水泥改良黄土路基材料力学性能研究

赵 飞 王 鑫

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000;2.张家口张垣项目管理有限公司,河北 张家口 075000)

0 引 言

近些年，黄土路基及黄土边坡失稳破坏问题屡见不鲜，黄土遇水会发生崩解效应，从而具有湿陷特性，会带来路基沉降、滑坡等危害，严重威胁人们的安全，因此黄土路基及边坡的改良工程迫在眉睫.

关于黄土路基改良，较多学者展开研究.何玉琪[1]等通过采用格栅加筋方法对黄土进行加固，以加筋角度及层数作为变量展开相关研究，结果表明：加筋保持水平时，黄土力学性能最好.张玉[2]等通过将石灰-粉煤灰材料掺入黄土中制成改良土，并对素黄土进行压实处理制成压实土，探究了改良土及压实土的力学特性，钟秀梅[3]等在此基础上研究了粉煤灰改良黄土作为路基材料时，其耐干湿性能，结果表明：同等条件下，压实土较改良土的粘聚力及内摩擦角等抗剪强度指标要小很多；粉煤灰改良土可有效提高黄土路基的耐干湿循环性能，很大程度提高了路基强度.江涛[4]等以银西高铁路段为研究对象，探究了水泥改良黄土的抗冻特性，结果表明：针对黄土路基，冻融破坏一般发生在基床表面位置，且经水泥改良的黄土路基可显著提高黄土路基抗冻融性能.

基于以上研究发现，围绕黄土路基改良方向，众多学者进行了较多研究，但关于水泥掺量及龄期对改良黄土的力学特性影响研究较少，因此，本文将水泥掺量及养护龄期作为研究变量，探究了水泥掺量及龄期变化对改良土抗压、抗剪强度及粘聚力、内摩擦角等的影响规律，并对建筑施工设计提出合理化建议.

1 试验概况

1.1 试验材料

本文试验材料主要为张家口地区黄土，其基本性质依据土工规范[5]进行试验测定，得出试验过程黄土的相关物理参数如表1所示，水泥选用P.S.A 32.5矿渣硅酸盐水泥，具体参数如表2所示.

表1 张家口地区黄土相关物理参数

表2 水泥材料相关参数

1.2 试验方案

(1)水泥改良黄土抗压强度性能分析

首先筛分试验黄土，按照预设配合比与水泥拌和均匀，得到水泥掺量分别为4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%及20%的试样，然后将不同水泥掺量的改良试样分别分三次装入模具中，且每加入一次试样，用土刀对试样表面做刮毛操作，以提高试样的整体度，装满模具后压实，并静置1小时，待静置完成后，采用电动液压脱模器进行脱模，最后用保鲜膜包裹脱模试件并做好标记放入养护室养护一定时间，待养护时间达到方案养护龄期后，采用无侧限压力仪对改良土试样施加压力，记录量力环读数，相关试验仪器如图1、图2所示.

图1 电动液压脱模器 图2 无侧限压力仪

通过式(1)计算无侧限抗压强度值：

(1)

式中：

P—无侧限抗压强度，KPa

C—量力环系数

R—压力计读数

A—试件横截面积，cm2

(2)水泥改良黄土抗剪强度性能分析

将不同水泥掺量的改良试样分三次装入环刀内，且每加入一次试样，用土刀对试样表面同样做刮毛操作，以提高试样的整体度，并静置1小时，静置完成后脱去环刀，对试件进行养护，达到方案养护龄期后，将养护试件放入直剪仪中，施加100KPa～400KPa之间以每100KPa递增的垂直压力，进行直剪试验，记录读数.

通过公式(2)、公式(3)计算不同水泥掺量条件下的抗剪强度值：

τ=C×R

(2)

τ=c1+σtanφ

(3)

式中：

R—直剪仪读数

C—量力环系数

τ—抗剪强度，KPa

φ—内摩擦角，°

σ—垂直压力，KPa

c1—粘聚力，KPa

2 试验结果分析

2.1 水泥掺量对改良土抗压强度影响分析

将水泥掺量作为变量，探究了养护时间分别为14d和28d时，水泥掺量变化对改良土抗压强度的影响规律，试验结果如图3所示.

