陈俊
陕西平安建筑工程有限公司 西安 710054
摘要：本文通过振陷试验研究陕北淤泥质黄土振陷规律，并对比分析石灰改良与水泥改良的效果，最后利用计算机模拟分析不同处治技术下淤泥质黄土地基承载力与沉降之间的关系，为解决类似岩土工程问题提供理论基础。
关键词：淤泥质黄土；地基处理；化学改良；数值模拟
0 引言
目前，王俊等[1]采用地质力学模型试验方法进行了地下水入渗基底软弱黄土层的模拟试验，研究了分级填筑、软弱基底以及饱水条件下黄土基底排土场边坡裂缝开展和发育特征以及边坡破裂面的空间形态特点。黄英豪等[2]发现，固化淤泥压缩特性的最大特点是存在固结屈服应力，固化淤泥的固结屈服应力随水泥量增加线性增大，龄期越长、含水率越低固结屈服应力越大。马学宁等[3]研究了水泥改良黄土的击实、压缩、强度以及列车重复荷载作用下动力学特性，并论证了水泥改良黄土作为高速铁路路基基床底层填料的可行性。
1 工程地质
研究区地处陕北南部，属于典型继承型或继承、侵蚀混合型黄土梁峁区，在河流长期侵蚀切割作用下形成地势高、边坡陡的梁峁与冲沟并存地貌，碎屑物在沟底低洼区与沟口堆积形成淤泥质黄土。
相较于沿海地区软土，西北地区淤泥质软弱黄土一般分布面积小，成分复杂，工程性质差，在工程实践中多采用换填处置方式，因此，工程界对淤泥质黄土的性质研究较少，特别是高压及动荷载作用下淤泥质黄土的性质研究更是罕见，使得大体积淤泥质黄土地基处理成为难题。随着城镇化建设步伐逐步加快，填筑高度高、填方面积大成为当今及未来的发展趋势，对淤泥质黄土物理力学性质及处置技术的研究已迫在眉睫。
2 振陷试验研究
淤泥质黄土在动荷载作用下具有黏弹塑性流变力学特性，引起土体密度增大、孔隙减小、地面沉降。研究发现，地基处理期间不同机械动荷载作用下，淤泥质黄土在宏观上呈现出不同的受力与变形关系。因此，为了研究不同施工工艺对淤泥质黄土地基的处置效果，本文采用GDS高级动态三轴测试系统分析淤泥质黄土在动载下的沉降变形特征。该试验系统通过加载活塞上下运动来实现将任意波形的轴向荷载施加到试样上。
2.1 试样加压与加载
根据板式无碴轨道动力模型试验，获得表1板式无砟轨道动力衰减试验数据。
表1 板式无砟轨道动力衰减试验数据
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对表1数据拟合得到沿地基深度方向的衰减曲线公式：
（1）
式中，—衰减系数；—地基深度。
从公式（1）可以看出，动力荷载在土体中的传播能力。对比分析后，利用动三轴制样器将研究区典型淤泥质黄土配制成直径70mm、高140mm标准柱体试样。
动荷载研究方面，日本东海道新干线及铁科院给出动荷载计算系数经验公式：
（2）
式中，
—中活载，KN；
—列车时速，km/h。
假设动荷载在基础板上为均布荷载，取路基板宽度3.0m，荷载纵向作用面积7.0m。将公式（1）、（2）联立，确定出动应力与围压之间的关系。试样含水率15%，干密度1.75g/cm3，试验动力参数如表2所示。
表2 振陷试验参数
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3 淤泥质黄土化学改良
黄土化学改良是黄土改良的一种，通过化学反应改变影响土体固有成分，降低土塑性，增大土的内摩擦角和粘聚力，有效提高土体的抗剪强度指标。一般有机高分子固化效果较好，但成本较高，故结合实际本试验采用水泥、石灰改良淤泥质黄土。
3.1 试验制备
