新方法处理高填方黄土地基的室内试验研究

 殷  鹤1,2，黄雪峰1,2，张彭成3，周俊鹏1,2

（1．后勤工程学院军事土木工程系，重庆  401311;2．后勤工程学院岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室，重庆  401311;3．后勤工程学院化学与材料工程系，重庆  401311）

[摘要]结合室内试验提出了处理高填方黄土地基新方法的工艺流程及技术要求，并揭示了其固化机理。室内试验以石灰为改性材料、硫酸钠为辅料掺入土中，对混合土料进行压实，再对压实土样施加一定强度的外加电场处理。养护完成后对土样进行无侧限压缩试验、高压固结试验与湿陷试验。试验结果表明：混合土料经电场处理后，养护龄期短、抗压强度高、压缩性低，能够在低压实度条件下消除湿陷性。

[关键词]地基；黄土；化学改性；外加电场；试验

[中图分类号]  TU472.5 [文章编号]1002-8498(2016)07-0092-03

0  引言

 新区建于延安市宝塔区，拟造地78.5 km2，该项目是目前国内湿陷性黄土地区规模最大的岩土工程项目，且具有填方深度大、土石方量大、建设环境复杂、影响因素多等特点。施工现场针对高填方黄土地基的处理主要采用机械碾压、重锤夯实以及强夯法，且存在以下问题。

 1)目前各场地填筑土采用的碾压工艺不同，压实系数也不同，容易造成工后填方区的不均匀沉降等问题。

 2)现场施工单层虚铺厚度过大，同时填土的含水率不均一且未达到最优含水率值，导致填方压实系数大多在0.7~0.8，达不到《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011压实系数≥0.95的要求，压实效果难以保证。

 化学改性加固方法是通过在黄土中加入化学固化材料来改善其工程特性，使其满足实际工程需要的一种方法。水泥、石灰、粉煤灰、矿渣等传统的固化材料在岩土工程中的应用非常广泛，但普遍存在强度低、干缩性大、水稳定性差等缺陷；外加电场处理方法最早应用于电渗排水法加固饱和软黏土地基。李瑛、王宁伟、李一雯等分别就直流电压、含盐量、电极距以及电极布置形式对电渗排水效果的影响进行了研究，揭示了电渗机理，并提出了优化方案。电渗法处理高含水量、低渗透性软黏土地基固结速度快、安全环保，受到了广泛关注和研究，但能耗大、合理设计计算方法缺失等问题一直制约着电渗法在实际工程中的推广。

1  化学改性与外加电场联合处理方法

 化学改性与外加电场联合处理是一种新型电化学固化技术，能够在黄土高填方分层填筑过程中压实度达不到控制标准的前提下，增强欠压实黄土的强度、控制不均匀沉降，并有效消除其湿陷性。

1.1  施工工艺流程

 1)将黄土风干、过筛，并将石灰熟化备用。

 2)将筛后的黄土、熟石灰以及硫酸钠按干质量93:6:1的比例混合均匀，进行标准击实试验，得到混合物的最优含水率和最大干密度。

 3)混合料按上述比例混合均匀并按含水率略高于最优含水率拌合后进行填筑，并以强夯法对表层虚铺土体进行夯实。

 4)均匀布置电极，对压实混合料施加一定强度的交流电场。

 5)取出电极，对电场处理后的混合料进行养护。

1.2  固化机理

 混合土料在交流电场作用下发生如下化学反应：

 反应生成物中的Na OH具有比Ca( OH)2更强的碱性，提高了孔溶液中OH -的浓度，初步加快了碱与黄土间的化学反应速率；且黄土颗粒在交流电场作用下发生极化，孔溶液中的阴、阳离子受到电场力的作用并不会向相应的电极运动，而是在土颗粒周围做剧烈的布朗运动，阴、阳离子在黄土颗粒表面形成临时富集，进一步提高了OH -的有效浓度；同时，在电场作用下部分电能转化为热能，提高了反应温度，在临时高浓度和高反应温度的协同作用下，黄土内部快速发生化学反应形成胶结物CaSO4. 2H2O。

1.3  外加电场技术要求

 对地基土施加电场时采用交流电(f= 50Hz)，电极以钢筋或钢管的形式击人土体，以梅花形或正方形布置，正、负极交错相距1m。根据室内正交试验并得到最优电势梯度为10V/cm，通电时间50s。综合考虑现场施工安全、设备承载能力与土质差异，工程应用中应合理减小设计电压，增加通电时间。