图3 不同养护龄期下水泥掺量对抗压强度影响关系曲线图

由图3可知，水泥的掺入对黄土改良效果明显，使得改良土抗压强度显著提升，且其掺量对抗压强度影响较大，主要表现在：当水泥掺量在4%～20%之间不断增加时，改良土的无侧限抗压强度均不断增大，以养护龄期为28d时为例，改良土的抗压强度依次提升2.9%、10.2%、20.4%、36.9%、56.8%、78.2%、97.9%、126.2%、131.1%.由此可知，当水泥掺量在4%～18%之间不断增加时，改良土的无侧限抗压强度提升速度不断增快，但当水泥掺量在18%～20%之间变化时，提升速度降低，趋于稳定，因此，在工程实际中，综合考虑经济效益，建议将水泥作为改良黄土路基材料时，水泥掺量控制为18%左右可在节省路基材料的同时显著提高改良土的抗压强度.

2.2 水泥掺量对改良土抗剪强度影响分析

将水泥掺量作为变量，探究了养护时间分别为14d和28d，垂直压力在100KPa～400KPa之间以每100KPa递增时，水泥掺量变化对改良土抗剪强度的影响规律，试验结果如图4、图5所示.

图4 养护龄期为14d时水泥掺量对抗剪强度影响关系曲线图

图5 养护龄期为28d时水泥掺量对抗剪强度影响关系曲线图

由图4、图5可知，不同垂直压力条件下，当水泥掺量在4%～20%之间不断增大时，不同养护龄期的改良土抗剪强度均不断增加，且增长趋势一致，但增长速率受水泥掺量影响较大，主要表现在：当水泥掺量在0～10%之间变化时，曲线图趋于平稳，此时，改良土抗剪强度增长速率较小，随着水泥掺量在10%～16%之间不断增大，曲线图斜率不断增大，此时，改良土抗剪强度增长速率不断增快，当水泥掺量在16%～20%之间继续增大时，曲线图又趋于平稳，此时，改良土抗剪强度增长速率变化较小.由此可知，水泥掺量对改良土的抗剪强度影响较大，且掺量越大，抗剪强度越大，其中，当水泥掺量在10%～16%之间不断增大时，抗剪强度提升最为明显.

2.3 水泥掺量对改良土抗剪强度指标影响分析

通过绘制不同水泥掺量条件下改良土的抗剪强度包络线确定不同改良土的粘聚力c和内摩擦角φ，并绘制粘聚力以及内摩擦角随水泥掺量的变化规律曲线分别如图6、图7所示.

图6 不同养护龄期下水泥掺量对粘聚力影响关系曲线图

图7 不同养护龄期下水泥掺量对内摩擦角影响关系曲线图

由图6、图7可知，水泥掺量是影响改良土抗剪强度指标的重要因素，随着水泥掺量的不断增大，粘聚力c和内摩擦角φ均不断增大，且发现其增长速率受水泥掺量的影响较大，呈现先缓慢增长后增长迅速，最后又趋于缓慢的变化规律；养护龄期对抗剪强度指标也有较大影响，养护时间越长，粘聚力及内摩擦角越大.

3 结 论

本文将水泥掺入黄土中制备不同水泥掺量的改良土，探究水泥作为改良黄土路基材料时，水泥掺量变化对改良土的抗压强度及抗剪强度的影响规律，得出以下结论：

(1)水泥作为改良黄土路基材料时，可显著提高黄土的力学性能，且其提高程度与水泥掺量有关，水泥掺量越大，改良土的抗压及抗剪强度越大.

(2)水泥掺量变化对改良土的抗压及抗剪强度提高速率影响较大，当水泥掺量在18%～20%之间增大时，改良土抗压强度提升缓慢，当水泥掺量在10%～16%之间增大时，改良土抗剪强度提升相对较快，因此工程施工中，水泥掺量建议确定为16%左右.

(3)水泥掺量及养护龄期也是影响改良土抗剪强度指标的重要因素，水泥掺量越大或养护龄期越长，改良土粘聚力和内摩擦角越大.