武雯利
(延安大學(xué) 建筑工程學(xué)院,陜西 延安 716000)
近年來,國(guó)內(nèi)多個(gè)城市先后啟動(dòng)了規(guī)模龐大的“上山建城”計(jì)劃,其中陜西省延安市啟動(dòng)的總規(guī)模達(dá)78.5平方公里的新區(qū)建設(shè)格外引人關(guān)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(dá)到百米之上,這使得下覆黃土長(zhǎng)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(shí)會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此,對(duì)高壓下黃土的變形特性進(jìn)行研究,顯得尤為重要。
對(duì)于天然黃土,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)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(shí)過程中使得其原有的結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)狀態(tài)發(fā)生了改變,相對(duì)來說,對(duì)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(chǎng)取得原狀土,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬工程實(shí)際進(jìn)行重塑,而后進(jìn)行高壓固結(jié)試驗(yàn),分析出了不同含水量及不同密度下重塑土樣對(duì)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(duì)重塑黃土進(jìn)行改良,以期得到最佳的水泥摻和比。
試驗(yàn)采用的原狀黃土于延安新區(qū)建設(shè)的工程現(xiàn)場(chǎng)取得,通過模擬工程實(shí)際制備了不同含水率、不同密度的重塑黃土。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知,本次試驗(yàn)過程中所用土樣為黃褐色,且結(jié)構(gòu)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(zhì)
試驗(yàn)所用儀器為YCDG型三聯(lián)高壓固結(jié)儀,以24 h為周期緩慢加載每級(jí)荷載。為了避免土樣中水分的蒸發(fā),試驗(yàn)時(shí)不僅用濕棉紗圍住加壓板四周,且調(diào)節(jié)透水石的含水率與試樣中水分相接近。試驗(yàn)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(jìn)行高壓固結(jié)試驗(yàn),在此基礎(chǔ)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(yàn)方案如下表2所示。
表2 試驗(yàn)方案
本試驗(yàn)主要做了四個(gè)不同含水量下土樣的高壓固結(jié)試驗(yàn),其中取垂直壓力在100~200 kPa變化范圍內(nèi)計(jì)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(shì),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(shí)候黃土結(jié)構(gòu)性軟化而引起的。從圖1可以看出,含水量從13%~17%變化時(shí),孔隙比變化不是很大,而超過最優(yōu)含水量17%時(shí),即含水量達(dá)到19%時(shí),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(jìn)行邊坡支護(hù)、地基處理時(shí)候應(yīng)該尤其注意對(duì)邊坡、基坑的排水。
圖1 不同含水量下的壓縮曲線
通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理,可得豎向壓力P與壓縮系數(shù)關(guān)系曲線,從圖2可以看出,當(dāng)含水量低于最優(yōu)含水量時(shí),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(zhǎng)幅度不大,而當(dāng)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(zhǎng),因此,為了減小黃土路基的壓縮變形,在對(duì)路基壓實(shí)時(shí),其壓實(shí)含水量盡量不應(yīng)超過最優(yōu)含水量的2%。
圖2 豎向壓力P與壓縮系數(shù)關(guān)系曲線
根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可整理出如圖3所示的孔隙比與lgP之間的關(guān)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(shì)。在含水量為13%、15%、17%時(shí)孔隙比的變化幅度較小,而當(dāng)含水量在19%時(shí)孔隙比變化較為明顯,這表明隨著含水量的增大,尤其是當(dāng)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
本試驗(yàn)在其它參數(shù)相同的條件下,通過改變水泥摻量來進(jìn)行高壓固結(jié)試驗(yàn),以期得到最佳的水泥摻和比。制備試驗(yàn)用樣的水泥摻量分別為3%、5%、7%和9%,水泥摻量=水泥質(zhì)量(g)/改良土質(zhì)量(g)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(dāng)水泥摻量從3%增加到5%時(shí)、7%增加到9%時(shí)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(shí)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(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(dāng)水泥摻量為7%時(shí),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(duì)黃土進(jìn)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(shì),在水泥摻量從3%增加到5%、7%增加到9%時(shí)壓縮指數(shù)的降低幅度較小,而水泥摻量從5%增加到7%時(shí)壓縮指數(shù)降低幅度明顯增大,因此,在進(jìn)行邊坡支護(hù)、地基處理時(shí),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(yàn)結(jié)果可知,將水泥摻量控制在7%左右是較為理想的狀態(tài)。
通過以上分析,可以得出如下結(jié)論:
(1)土樣含水量較低時(shí),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(qiáng)度較高的特性,試驗(yàn)所用土樣最優(yōu)含水量為17%,當(dāng)含水量小于最優(yōu)含水量時(shí),隨著含水量的增大,壓縮指數(shù)及壓縮系數(shù)增長(zhǎng)幅度不大,當(dāng)含水量達(dá)到甚至超過最優(yōu)含水量時(shí),壓縮指數(shù)及壓縮系數(shù)迅速增長(zhǎng),土樣表現(xiàn)出較高的壓縮性。由此可見,在進(jìn)行地基處理及黃土高填方填筑過程中應(yīng)嚴(yán)格控制土體含水量,含水量應(yīng)控制在最優(yōu)含水量以內(nèi),此外,還需注意由于降雨入滲所導(dǎo)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(qiáng)度的特點(diǎn)。在水泥摻量從3%增加到5%、從7%增加到9%時(shí)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(duì)黃土進(jìn)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)。