重塑黃土高壓固結試驗研究

武雯利

(延安大學 建筑工程學院，陜西 延安 716000)

近年來，國內多個城市先后啟動了規(guī)模龐大的“上山建城”計劃，其中陜西省延安市啟動的總規(guī)模達78.5平方公里的新區(qū)建設格外引人關注。“削山建城”使得延安新區(qū)出現(xiàn)了大量的高填方工程，高填方填筑體的高度都較高，甚至能達到百米之上，這使得下覆黃土長期處于高壓之下[1]。在高填方筑體自身重量及外部荷載的影響下，下覆黃土隨時會發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此，對高壓下黃土的變形特性進行研究，顯得尤為重要。

對于天然黃土，國內外學者已經做了大量研究，且取得了很多規(guī)律性成果，而重塑黃土不同于原狀黃土，在壓實過程中使得其原有的結構和物理力學狀態(tài)發(fā)生了改變，相對來說，對于重塑黃土的研究還比較少[2-4]。本文從延安新區(qū)現(xiàn)場取得原狀土，在實驗室內模擬工程實際進行重塑，而后進行高壓固結試驗，分析出了不同含水量及不同密度下重塑土樣對黃土壓縮系數(shù)、壓縮模量等的影響，此外，還通過摻和不同量的水泥對重塑黃土進行改良，以期得到最佳的水泥摻和比。

1 試驗概況

1.1 土樣性質

試驗采用的原狀黃土于延安新區(qū)建設的工程現(xiàn)場取得，通過模擬工程實際制備了不同含水率、不同密度的重塑黃土。根據室內試驗結果可知，本次試驗過程中所用土樣為黃褐色，且結構均勻、大孔隙較多，具有一定的濕陷性。原狀土樣參數(shù)如下表1所示。

表1 原狀土樣基本物理性質

1.2 試驗方案

試驗所用儀器為YCDG型三聯(lián)高壓固結儀，以24 h為周期緩慢加載每級荷載。為了避免土樣中水分的蒸發(fā)，試驗時不僅用濕棉紗圍住加壓板四周，且調節(jié)透水石的含水率與試樣中水分相接近。試驗過程中在其它參數(shù)不變的前提下，分別制備了不同含水量、不同密度的試樣來進行高壓固結試驗，在此基礎上，還通過摻加不同比例的水泥來研究其改良狀況[5，6]，試驗方案如下表2所示。

表2 試驗方案

2 試驗結果及分析

2.1 不同含水量下土樣高壓固結試驗研究

本試驗主要做了四個不同含水量下土樣的高壓固結試驗，其中取垂直壓力在100～200 kPa變化范圍內計算的壓縮系數(shù)來反映土的壓縮性。從圖1中的壓縮曲線上可以看出，隨著含水量的增大，土樣的壓縮系數(shù)也呈現(xiàn)增大趨勢，這便說明，含水量的大小直接影響著土體壓縮性的高低，含水量越大，土樣壓縮性越大，這可能是由于黃土增濕時候黃土結構性軟化而引起的。從圖1可以看出，含水量從13%～17%變化時，孔隙比變化不是很大，而超過最優(yōu)含水量17%時，即含水量達到19%時，孔隙比變化非常大，由此可知，在高含水量下，土體的壓縮變形是十分顯著的。因此，在進行邊坡支護、地基處理時候應該尤其注意對邊坡、基坑的排水。

圖1 不同含水量下的壓縮曲線

通過對試驗數(shù)據的整理，可得豎向壓力P與壓縮系數(shù)關系曲線，從圖2可以看出，當含水量低于最優(yōu)含水量時，在相同垂直壓力的作用下，壓縮系數(shù)隨含水量增加的增長幅度不大，而當含水量大于最優(yōu)含水量大小約2%后，壓縮系數(shù)隨著含水量的增加迅速增長，因此，為了減小黃土路基的壓縮變形，在對路基壓實時，其壓實含水量盡量不應超過最優(yōu)含水量的2%。

