新方法處理高填方黃土地基的室內(nèi)試驗研究
殷 鶴1,2，黃雪峰1,2，張彭成3，周俊鵬1,2
（1．后勤工程學院軍事土木工程系，重慶 401311;2．后勤工程學院巖土力學與地質(zhì)環(huán)境保護重慶市重點實驗室，重慶 401311;3．后勤工程學院化學與材料工程系，重慶 401311）
[摘要]結合室內(nèi)試驗提出了處理高填方黃土地基新方法的工藝流程及技術要求，并揭示了其固化機理。室內(nèi)試驗以石灰為改性材料、硫酸鈉為輔料摻入土中，對混合土料進行壓實，再對壓實土樣施加一定強度的外加電場處理。養(yǎng)護完成后對土樣進行無側限壓縮試驗、高壓固結試驗與濕陷試驗。試驗結果表明：混合土料經(jīng)電場處理后，養(yǎng)護齡期短、抗壓強度高、壓縮性低，能夠在低壓實度條件下消除濕陷性。
[關鍵詞]地基；黃土；化學改性；外加電場；試驗
[中圖分類號] TU472.5 [文章編號]1002-8498(2016)07-0092-03
0 引言
新區(qū)建于延安市寶塔區(qū)，擬造地78.5 km2，該項目是目前國內(nèi)濕陷性黃土地區(qū)規(guī)模最大的巖土工程項目，且具有填方深度大、土石方量大、建設環(huán)境復雜、影響因素多等特點。施工現(xiàn)場針對高填方黃土地基的處理主要采用機械碾壓、重錘夯實以及強夯法，且存在以下問題。
1)目前各場地填筑土采用的碾壓工藝不同，壓實系數(shù)也不同，容易造成工后填方區(qū)的不均勻沉降等問題。
2)現(xiàn)場施工單層虛鋪厚度過大，同時填土的含水率不均一且未達到最優(yōu)含水率值，導致填方壓實系數(shù)大多在0.7~0.8，達不到《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007-2011壓實系數(shù)≥0.95的要求，壓實效果難以保證。
化學改性加固方法是通過在黃土中加入化學固化材料來改善其工程特性，使其滿足實際工程需要的一種方法。水泥、石灰、粉煤灰、礦渣等傳統(tǒng)的固化材料在巖土工程中的應用非常廣泛，但普遍存在強度低、干縮性大、水穩(wěn)定性差等缺陷；外加電場處理方法最早應用于電滲排水法加固飽和軟黏土地基。李瑛、王寧偉、李一雯等分別就直流電壓、含鹽量、電極距以及電極布置形式對電滲排水效果的影響進行了研究，揭示了電滲機理，并提出了優(yōu)化方案。電滲法處理高含水量、低滲透性軟黏土地基固結速度快、安全環(huán)保，受到了廣泛關注和研究，但能耗大、合理設計計算方法缺失等問題一直制約著電滲法在實際工程中的推廣。
1 化學改性與外加電場聯(lián)合處理方法
化學改性與外加電場聯(lián)合處理是一種新型電化學固化技術，能夠在黃土高填方分層填筑過程中壓實度達不到控制標準的前提下，增強欠壓實黃土的強度、控制不均勻沉降，并有效消除其濕陷性。
1.1 施工工藝流程
1)將黃土風干、過篩，并將石灰熟化備用。
2)將篩后的黃土、熟石灰以及硫酸鈉按干質(zhì)量93:6:1的比例混合均勻，進行標準擊實試驗，得到混合物的最優(yōu)含水率和最大干密度。
3)混合料按上述比例混合均勻并按含水率略高于最優(yōu)含水率拌合后進行填筑，并以強夯法對表層虛鋪土體進行夯實。
4)均勻布置電極，對壓實混合料施加一定強度的交流電場。
5)取出電極，對電場處理后的混合料進行養(yǎng)護。
1.2 固化機理
混合土料在交流電場作用下發(fā)生如下化學反應：
反應生成物中的Na OH具有比Ca( OH)2更強的堿性，提高了孔溶液中OH -的濃度，初步加快了堿與黃土間的化學反應速率；且黃土顆粒在交流電場作用下發(fā)生極化，孔溶液中的陰、陽離子受到電場力的作用并不會向相應的電極運動，而是在土顆粒周圍做劇烈的布朗運動，陰、陽離子在黃土顆粒表面形成臨時富集，進一步提高了OH -的有效濃度；同時，在電場作用下部分電能轉化為熱能，提高了反應溫度，在臨時高濃度和高反應溫度的協(xié)同作用下，黃土內(nèi)部快速發(fā)生化學反應形成膠結物CaSO4. 2H2O。
1.3 外加電場技術要求
對地基土施加電場時采用交流電(f= 50Hz)，電極以鋼筋或鋼管的形式擊人土體，以梅花形或正方形布置，正、負極交錯相距1m。根據(jù)室內(nèi)正交試驗并得到最優(yōu)電勢梯度為10V/cm，通電時間50s。綜合考慮現(xiàn)場施工安全、設備承載能力與土質(zhì)差異，工程應用中應合理減小設計電壓，增加通電時間。
1.4 注意事項
1)由于溫度對土體電導率有很大影響，施加交流電場時應先將電壓調(diào)至設計電壓，使土體迅速升溫。在升溫過程中實時量測發(fā)電機的輸出功率與填土層的溫度，避免由于反應過于劇烈而導致填土層溫度過高。待輸出功率達到100W后緩慢降低通電電壓，使功率維持在100W左右，控制恒定的反應溫度，同時也可以降低能耗。
