水泥石灰土处治湿陷性黄土路基研究

李文秀

（山西交科公路勘察设计院，山西太原 030006）

水泥石灰土处治湿陷性黄土路基研究

李文秀

（山西交科公路勘察设计院，山西太原 030006）

为了提高石灰土的早期强度及水稳定性，将水泥作为外加剂掺入石灰土中，通过室内试验对水泥石灰土的特性进行研究，结果表明，水泥石灰土的最佳含水量为23.5%，石灰土的强度、刚度和水稳定性随着水泥的掺入而显著提高，考虑经济效益，工程应用中可取水泥掺量为6%；通过工程实例得出水泥的掺入提高了石灰土的早期强度，可有效控制湿陷性黄土路基沉降。

公路；路基；水泥石灰土；湿陷性黄土

湿陷性黄土是指天然黄土受水浸湿后，在附加压力、自重压力下土体结构发生破坏，并引发显著变形的土体。湿陷性黄土广泛分布于中国西北地区，其分布面积约占黄土地区总面积的60%。湿陷性黄土以粉土颗粒为主（约占50%），具有孔隙大、沉降变化量大、边坡自持性好等特点。由于湿陷性黄土特殊的沉降性，会引发大量工程灾害，如路面开裂、路基沉降、结构物倾斜、倒塌等，在施工中应对湿陷性黄土地基进行特殊处理。

石灰土是将适量的消石灰、土和水按一定比例混合而成，可用来解决湿陷性黄土的特殊沉降性，提高土体的强度及稳定性。但由于石灰土的早期强度过低，水稳定性差，且只能应用于地下水位以上土体，使石灰土的使用受到限制。为此，国内外学者提出添加水泥作为外加剂来提高石灰土的强度及水稳定性，但目前对水泥石灰土的特性及在工程中的应用效果研究还不够深入。该文通过室内试验对水泥石灰土特性进行研究，并通过工程应用实例分析水泥石灰土在处治湿陷性黄土路基中的实用性。

1 水泥石灰土特性试验分析

1.1 试验材料和方案

试验采用质量合格的新鲜消解石灰，掺入325＃硅酸盐水泥；采用开挖不久的新堆积的黄土，其物理特性见表1。

以GB／T 50123《土木工程试验方法标准》为标准，用孔隙为5 mm的筛子对风干碾碎后的试验黄土与石灰进行筛分，灰土比取2∶8，按水泥掺量分别为2%、4%、6%配制3种水泥石灰土试样进行轻型击实试验，试验结果见表2。从表2可见3种水泥石灰土的最佳含水量均接近23.5%，考虑到试验误差，取水泥石灰土的最佳含水量为23.5%。

表1 试验用黄土的物理特性指标

表2 不同水泥掺量水泥石灰土的最佳含水率%

分别进行三轴不固结不排水试验和无侧限抗压强度试验。灰土比取2∶8，含水率为23.5%。以水泥掺量、龄期作为变量，试样的水泥掺量分别为2%、4%、6%，龄期分别取3、7、15、30、90、150 d，三轴试验的围压分别取200、400、600 k Pa。对试样标准养护后进行试验，试验结果见图1～4。

图1 水泥石灰土抗压强度与龄期的关系

图2 水泥石灰土抗压强度与水泥体积分数的关系

图3 水泥石灰土割线模量E50与龄期的关系

图4 水泥石灰土割线模量E50与围压的关系

1.2 试验结果分析

1.2.1 水泥掺量对石灰土强度的影响

如图1所示，在龄期相同的情况下，加入水泥的石灰土试样的无侧限抗压强度均高于不加水泥的石灰土试样。以水泥掺量6%为例，养护龄期30 d以内，其抗压强度由1.12 MPa增加到2.98 MPa，涨幅达1.86 MPa，而纯石灰土的抗压强度涨幅仅为0.57 MPa，前者的强度增长幅度更明显。同时随着水泥掺量的提高，早期强度的增长幅度增大，水泥掺量为4%时的早期强度涨幅为1.23 MPa，水泥掺量为6%时的涨幅为1.86 MPa。由图2可知，石灰土的强度随着水泥掺量的提高而呈线性增长。

水泥的掺入使石灰土强度显著增加的原因可从微观角度来分析。水泥的掺入增加了水中Ca2+的浓度，使离子交换反应加强，也使土体颗粒所带电荷增加，从而使土体颗粒的凝聚作用增强，增加了土体的强度和稳定性。另一方面，水泥在水中会生成一种管状原纤维，由于水泥的水化反应远快于石灰土，这种纤维会迅速充斥在土体颗粒之间将土体颗粒连接在一起形成一个统一的整体，增大了石灰土的早期强度。