圖2 豎向壓力P與壓縮系數(shù)關系曲線

根據試驗數(shù)據可整理出如圖3所示的孔隙比與lgP之間的關系曲線，從圖3可以看出隨著含水量的增加，壓縮指數(shù)整體呈現(xiàn)上升趨勢。在含水量為13%、15%、17%時孔隙比的變化幅度較小，而當含水量在19%時孔隙比變化較為明顯，這表明隨著含水量的增大，尤其是當含水量超過土樣最優(yōu)含水量后，土樣表現(xiàn)出較高的壓縮性。

圖3 不同含水量下e-lgP曲線圖

2.2 不同水泥摻量下土樣高壓固結試驗研究

本試驗在其它參數(shù)相同的條件下，通過改變水泥摻量來進行高壓固結試驗，以期得到最佳的水泥摻和比。制備試驗用樣的水泥摻量分別為3%、5%、7%和9%，水泥摻量=水泥質量(g)/改良土質量(g)。根據試驗數(shù)據可整理出如圖4所示的水泥土的壓縮曲線，由此可以看出，隨著水泥摻和量的增加，水泥土的壓縮系數(shù)逐漸減小，這便說明，水泥的摻加使得土體的壓縮性降低，且從圖中可以看出，當水泥摻量從3%增加到5%時、7%增加到9%時壓縮系數(shù)的降低并不明顯，而水泥摻量從5%增加到7%的時壓縮系數(shù)的降低較為顯著。

圖4 不同水泥摻量下壓縮曲線

通過對試驗數(shù)據進行整理，可得如圖5不同水泥摻量下壓縮系數(shù)的變化曲線，從圖中能夠更為直觀的觀察到，隨著水泥摻量的增加，水泥土的壓縮系數(shù)逐漸減小，且當水泥摻量為7%時，壓縮系數(shù)最小，由此可知，水泥的摻加能夠在一定程度上對黃土進行改良，將水泥摻量控制在7%左右能夠在很大程度上減小土體的壓縮性。

圖5 不同水泥摻量下壓縮系數(shù)變化曲線

圖6 不同水泥摻量下e-lgP曲線

水泥土的壓縮指數(shù)曲線如圖6，從圖6中同理可以看出隨著水泥摻量的增加水泥土的壓縮指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，在水泥摻量從3%增加到5%、7%增加到9%時壓縮指數(shù)的降低幅度較小，而水泥摻量從5%增加到7%時壓縮指數(shù)降低幅度明顯增大，因此，在進行邊坡支護、地基處理時，為了減小土體的壓縮性，在土體中摻和水泥是可行的，從試驗結果可知，將水泥摻量控制在7%左右是較為理想的狀態(tài)。

3 結論

通過以上分析，可以得出如下結論：

(1)土樣含水量較低時，壓縮系數(shù)與壓縮指數(shù)比較小，土樣表現(xiàn)出壓縮性較低且強度較高的特性，試驗所用土樣最優(yōu)含水量為17%，當含水量小于最優(yōu)含水量時，隨著含水量的增大，壓縮指數(shù)及壓縮系數(shù)增長幅度不大，當含水量達到甚至超過最優(yōu)含水量時，壓縮指數(shù)及壓縮系數(shù)迅速增長，土樣表現(xiàn)出較高的壓縮性。由此可見，在進行地基處理及黃土高填方填筑過程中應嚴格控制土體含水量，含水量應控制在最優(yōu)含水量以內，此外，還需注意由于降雨入滲所導致的土體壓縮性急劇下降。

(2)水泥改良黃土隨著黃土中水泥摻量的增加，壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)逐漸降低，水泥土表現(xiàn)出低壓縮性、高強度的特點。在水泥摻量從3%增加到5%、從7%增加到9%時的壓縮系數(shù)及壓縮指數(shù)的降低幅度相較于水泥摻量從5%增加到7%壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)的較低幅度要小很多，因此，通過摻加水泥對黃土進行改良的過程中，將水泥摻量控制在7%左右是較為理想的狀態(tài)。