重塑黄土高压固结试验研究

武雯利

(延安大学 建筑工程学院，陕西 延安 716000)

近年来，国内多个城市先后启动了规模庞大的“上山建城”计划，其中陕西省延安市启动的总规模达78.5平方公里的新区建设格外引人关注。“削山建城”使得延安新区出现了大量的高填方工程，高填方填筑体的高度都较高，甚至能达到百米之上，这使得下覆黄土长期处于高压之下[1]。在高填方筑体自身重量及外部荷载的影响下，下覆黄土随时会发生失稳破坏。因此，对高压下黄土的变形特性进行研究，显得尤为重要。

对于天然黄土，国内外学者已经做了大量研究，且取得了很多规律性成果，而重塑黄土不同于原状黄土，在压实过程中使得其原有的结构和物理力学状态发生了改变，相对来说，对于重塑黄土的研究还比较少[2-4]。本文从延安新区现场取得原状土，在实验室内模拟工程实际进行重塑，而后进行高压固结试验，分析出了不同含水量及不同密度下重塑土样对黄土压缩系数、压缩模量等的影响，此外，还通过掺和不同量的水泥对重塑黄土进行改良，以期得到最佳的水泥掺和比。

1 试验概况

1.1 土样性质

试验采用的原状黄土于延安新区建设的工程现场取得，通过模拟工程实际制备了不同含水率、不同密度的重塑黄土。根据室内试验结果可知，本次试验过程中所用土样为黄褐色，且结构均匀、大孔隙较多，具有一定的湿陷性。原状土样参数如下表1所示。

表1 原状土样基本物理性质

1.2 试验方案

试验所用仪器为YCDG型三联高压固结仪，以24 h为周期缓慢加载每级荷载。为了避免土样中水分的蒸发，试验时不仅用湿棉纱围住加压板四周，且调节透水石的含水率与试样中水分相接近。试验过程中在其它参数不变的前提下，分别制备了不同含水量、不同密度的试样来进行高压固结试验，在此基础上，还通过掺加不同比例的水泥来研究其改良状况[5，6]，试验方案如下表2所示。

表2 试验方案

2 试验结果及分析

2.1 不同含水量下土样高压固结试验研究

本试验主要做了四个不同含水量下土样的高压固结试验，其中取垂直压力在100～200 kPa变化范围内计算的压缩系数来反映土的压缩性。从图1中的压缩曲线上可以看出，随着含水量的增大，土样的压缩系数也呈现增大趋势，这便说明，含水量的大小直接影响着土体压缩性的高低，含水量越大，土样压缩性越大，这可能是由于黄土增湿时候黄土结构性软化而引起的。从图1可以看出，含水量从13%～17%变化时，孔隙比变化不是很大，而超过最优含水量17%时，即含水量达到19%时，孔隙比变化非常大，由此可知，在高含水量下，土体的压缩变形是十分显著的。因此，在进行边坡支护、地基处理时候应该尤其注意对边坡、基坑的排水。

图1 不同含水量下的压缩曲线

通过对试验数据的整理，可得竖向压力P与压缩系数关系曲线，从图2可以看出，当含水量低于最优含水量时，在相同垂直压力的作用下，压缩系数随含水量增加的增长幅度不大，而当含水量大于最优含水量大小约2%后，压缩系数随着含水量的增加迅速增长，因此，为了减小黄土路基的压缩变形，在对路基压实时，其压实含水量尽量不应超过最优含水量的2%。

图2 竖向压力P与压缩系数关系曲线

根据试验数据可整理出如图3所示的孔隙比与lgP之间的关系曲线，从图3可以看出随着含水量的增加，压缩指数整体呈现上升趋势。在含水量为13%、15%、17%时孔隙比的变化幅度较小，而当含水量在19%时孔隙比变化较为明显，这表明随着含水量的增大，尤其是当含水量超过土样最优含水量后，土样表现出较高的压缩性。

图3 不同含水量下e-lgP曲线图

2.2 不同水泥掺量下土样高压固结试验研究

本试验在其它参数相同的条件下，通过改变水泥掺量来进行高压固结试验，以期得到最佳的水泥掺和比。制备试验用样的水泥掺量分别为3%、5%、7%和9%，水泥掺量=水泥质量(g)/改良土质量(g)。根据试验数据可整理出如图4所示的水泥土的压缩曲线，由此可以看出，随着水泥掺和量的增加，水泥土的压缩系数逐渐减小，这便说明，水泥的掺加使得土体的压缩性降低，且从图中可以看出，当水泥掺量从3%增加到5%时、7%增加到9%时压缩系数的降低并不明显，而水泥掺量从5%增加到7%的时压缩系数的降低较为显著。

图4 不同水泥掺量下压缩曲线

通过对试验数据进行整理，可得如图5不同水泥掺量下压缩系数的变化曲线，从图中能够更为直观的观察到，随着水泥掺量的增加，水泥土的压缩系数逐渐减小，且当水泥掺量为7%时，压缩系数最小，由此可知，水泥的掺加能够在一定程度上对黄土进行改良，将水泥掺量控制在7%左右能够在很大程度上减小土体的压缩性。

图5 不同水泥掺量下压缩系数变化曲线

图6 不同水泥掺量下e-lgP曲线

水泥土的压缩指数曲线如图6，从图6中同理可以看出随着水泥掺量的增加水泥土的压缩指数呈现下降趋势，在水泥掺量从3%增加到5%、7%增加到9%时压缩指数的降低幅度较小，而水泥掺量从5%增加到7%时压缩指数降低幅度明显增大，因此，在进行边坡支护、地基处理时，为了减小土体的压缩性，在土体中掺和水泥是可行的，从试验结果可知，将水泥掺量控制在7%左右是较为理想的状态。

3 结论

通过以上分析，可以得出如下结论：

(1)土样含水量较低时，压缩系数与压缩指数比较小，土样表现出压缩性较低且强度较高的特性，试验所用土样最优含水量为17%，当含水量小于最优含水量时，随着含水量的增大，压缩指数及压缩系数增长幅度不大，当含水量达到甚至超过最优含水量时，压缩指数及压缩系数迅速增长，土样表现出较高的压缩性。由此可见，在进行地基处理及黄土高填方填筑过程中应严格控制土体含水量，含水量应控制在最优含水量以内，此外，还需注意由于降雨入渗所导致的土体压缩性急剧下降。

(2)水泥改良黄土随着黄土中水泥掺量的增加，压缩系数和压缩指数逐渐降低，水泥土表现出低压缩性、高强度的特点。在水泥掺量从3%增加到5%、从7%增加到9%时的压缩系数及压缩指数的降低幅度相较于水泥掺量从5%增加到7%压缩系数和压缩指数的较低幅度要小很多，因此，通过掺加水泥对黄土进行改良的过程中，将水泥掺量控制在7%左右是较为理想的状态。