夯實(shí)水泥黃土壓縮性試驗(yàn)研究

蘭曉玲,王秋生,霍飛

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,山西太谷 030801)

黃土在我國覆蓋面積約64萬km2,約占領(lǐng)土面積的6.6%[1]。由于黃土顆粒間的膠結(jié)力很弱,強(qiáng)度較低[2]。在黃土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí),很多天然地基不能滿足要求,需要進(jìn)行地基處理。

夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基作為一種新的地基處理技術(shù),具有工藝簡單、造價(jià)低、工期短、保護(hù)環(huán)境、能有效改變地基土的變形特性和提高承載力等很多優(yōu)點(diǎn)[3～8]而被認(rèn)為是一種很有前景的地基處理方法。

目前對(duì)夯實(shí)水泥土樁的試驗(yàn)研究主要集中在加固一般軟弱地基的性狀上。但由于黃土是一種特殊土,它具有結(jié)構(gòu)性、欠壓密性、非飽和性等以及特殊的化學(xué)成分使它與一般軟土的工程性狀差別較大[9,10],由此決定了夯實(shí)水泥黃土的物理力學(xué)特性與一般夯實(shí)水泥土有一定差別。本文對(duì)夯實(shí)水泥土樁處理黃土地基形成的樁體——夯實(shí)水泥黃土進(jìn)行壓縮試驗(yàn),分析了初始含水量、水泥摻入比和夯實(shí)功對(duì)夯實(shí)水泥黃土壓縮性的影響,對(duì)夯實(shí)水泥土樁在黃土地區(qū)的設(shè)計(jì)及施工等具有重要意義。

1 材料與方法

制備夯實(shí)水泥黃土的土樣取自太原東山,取土深度6.0 m左右,土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1。水泥使用太原水泥廠生產(chǎn)的獅頭牌32.5R礦渣硅酸鹽水泥。

表1 試驗(yàn)用黃土的物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical parameters of loess sample

試驗(yàn)考慮三個(gè)影響因素:夯實(shí)功W、水泥黃土中水泥摻入比aω、水泥黃土混合料的含水量 ω。其中,夯實(shí)功取三種:15擊、25擊、35擊;水泥摻入比aω定義為本次試驗(yàn)采用的aω分別為8%、12%、16%、20%;水泥黃土混合料的含水量 ω定義為ω=本次試驗(yàn)采用的 ωop分別為16%、18%、20%、22%、ωop(對(duì)五個(gè)不同含水量的混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),測得每個(gè)試樣的干密度,作出擊實(shí)曲線,求得最大干密度,對(duì)應(yīng)的含水量為最優(yōu)含水量ωop)。

根據(jù)水泥摻入比和含水量的不同配比經(jīng)不同夯實(shí)功夯實(shí)后制成環(huán)刀試樣,放入保濕皿養(yǎng)護(hù)28 d。試樣制備參照土工試驗(yàn)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123-1999。將滿足齡期的試樣取出,按照土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定步驟進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。儀器采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的WG型單杠桿(中壓)固結(jié)儀。

2 結(jié)果與分析

2.1 初始含水量對(duì)壓縮性的影響

圖1 不同初始含水量下夯實(shí)水泥黃土的抗剪強(qiáng)度Fig.1 Shear strength of compacted cement-loess at different water content

從不同初始含水量下夯實(shí)水泥黃土的抗剪強(qiáng)度(圖1)可以看出:(1)在夯實(shí)功和摻入比相同時(shí),隨著初始含水量的增大,壓縮系數(shù)先降低后增 大,在最優(yōu)含水量附近達(dá)到最小值,此時(shí)夯實(shí)水泥黃土的壓縮性最低。(2)隨著夯實(shí)功的增大,壓縮系數(shù)有減小的趨勢。

此外,從圖1還可以發(fā)現(xiàn),黃土經(jīng)水泥加固夯實(shí)后壓縮性大大降低,壓縮系數(shù)都遠(yuǎn)小于0.1 MPa-1,即都屬于低壓縮性土。而原狀黃土的壓縮系數(shù)是0.23 MPa-1,屬中壓縮性土,加固效果明顯。

