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 殷  鶴1,2，黃雪峰1,2，張彭成3，周俊鵬1,2

（1．后勤工程學(xué)院軍事土木工程系，重慶  401311;2．后勤工程學(xué)院巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶  401311;3．后勤工程學(xué)院化學(xué)與材料工程系，重慶  401311）

[摘要]結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)提出了處理高填方黃土地基新方法的工藝流程及技術(shù)要求，并揭示了其固化機(jī)理。室內(nèi)試驗(yàn)以石灰為改性材料、硫酸鈉為輔料摻入土中，對(duì)混合土料進(jìn)行壓實(shí)，再對(duì)壓實(shí)土樣施加一定強(qiáng)度的外加電場(chǎng)處理。養(yǎng)護(hù)完成后對(duì)土樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)、高壓固結(jié)試驗(yàn)與濕陷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：混合土料經(jīng)電場(chǎng)處理后，養(yǎng)護(hù)齡期短、抗壓強(qiáng)度高、壓縮性低，能夠在低壓實(shí)度條件下消除濕陷性。

[關(guān)鍵詞]地基；黃土；化學(xué)改性；外加電場(chǎng)；試驗(yàn)

[中圖分類(lèi)號(hào)]  TU472.5 [文章編號(hào)]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(xiàng)目是目前國(guó)內(nèi)濕陷性黃土地區(qū)規(guī)模最大的巖土工程項(xiàng)目，且具有填方深度大、土石方量大、建設(shè)環(huán)境復(fù)雜、影響因素多等特點(diǎn)。施工現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)高填方黃土地基的處理主要采用機(jī)械碾壓、重錘夯實(shí)以及強(qiáng)夯法，且存在以下問(wèn)題。

 1)目前各場(chǎng)地填筑土采用的碾壓工藝不同，壓實(shí)系數(shù)也不同，容易造成工后填方區(qū)的不均勻沉降等問(wèn)題。

 2)現(xiàn)場(chǎng)施工單層虛鋪厚度過(guò)大，同時(shí)填土的含水率不均一且未達(dá)到最優(yōu)含水率值，導(dǎo)致填方壓實(shí)系數(shù)大多在0.7~0.8，達(dá)不到《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011壓實(shí)系數(shù)≥0.95的要求，壓實(shí)效果難以保證。

 化學(xué)改性加固方法是通過(guò)在黃土中加入化學(xué)固化材料來(lái)改善其工程特性，使其滿(mǎn)足實(shí)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(yīng)用非常廣泛，但普遍存在強(qiáng)度低、干縮性大、水穩(wěn)定性差等缺陷；外加電場(chǎng)處理方法最早應(yīng)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(duì)電滲排水效果的影響進(jìn)行了研究，揭示了電滲機(jī)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(jié)速度快、安全環(huán)保，受到了廣泛關(guān)注和研究，但能耗大、合理設(shè)計(jì)計(jì)算方法缺失等問(wèn)題一直制約著電滲法在實(shí)際工程中的推廣。

1  化學(xué)改性與外加電場(chǎng)聯(lián)合處理方法

 化學(xué)改性與外加電場(chǎng)聯(lián)合處理是一種新型電化學(xué)固化技術(shù)，能夠在黃土高填方分層填筑過(guò)程中壓實(shí)度達(dá)不到控制標(biāo)準(zhǔn)的前提下，增強(qiáng)欠壓實(shí)黃土的強(qiáng)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(fēng)干、過(guò)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，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(jìn)行填筑，并以強(qiáng)夯法對(duì)表層虛鋪土體進(jìn)行夯實(shí)。

 4)均勻布置電極，對(duì)壓實(shí)混合料施加一定強(qiáng)度的交流電場(chǎng)。

 5)取出電極，對(duì)電場(chǎng)處理后的混合料進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.2  固化機(jī)理

 混合土料在交流電場(chǎng)作用下發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

 反應(yīng)生成物中的Na OH具有比Ca( OH)2更強(qiáng)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(xué)反應(yīng)速率；且黃土顆粒在交流電場(chǎng)作用下發(fā)生極化，孔溶液中的陰、陽(yáng)離子受到電場(chǎng)力的作用并不會(huì)向相應(yīng)的電極運(yùn)動(dòng)，而是在土顆粒周?chē)�做劇烈的布朗運(yùn)動(dòng)，陰、陽(yáng)離子在黃土顆粒表面形成臨時(shí)富集，進(jìn)一步提高了OH -的有效濃度；同時(shí)，在電場(chǎng)作用下部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，提高了反應(yīng)溫度，在臨時(shí)高濃度和高反應(yīng)溫度的協(xié)同作用下，黃土內(nèi)部快速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成膠結(jié)物CaSO4. 2H2O。

1.3  外加電場(chǎng)技術(shù)要求

 對(duì)地基土施加電場(chǎng)時(shí)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(fù)極交錯(cuò)相距1m。根據(jù)室內(nèi)正交試驗(yàn)并得到最優(yōu)電勢(shì)梯度為10V/cm，通電時(shí)間50s。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工安全、設(shè)備承載能力與土質(zhì)差異，工程應(yīng)用中應(yīng)合理減小設(shè)計(jì)電壓，增加通電時(shí)間。

