厂生产的狮头牌32.5R矿渣硅酸盐水泥。

表1 试验用黄土的物理力学指标Table 1 Physical and mechanical parameters of loess sample

试验考虑三个影响因素:夯实功W、水泥黄土中水泥掺入比aω、水泥黄土混合料的含水量 ω。其中,夯实功取三种:15击、25击、35击;水泥掺入比aω定义为本次试验采用的aω分别为8%、12%、16%、20%;水泥黄土混合料的含水量 ω定义为ω=本次试验采用的 ωop分别为16%、18%、20%、22%、ωop(对五个不同含水量的混合料进行击实试验,测得每个试样的干密度,作出击实曲线,求得最大干密度,对应的含水量为最优含水量ωop)。

根据水泥掺入比和含水量的不同配比经不同夯实功夯实后制成环刀试样,放入保湿皿养护28 d。试样制备参照土工试验现行国家标准《土工试验方法标准》GB/T50123-1999。将满足龄期的试样取出,按照土工试验标准的规定步骤进行压缩试验。仪器采用南京土壤仪器厂生产的WG型单杠杆(中压)固结仪。

2 结果与分析

2.1 初始含水量对压缩性的影响

图1 不同初始含水量下夯实水泥黄土的抗剪强度Fig.1 Shear strength of compacted cement-loess at different water content

从不同初始含水量下夯实水泥黄土的抗剪强度(图1)可以看出:(1)在夯实功和掺入比相同时,随着初始含水量的增大,压缩系数先降低后增 大,在最优含水量附近达到最小值,此时夯实水泥黄土的压缩性最低。(2)随着夯实功的增大,压缩系数有减小的趋势。

此外,从图1还可以发现,黄土经水泥加固夯实后压缩性大大降低,压缩系数都远小于0.1 MPa-1,即都属于低压缩性土。而原状黄土的压缩系数是0.23 MPa-1,属中压缩性土,加固效果明显。

2.2 水泥掺入比对压缩性的影响

从图1还可以看出:(1)夯实功和含水量相同时,掺入比不同,水泥土的压缩系数不同,压缩性也不同。随着掺入比的增大,压缩系数越来越小,压缩性也越来越低。(2)夯实击数从15击增大到35击的过程中,掺入比的增加对压缩系数的影响越来越明显。夯实功较大时,相同含水量下,随着掺入比的增加,压缩系数减小的幅度越来越大,压缩性降低的幅度越来越大。从15击到35击,不同掺入比对应的a1-2-ω曲线在相同的坐标中分布得越来越松散,曲线上含水量相同的点其纵坐标a1-2之间的差值越来越大,例如含水量为18%的点在不同夯实击数下其纵坐标之间的平均差从15击的0.0015增大到25击的0.0026再增大到35击的0.0037。

2.3 夯实功对压缩性的影响

图2 不同夯实功下夯实水泥黄土的压缩系数Fig.2 Compressibility coefficient of compacted cement-loess on different compactive effort

从图2可以看出,在相同的掺入比下,随着夯实功的增大,相同含水量对应的压缩系数越来越小,压缩性越来越低,夯实功越大,压缩系数减小幅度越大。掺入比为12%时,含水量为18%的点在a1-2-ω曲线上其纵坐标之间的差从15击到25击时为0.0028,从25击到35击时为0.0136。

3 讨论

(1)水泥是无机胶凝材料,它在水泥黄土中起固结黄土、填充孔隙的主要作用,是水泥黄土压缩性降低的基础,所以水泥掺量是影响水泥黄土压缩性最活跃的因素。在其它条件基本相同时,水泥掺量越高,水泥固结黄土的能力越强,压缩性也越低。但在实际工程中,考虑到工程成本,水泥掺入比不应一味地增大,而应依工程需要通过试验确定,但当满足工程要求而确定的水泥掺量过大时,应通过经济分析判断合理与否。当水泥掺入比小于5%时,水泥与土的反应过弱,固化程度甚微。水泥掺入比超过一定数量时,水泥的有效利用率减小,成本增加幅度较大。在工程应用上建议取aω=(7～20)%。

(2)试验过程中发现了一些不足,试样制备时水泥黄土试样的不均匀性是试验中存在的最大问题,必然直接影响试验结果的准确性。对于同一试样中所取的环刀试样,将其密度差值控制在0.03 g·cm-3范围之内,以减少由于试样的不均匀所带来的影响,但实际上仍然无法完全消除这种影响。此外,压缩试验所采用的环刀试样体积较小,因此仪器边界的影响对试样的影响较大。例如,由于试样的表面平整度不够以及透水石和仪器周壁接触不够紧密,这些都将对试验结果造成不可避免的误差。

4 结论

黄土经水泥加固夯实后压缩性大大降低;压缩系数随着初始含水量的增大先降低后增大,在最优含水量附近达到最小值,此时夯实水泥黄土的压缩性最低;压缩系数随着掺入比的增大越来越小,压缩性也越来越低,夯实功越大,掺入比对压缩系数的影响越明显;压缩系数随着夯实功的增大呈减小的趋势,夯实功越大,压缩系数减小幅度越大。

[1]谢定义.试论我国黄土力学研究中的若干新趋向[J].岩土工程学报,2001,23(1):3-13.

[2]翁效林.强夯黄土地基震陷性离心试验研究[J].岩土工程学报,2007,29(7):1094-1097.

[3]开明,鲁玉芬,刘稳军,等.夯实水泥土桩复合地基的工程应用研究[J].西部探矿工程,2006(9):20-21.

[4]杨新亮.夯实水泥土桩复合地基的研究与应用[D].吉林:吉林大学,2001:5-6.

[5]徐辉.夯实水泥土桩复合地基承载性状及变形性状的试验研究[D].淮南:安徽理工大学,2006:4.

[6]闫明礼.夯实水泥土桩复合地基的工程应用研究[J].建筑科学,1997(6):20-24.

[7]李占强.夯实水泥土桩复合地基的试验研究及其数值模拟[D].北京:中国地质大学(北京),2005:5.

[8]刘稳军.夯实水泥土桩复合地基工程特性的试验研究[D].淮南:安徽理工大学,2005:7.

[9]俞永华,杨晓华.水泥黄土力学特性试验[J].长安大学学报:自然科学版,2003,2(6):29-32.

[10]张军丽,刘保健.水泥黄土的力学特性试验研究[J].西安公路交通大学学报,1999,19(2):6-9.