2)由于混合土料中的鹽在低溫干燥環(huán)境下會結晶析出，產(chǎn)生鹽脹，進行保濕養(yǎng)護可以避免土層表面發(fā)生鹽脹，且在潮濕環(huán)境下混合料會產(chǎn)生微小的體積膨脹使土體內(nèi)部結構更加致密。養(yǎng)護過程中前7d須采用對填土面澆水、噴淋等方式進行保濕養(yǎng)護，也可以在填土面處于潮濕狀態(tài)時將暴露面用麻布、草簾等保濕材料覆蓋或包裹。反應剩余的石灰在養(yǎng)護過程中繼續(xù)與黃土發(fā)生化學反應，其產(chǎn)物具有干縮性，可抵消體積膨脹，故保濕養(yǎng)護7d后可自然養(yǎng)護至28d。
2試樣制備與養(yǎng)護
試驗用黃土取自延安新區(qū)高填方回填場地，其基本物理性質(zhì)如下：天然含水率9. 9%~11. 4%，最優(yōu)含水率13. 5%，最大干密度17. 9g/cm3，塑限17. 7%，液限30.9%。黃土經(jīng)風干、碾碎并過1mm篩后，按設計的配合比與改性材料拌合均勻，并按含水率( 15 %)略高于最優(yōu)含水率配成重塑土。試樣的制備采用千斤頂靜力壓樣法，規(guī)格為三軸樣ɸ39. 1mm×80mm，環(huán)刀樣ɸ61. 8mm×20mm。脫模后按照設計的電壓與通電時間在試樣兩端施加交流電場，然后使用注意事項
2)中的方法對試樣進行養(yǎng)護。
3試驗方案與結果分析
為了驗證新技術改良黃土的效果，對比回填壓實黃土的抗壓強度、抗剪強度、壓縮性、濕陷性等工程特性進行了試驗研究，試驗按照《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB50025-2004與《土工試驗方法標準》GB/T50123-1999進行。
3.1無側限抗壓強度試驗
試驗采用SJ-1A型應變控制式三軸儀，軸向壓力加荷速率為0. 828mm/min，不加圍壓。不同干密度與不同養(yǎng)護齡期條件下試樣的無側限抗壓強度如圖1所示。
由圖1可以看出，改良黃土的無側限抗壓強度較回填壓實黃土有明顯提升，各干密度條件下改良土強度條件下均高出回填土4倍左右。且改良土在養(yǎng)護過程中，強度的形成主要發(fā)生在7 N14d，21d之后強度仍有提高，這是由于反應剩余的一部分石灰增強了改良土的后期強度。
3.2高壓固結試驗
試驗采用GDG型高壓固結儀，試樣規(guī)格為ɸ61. 8mm×20mm，分11級加載，加載順序為25，50，100 ,200 ,300 ,400 ,600, 800,1 200,1 600,2 000kPa，穩(wěn)定標準為每小時壓縮變形量<0. 01mm。不同干密度條件下試樣28d的壓縮模量如圖2所示。
土體的壓縮性可以通過壓縮模量指標來評價。Es1-2 <4MPa時為高壓縮性土，4MPa<Es1-2<15MPa時為中壓縮性土，Es1-2> 15MPa時為低壓縮性土。由圖2可以看出，回填土在低壓實度條件下壓縮性高，隨著壓實度的提高，回填土的壓縮性有所降低。而改良后各土樣的壓縮模量均> 15MPa，為低壓縮性土；且各壓實度條件下改良土的壓縮性相近，說
明新技術改良黃土地基有可能在低壓實度條件下控制工后不均勻沉降。
3.3濕陷試驗
試驗采用GDG型高壓固結儀，試樣規(guī)格和加載順序同高壓固結試驗。采用雙線法測定濕陷系數(shù)，并根據(jù)規(guī)范對浸水飽和試樣在每級荷載下的變形穩(wěn)定值進行修正。由圖3可以看出，回填壓實黃土除90%壓實度之外，其他壓實度條件下均具有濕陷性，且壓實度越小，其濕陷性越強，70%壓實度試樣峰值濕陷系數(shù)為0. 043，達到中等濕陷性標準；改良后的土樣在各壓實度條件下濕陷系數(shù)均<0.015，為非濕陷性土。
4結語
化學改性與外加電場聯(lián)合處理高填方黃土地基的方法使用傳統(tǒng)改性材料石灰、輔料硫酸鈉與黃土混合進行填筑、夯實，之后施加交流電場。該方法具有改性材料經(jīng)濟實用、施工工藝簡單、固化速率快、養(yǎng)護時間短、水穩(wěn)定性高等優(yōu)點。通過室內(nèi)試驗得到以下結論。
1)與現(xiàn)場回填壓實黃土相比，改良黃土的抗壓強度高，壓縮性低，且在荷載2 000kPa范圍內(nèi)完全消除濕陷性。
2)新方法在低壓實度條件下固化黃土效果良好，可以有效放寬高填方施工過程中對壓實、攪拌機械的要求，降低壓實成本。
3)由于理論較新，室內(nèi)試驗條件與現(xiàn)場施工條件存在一定差異，工程應用中使用的設計電壓、通電時間、電極距等電學參數(shù)有待進一步現(xiàn)場試驗探究。
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