1.4  注意事项

 1)由于温度对土体电导率有很大影响，施加交流电场时应先将电压调至设计电压，使土体迅速升温。在升温过程中实时量测发电机的输出功率与填土层的温度，避免由于反应过于剧烈而导致填土层温度过高。待输出功率达到100W后缓慢降低通电电压，使功率维持在100W左右，控制恒定的反应温度，同时也可以降低能耗。

 2)由于混合土料中的盐在低温干燥环境下会结晶析出，产生盐胀，进行保湿养护可以避免土层表面发生盐胀，且在潮湿环境下混合料会产生微小的体积膨胀使土体内部结构更加致密。养护过程中前7d须采用对填土面浇水、喷淋等方式进行保湿养护，也可以在填土面处于潮湿状态时将暴露面用麻布、草帘等保湿材料覆盖或包裹。反应剩余的石灰在养护过程中继续与黄土发生化学反应，其产物具有干缩性，可抵消体积膨胀，故保湿养护7d后可自然养护至28d。

2试样制备与养护

 试验用黄土取自延安新区高填方回填场地，其基本物理性质如下：天然含水率9. 9%~11. 4%，最优含水率13. 5%，最大干密度17. 9g/cm3，塑限17. 7%，液限30.9%。黄土经风干、碾碎并过1mm筛后，按设计的配合比与改性材料拌合均匀，并按含水率( 15 %)略高于最优含水率配成重塑土。试样的制备采用千斤顶静力压样法，规格为三轴样ɸ39. 1mm×80mm，环刀样ɸ61. 8mm×20mm。脱模后按照设计的电压与通电时间在试样两端施加交流电场，然后使用注意事项

2)中的方法对试样进行养护。

3试验方案与结果分析

 为了验证新技术改良黄土的效果，对比回填压实黄土的抗压强度、抗剪强度、压缩性、湿陷性等工程特性进行了试验研究，试验按照《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004与《土工试验方法标准》GB/T50123-1999进行。

3.1无侧限抗压强度试验

 试验采用SJ-1A型应变控制式三轴仪，轴向压力加荷速率为0. 828mm/min，不加围压。不同干密度与不同养护龄期条件下试样的无侧限抗压强度如图1所示。

由图1可以看出，改良黄土的无侧限抗压强度较回填压实黄土有明显提升，各干密度条件下改良土强度条件下均高出回填土4倍左右。且改良土在养护过程中，强度的形成主要发生在7 N14d，21d之后强度仍有提高，这是由于反应剩余的一部分石灰增强了改良土的后期强度。

3.2高压固结试验

 试验采用GDG型高压固结仪，试样规格为ɸ61. 8mm×20mm，分11级加载，加载顺序为25，50，100 ,200 ,300 ,400 ,600, 800,1 200,1 600,2 000kPa，稳定标准为每小时压缩变形量<0. 01mm。不同干密度条件下试样28d的压缩模量如图2所示。

 土体的压缩性可以通过压缩模量指标来评价。Es1-2 <4MPa时为高压缩性土，4MPa<Es1-2<15MPa时为中压缩性土，Es1-2> 15MPa时为低压缩性土。由图2可以看出，回填土在低压实度条件下压缩性高，随着压实度的提高，回填土的压缩性有所降低。而改良后各土样的压缩模量均> 15MPa，为低压缩性土；且各压实度条件下改良土的压缩性相近，说

明新技术改良黄土地基有可能在低压实度条件下控制工后不均匀沉降。

3.3湿陷试验

 试验采用GDG型高压固结仪，试样规格和加载顺序同高压固结试验。采用双线法测定湿陷系数，并根据规范对浸水饱和试样在每级荷载下的变形稳定值进行修正。由图3可以看出，回填压实黄土除90%压实度之外，其他压实度条件下均具有湿陷性，且压实度越小，其湿陷性越强，70%压实度试样峰值湿陷系数为0. 043，达到中等湿陷性标准；改良后的土样在各压实度条件下湿陷系数均<0.015，为非湿陷性土。

4结语

 化学改性与外加电场联合处理高填方黄土地基的方法使用传统改性材料石灰、辅料硫酸钠与黄土混合进行填筑、夯实，之后施加交流电场。该方法具有改性材料经济实用、施工工艺简单、固化速率快、养护时间短、水稳定性高等优点。通过室内试验得到以下结论。

 1)与现场回填压实黄土相比，改良黄土的抗压强度高，压缩性低，且在荷载2 000kPa范围内完全消除湿陷性。

 2)新方法在低压实度条件下固化黄土效果良好，可以有效放宽高填方施工过程中对压实、搅拌机械的要求，降低压实成本。

 3)由于理论较新，室内试验条件与现场施工条件存在一定差异，工程应用中使用的设计电压、通电时间、电极距等电学参数有待进一步现场试验探究。