2.2 水泥摻入比對(duì)壓縮性的影響

從圖1還可以看出:(1)夯實(shí)功和含水量相同時(shí),摻入比不同,水泥土的壓縮系數(shù)不同,壓縮性也不同。隨著摻入比的增大,壓縮系數(shù)越來越小,壓縮性也越來越低。(2)夯實(shí)擊數(shù)從15擊增大到35擊的過程中,摻入比的增加對(duì)壓縮系數(shù)的影響越來越明顯。夯實(shí)功較大時(shí),相同含水量下,隨著摻入比的增加,壓縮系數(shù)減小的幅度越來越大,壓縮性降低的幅度越來越大。從15擊到35擊,不同摻入比對(duì)應(yīng)的a1-2-ω曲線在相同的坐標(biāo)中分布得越來越松散,曲線上含水量相同的點(diǎn)其縱坐標(biāo)a1-2之間的差值越來越大,例如含水量為18%的點(diǎn)在不同夯實(shí)擊數(shù)下其縱坐標(biāo)之間的平均差從15擊的0.0015增大到25擊的0.0026再增大到35擊的0.0037。

2.3 夯實(shí)功對(duì)壓縮性的影響

圖2 不同夯實(shí)功下夯實(shí)水泥黃土的壓縮系數(shù)Fig.2 Compressibility coefficient of compacted cement-loess on different compactive effort

從圖2可以看出,在相同的摻入比下,隨著夯實(shí)功的增大,相同含水量對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)越來越小,壓縮性越來越低,夯實(shí)功越大,壓縮系數(shù)減小幅度越大。摻入比為12%時(shí),含水量為18%的點(diǎn)在a1-2-ω曲線上其縱坐標(biāo)之間的差從15擊到25擊時(shí)為0.0028,從25擊到35擊時(shí)為0.0136。

3 討論

(1)水泥是無機(jī)膠凝材料,它在水泥黃土中起固結(jié)黃土、填充孔隙的主要作用,是水泥黃土壓縮性降低的基礎(chǔ),所以水泥摻量是影響水泥黃土壓縮性最活躍的因素。在其它條件基本相同時(shí),水泥摻量越高,水泥固結(jié)黃土的能力越強(qiáng),壓縮性也越低。但在實(shí)際工程中,考慮到工程成本,水泥摻入比不應(yīng)一味地增大,而應(yīng)依工程需要通過試驗(yàn)確定,但當(dāng)滿足工程要求而確定的水泥摻量過大時(shí),應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)分析判斷合理與否。當(dāng)水泥摻入比小于5%時(shí),水泥與土的反應(yīng)過弱,固化程度甚微。水泥摻入比超過一定數(shù)量時(shí),水泥的有效利用率減小,成本增加幅度較大。在工程應(yīng)用上建議取aω=(7～20)%。

(2)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)了一些不足,試樣制備時(shí)水泥黃土試樣的不均勻性是試驗(yàn)中存在的最大問題,必然直接影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)于同一試樣中所取的環(huán)刀試樣,將其密度差值控制在0.03 g·cm-3范圍之內(nèi),以減少由于試樣的不均勻所帶來的影響,但實(shí)際上仍然無法完全消除這種影響。此外,壓縮試驗(yàn)所采用的環(huán)刀試樣體積較小,因此儀器邊界的影響對(duì)試樣的影響較大。例如,由于試樣的表面平整度不夠以及透水石和儀器周壁接觸不夠緊密,這些都將對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成不可避免的誤差。

4 結(jié)論

黃土經(jīng)水泥加固夯實(shí)后壓縮性大大降低;壓縮系數(shù)隨著初始含水量的增大先降低后增大,在最優(yōu)含水量附近達(dá)到最小值,此時(shí)夯實(shí)水泥黃土的壓縮性最低;壓縮系數(shù)隨著摻入比的增大越來越小,壓縮性也越來越低,夯實(shí)功越大,摻入比對(duì)壓縮系數(shù)的影響越明顯;壓縮系數(shù)隨著夯實(shí)功的增大呈減小的趨勢,夯實(shí)功越大,壓縮系數(shù)減小幅度越大。

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