本试验欲探讨不同掺量的水泥、石灰后，改良淤积土的物理力学性质的变化规律。试验前将复合硅酸盐水泥P·C 32.5、石灰以及烘干后粉碎的土过0.5mm的筛。试验严格依照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）进行，改良土固化剂水泥、石灰掺量如表3：
表3 改良土固化剂掺量表
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在土中掺入水泥、石灰后，在水的作用下与黄土中的土颗粒、土中气发生一系列复杂的物理与化学反应，在这两方面的共同作用下对土的含水率及压缩性将发生变化，本研究通过界限含水率作为改良效果的评判标准。
3.2 界限含水量对比分析
黄土本身对水的敏感性较强，测定黄土的液塑限及塑性指数，可以有效地判定土体与水的结合程度及在不同含水率条件下的稳定性，从而间接地反映土的力学性质。
在黄土填料中加入一定量的水泥或石灰后，黄土与固化剂发生强烈的相互作用，离子交换作用使得细粘颗粒形成团粒结构，形成一定的胶结物，其比表面积增大，吸收的水分也相应的增加，塑性指数减小，塑性显著降低，亲水性大大减弱，从而增强了改良土的稳定性。
3.3 压缩固结试验对比分析
对淤泥质黄土改良养护14天后，采用GZQ-1型固结仪施加压力，每一级压力为25 KPa、50 KPa、100 KPa、200KPa。水泥和石灰改良黄土压缩系数均随固化剂掺量增大而减小，石灰掺量大于10%以后，改良黄土的压缩系数随固化剂掺量增大的减小速度逐渐降低，水泥掺量在2~6%，水泥改良黄土的压缩系数随掺量增加其减小速度有所放缓。
水泥掺量小于5%时，改良土的压缩模量基本不随掺量增大而发生明显变化，当掺量大于5%后，改良土的压缩模量随掺量增大而剧烈增大，在5%处出现了压缩模量拐点。
4 改良效果模拟研究
不同的地基处理技术对淤泥质黄土的地基的改良效果不尽相同，软土地基常用的处理方法有排水固结法、水泥土搅拌法、强夯法、振冲碎石法等。本文将采用Midas/GTS计算机数值模拟分析淤泥质黄土振陷、化学改良得到的结论与不同地基处理施工工艺相结合，通过对比分析，找出一套较为经济、合理的的淤泥质黄土地基处理技术。
模拟采用摩尔库仑强度准则，建立了3个独立的2m×2m×3m模型，模型1选用盲沟排水固结法、模型2为对试验，对淤泥质黄土不做特殊处理（正常排水固结法），模型3为砂井排水固结法，混合掺料较单一掺料效果更好，淤泥质黄土垫层选用掺量为2%水泥、10%石灰改良。网格采用实体单元，由内及外发散，地面支撑边界形式。荷载分为三种，分别为自重，70KPa的动应力荷载，施加在垫层上部竖直向下100KN/m2的均布荷载（以模拟上部填方荷载）。
5 结论
（1）通过对淤泥质黄土的振陷规律研究，得到了动应力荷载、振次与沉降量之间的关系，当动应力达到70KPa，地基处理效果较好，振次超过6000次时，累计沉降量增速开始降低。
（2）对比分析了水泥和石灰对淤泥质黄土的改良效果，确定了水泥改良和石灰改良经济、合理的配比分别为2%和10%左右。
（3）利用三维数值模拟方法，对比分析了一般不做特殊处理的固结排水法、盲沟固结排水法和砂井固结排水法在处理淤泥质黄土地基的效果，发现通过设置盲沟和砂井不仅有助于淤泥质黄土的排水效果，降低地基沉降量，还可以改变改善地基的受力状况。为类似淤泥质黄土地基处理提供了参考依据。
参考文献
[1]王俊,孙书伟,陈冲.饱和黄土基底排土场地质力学模型试验研究[J].煤炭学报,2014,39(5):861-867
[2]黄英豪,朱伟,周宣兆等.固化淤泥压缩特性的试验研究[J].岩土力学,2012,33(2):2923~2928
[3]马学宁,梁波.水泥改良黄土力学特性试验研究[J].岩土工程技术2005,19(5):241~244