1.4  注意事項(xiàng)

 1)由于溫度對(duì)土體電導(dǎo)率有很大影響，施加交流電場(chǎng)時(shí)應(yīng)先將電壓調(diào)至設(shè)計(jì)電壓，使土體迅速升溫。在升溫過(guò)程中實(shí)時(shí)量測(cè)發(fā)電機(jī)的輸出功率與填土層的溫度，避免由于反應(yīng)過(guò)于劇烈而導(dǎo)致填土層溫度過(guò)高。待輸出功率達(dá)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(yīng)溫度，同時(shí)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(huì)結(jié)晶析出，產(chǎn)生鹽脹，進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)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(huì)產(chǎn)生微小的體積膨脹使土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密。養(yǎng)護(hù)過(guò)程中前7d須采用對(duì)填土面澆水、噴淋等方式進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，也可以在填土面處于潮濕狀態(tài)時(shí)將暴露面用麻布、草簾等保濕材料覆蓋或包裹。反應(yīng)剩余的石灰在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中繼續(xù)與黃土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)物具有干縮性，可抵消體積膨脹，故保濕養(yǎng)護(hù)7d后可自然養(yǎng)護(hù)至28d。

2試樣制備與養(yǎng)護(hù)

 試驗(yàn)用黃土取自延安新區(qū)高填方回填場(chǎng)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(fēng)干、碾碎并過(guò)1mm篩后，按設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的電壓與通電時(shí)間在試樣兩端施加交流電場(chǎng)，然后使用注意事項(xiàng)

2)中的方法對(duì)試樣進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

3試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

 為了驗(yàn)證新技術(shù)改良黃土的效果，對(duì)比回填壓實(shí)黃土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、壓縮性、濕陷性等工程特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)按照《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB50025-2004與《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123-1999進(jìn)行。

3.1無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

 試驗(yàn)采用SJ-1A型應(yīng)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(hù)齡期條件下試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

由圖1可以看出，改良黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較回填壓實(shí)黃土有明顯提升，各干密度條件下改良土強(qiáng)度條件下均高出回填土4倍左右。且改良土在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，強(qiáng)度的形成主要發(fā)生在7 N14d，21d之后強(qiáng)度仍有提高，這是由于反應(yīng)剩余的一部分石灰增強(qiáng)了改良土的后期強(qiáng)度。

3.2高壓固結(jié)試驗(yàn)

 試驗(yàn)采用GDG型高壓固結(jié)儀，試樣規(guī)格為ɸ61. 8mm×20mm，分11級(jí)加載，加載順序?yàn)?5，50，100 ,200 ,300 ,400 ,600, 800,1 200,1 600,2 000kPa，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)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(guò)壓縮模量指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。Es1-2 <4MPa時(shí)為高壓縮性土，4MPa<Es1-2<15MPa時(shí)為中壓縮性土，Es1-2> 15MPa時(shí)為低壓縮性土。由圖2可以看出，回填土在低壓實(shí)度條件下壓縮性高，隨著壓實(shí)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(shí)度條件下改良土的壓縮性相近，說(shuō)

明新技術(shù)改良黃土地基有可能在低壓實(shí)度條件下控制工后不均勻沉降。

3.3濕陷試驗(yàn)

 試驗(yàn)采用GDG型高壓固結(jié)儀，試樣規(guī)格和加載順序同高壓固結(jié)試驗(yàn)。采用雙線(xiàn)法測(cè)定濕陷系數(shù)，并根據(jù)規(guī)范對(duì)浸水飽和試樣在每級(jí)荷載下的變形穩(wěn)定值進(jìn)行修正。由圖3可以看出，回填壓實(shí)黃土除90%壓實(shí)度之外，其他壓實(shí)度條件下均具有濕陷性，且壓實(shí)度越小，其濕陷性越強(qiáng)，70%壓實(shí)度試樣峰值濕陷系數(shù)為0. 043，達(dá)到中等濕陷性標(biāo)準(zhǔn)；改良后的土樣在各壓實(shí)度條件下濕陷系數(shù)均<0.015，為非濕陷性土。

4結(jié)語(yǔ)

 化學(xué)改性與外加電場(chǎng)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(jìn)行填筑、夯實(shí)，之后施加交流電場(chǎng)。該方法具有改性材料經(jīng)濟(jì)實(shí)用、施工工藝簡(jiǎn)單、固化速率快、養(yǎng)護(hù)時(shí)間短、水穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到以下結(jié)論。

 1)與現(xiàn)場(chǎng)回填壓實(shí)黃土相比，改良黃土的抗壓強(qiáng)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(shí)度條件下固化黃土效果良好，可以有效放寬高填方施工過(guò)程中對(duì)壓實(shí)、攪拌機(jī)械的要求，降低壓實(shí)成本。

 3)由于理論較新，室內(nèi)試驗(yàn)條件與現(xiàn)場(chǎng)施工條件存在一定差異，工程應(yīng)用中使用的設(shè)計(jì)電壓、通電時(shí)間、電極距等電學(xué)參數(shù)有待進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)探究。