综上，水泥的掺入使石灰土的整体强度显著提高，早期强度快速增长。

1.2.2 水泥掺量对石灰土刚度的影响

如图3所示，纯石灰土的抗压强度曲线斜率几乎为零，而水泥掺量2%、4%、6%时曲线斜率分别为0.76、1.23、1.50，水泥石灰土的抗压强度曲线在各个龄期的斜率均比纯石灰土的大，表明水泥石灰土的变形模量大于纯石灰土。

如图4所示，随着水泥掺量的增加，水泥石灰土的变形模量大致呈线性增长；随着龄期和围压的增大，变形模量的增长幅度逐渐增大。可见，石灰土的刚度随着水泥的掺入而显著提高。

1.2.3 水泥掺量对石灰土水稳定性的影响

石灰土的水稳定性可用软化系数来表示。软化系数是指石灰土在饱和状态与普通潮湿状态下的抗压强度之比。一般情况下，石灰土的软化系数为0.54～0.90，可取平均值为0.7。由于石灰土浸水后其强度有所下降，为了提高石灰土的水稳定性，在石灰土混合料中掺入4%的水泥，以不同灰土比的纯石灰土作为对照组，在饱和状态和普通潮湿状态下分别进行抗压强度试验，试验结果见表3。

表3 不同配合比石灰土试样泡水72 h后的软化系数

由表3可知：纯石灰土的软化系数平均值为0.51，最高值为0.75；而不同灰土比下的水泥石灰土在各龄期的软化系数均大于石灰土。说明水泥的掺

入能提高石灰土的水稳定性。从微观角度分析，水泥的掺入使水中Ca2+增加，离子交换作用加强，同时水泥在水中生成的管状原纤维加强了土体颗粒之间的粘结，使土体不易被水分散。

2 水泥石灰土处治湿陷性黄土路基的工程实例

2.1 工程概况

某一级公路扩建项目跨越湿陷性黄土区域，土质多为黄土，其中K520+310—K530+350采用水泥石灰土填筑路基，K610+220—K630+260采用石灰土填筑路基。灰土比取2∶8，水泥石灰土中水泥掺量为4%，采用普通325＃硅酸盐水泥，石灰及水泥材料的技术指标均满足规范要求。施工时控制各混合料的含水率为22%～24%。路基填土高度均为5.78 m。

2.2 弯沉检测

各段路基施工完成后，取有代表性的水泥石灰土横断面K525+460、K525+465及石灰土横断面K620+220、K620+225埋设沉降板，按JTG F80／1 -2004《公路工程质量检验评定标准》进行承载板试验，测定各龄期的弯沉，结果见表4。

表4 水泥石灰土、石灰土不同龄期的弯沉值

由表4可知：水泥石灰土控制路基沉降的效果比石灰土好，水泥石灰土60 d时的弯沉值为4.14 mm，而石灰土60 d时的弯沉值为5.22 mm；水泥石灰土的早期弯沉值较小，8 d时的弯沉值仅为1.88 mm，而石灰土8 d时的弯沉值为3.265 mm；石灰土的早期沉降量大于水泥石灰土，后期沉降量逐渐减少；水泥石灰土后期强度增加不大，后期强度的增加幅度与石灰土的相近，说明水泥的掺入主要增加了石灰土的早期强度。

2.3 回弹模量检测

取水泥石灰土横断面K525+460、石灰土横断面K610+220分别进行回弹模量测定，结果见图5。

图5 水泥石灰土、石灰土回弹模量与龄期的关系

由图5可知：随着龄期的增长，水泥石灰土的回弹模量逐渐增大，并且早期回弹模量增长幅度较大，4 d时的回弹模量为58 MPa，6和15 d的回弹模量分别为69、85 MPa；水泥石灰土的后期回弹模量增长幅度与纯石灰土相近，且最终回弹模量值与纯石灰土相近。

3 结论

（1）水泥的掺入使水中Ca2+增加，离子交换作用加强，同时水泥在水中生成的管状原纤维加强了土体颗粒之间的粘结，从而提高了土体的强度和水稳定性。

（2）水泥的掺入使石灰土强度显著增加，早期强度快速增长；石灰土的强度随着水泥掺量的提高呈线性增长。

（3）石灰土的刚度随着水泥的掺入而显著提高；水泥石灰土的变形模量大于纯石灰土，随着水泥掺量的增加，水泥石灰土的变形模量大致呈线性增长；随着龄期和围压的增大，变形模量的增长幅度逐渐增大。

（4）水泥石灰土控制路基沉降的效果比石灰土好；水泥石灰土后期强度增加不大，后期强度的增加幅度与石灰土相近，水泥的掺入主要增加了石灰土的早期强度。

（5）水泥石灰土早期回弹模量增长幅度大于石灰土，后期回弹模量增长幅度与纯石灰土相近，且最终回弹模量值与纯石灰土相近。

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U416.1

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