第１５卷第２８期２０１５年ｌｏ月
１６７ｌ一１８１５（２０１５）２８－０１９１．０６
科学技术与工程
ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ＶｏＩ。１５Ｎｏ．２８Ｏｃｔ．２０１５
＠２０１５
Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．
建筑技术
改性黄土垂直方向毛细水上升作用研究
李先瑞１
李晓媛２王圣麟２
（临沂市规划建筑设计研究院１，临沂２７６０００；兰州大学土木工程与力学学院２，兰州７３００００）
摘要黄土中极易发生毛细水上升的现象，毛细水的上升作用会影响黄土的含水率、强度和土体的结构，造成土体稳定性下降，弱化黄土地基。石灰和水泥作为常用的改性材料被广泛应用于黄土改良。试验研究了黄土以及石灰、水泥不同配比下的改性黄土在毛细水上升作用５０ｄ过程中的含水率变化，推算出毛细水在黄土和改性黄土中上升高度和速率，以及５０ｄ后密
度、干密度及无侧限抗压强度等参数的变化规律。评估了３％石灰改性土、５％石灰改性土和３％水泥改性土改善黄土中毛细水上升作用的可行性；并对三者的改性作用进行比较。试验结果表明：三种改性土都可以有效地减缓毛细水上升高度和速度（从黄土的１６０ｃｍ最低降低到６０ｃｍ左右），提高强度（水泥土５０ｄ后土水接触面处试件无侧限抗压强度为Ｏ．８６ＭＰａ，为同高度处黄土强度值的３倍）和密度。试验最后得出，石灰能够有效降低土体内的含水率，且随着含量的增加，吸水作用越明显。而水泥对于土体内部结构的改性作用更大，提升土体强度和遇水稳定性，阻碍毛细水上升作用显著。
关键词石灰
水泥
改性黄土密庹无侧限抗压强度
中图法分类号ＴＵ４４４；文献标志码Ｂ
我国西北地区广泛分布发育着黄土。由于表层第四纪黄土及马兰黄土具有垂直管状孑Ｌ隙、颗粒级配差和结构松散等特点…，使得黄土颗粒间胶结强度低，具有湿陷性旧Ｊ。因此当黄土作为建筑地基填土时容易发生透水和失稳等现象，严重威胁人民群众的生产和生活。非饱和粉土中基质吸力造成毛细水的上升，改变地基体积含水量和土水特征曲线旧Ｊ，进而影响地基土强度和水稳性【４Ｊ，伴随着冻融作用，造成道路的翻浆和路基变形＂］。
为了研究毛细水上升问题，海森（Ａ．Ｈａｚｅｎ）最早给出了上升高度的经验公式；赵明华哺１得出砂土毛细水经验公式并在路基土中观察地下水位和毛细水上升的关系；刘杰＂Ｊ、王生平旧１对非饱和土地基进行了数值模拟，发现饱和渗透系数、级配及初始含水率等因素影响着非饱和土地基中毛细水上升的高度和速度。ｓ．ｇａｒｅｎ【，１通过土工合成材料抑制毛细水上升进而降低冻胀作用；Ｍ．Ａｒｒｏｙｏ【９１利用水泥改性粉质亚砂微观孔隙，抑制基质吸力和毛细水作用；董金梅¨驯将高分子材料改性粉土，测定毛细水上升的时间；朱志铎¨川则在粉土地基中设置不同掺人比的灰土垫层，隔绝毛细水的上升作用。
水泥与黄土接触后，水泥颗粒表面的矿物很快
２０１５年６月３０日收到
第一作者简介：李先瑞（１９６９一），女。研究方向：建筑工程、结构工程及岩土工程。Ｅ・ｍａｉｌ：ｗａｎｇ，ｓｈｌｌ２＠Ｉｚｕ。ｅｄｕ．ｏｒ／。
与黄土中的水形成水解和水化反应，生成Ｃａ（ＯＨ）：以及ＣＳＨ等水化物，形成胶体。随着时间的推移，水泥与土粒相互连结组成难以彼此分辨的致密空间网状结构，使得水泥土具有理想的强度、水稳性和耐久性。生石灰的主要化学成分为氧化钙（ＣａＯ），将石灰与黄土拌合后，其与黄土中水产生吸水放热反应、离子交换反应、火山灰作用、碳酸化反应等一系列水化反应及物理化学反应，反应过后，黏土颗粒结合水膜变薄，黏土胶粒絮凝，生成的晶体Ｃａ（ＯＨ）：和含水硅铝酸钙等或充填于土颗粒孔隙之中，或连结松散的黄土颗粒，致使石灰改良土的强度得到增大，水稳性得到提高¨２｜。
本次试验主要的研究内容在于利用不同掺合比下的水泥和石灰改性压实黄土来模拟建筑地基土中常用的灰土垫层，在等水位条件下测定毛细水上升速率和高度，以及上升过程后性质变化，为工程中估测毛细水上升的影响提供试验依据。
黄土采集及制样过程
黄土取样地点为甘肃省兰州市九州台黄土剖面，该剖面坐落于寒武系皋兰群变质岩和第三系红层的不整合面之上。由于河西地区尘暴气流作用和兰州三面环山的特殊地形阻隔作用，使得兰州成为西北地区黄土堆积厚度最高的地区。试验得黄土的基本物理参数见表１。
试验所用水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为
４２．５
ＭＰａ。所用石灰为粉末状晶体ＣａＯ，其中活性
科学技术与工程
１５卷
ＣａＯ含量大于９８％，灼烧失重小于２％。
试验时首先将烘干黄土以及所需ＣａＯ粉末和水泥干粉过２ｍｍ的筛。配置黄土及石灰改性黄土试样时，将黄土或石灰改性黄土以最优含水率（１５．９％）加入去离子水，用搅拌器拌匀之后静置一昼夜，此方法旨在使改性黄土试件中的水分布均匀。而配置水泥改性黄土试样时，将过筛后的混合土先拌匀，而后加入水快速制样，防止试样因为水泥水化
而难以成型。
试验设计的
试样模型如图１
表１试验黄土基本物理性质
Ｔａｂｌｅ１
Ｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌｏｅｓｓｓｏｉｌｓ
所示，试件采用的塑料套筒拼接的方式：每个套筒内径１４．５ｃｍ，高度２５．０
指标相对密度Ｇ。最优含水量”ｏＰ／％
最大干密度Ｐｄ。。／（ｇ・ｃｍ。）
数值
２．７１１５．９
图１试样模型与制样过程
Ｆｉｇ．１
Ｔｅｓｔｍｏｄｅｌａｎｄｓａｍｐｌｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ
ｃｍ，筒壁上每隔
５ｃｍ留有一小孔，用来取土测量该高度试样含水率。每个试样需要８个套筒，每两个套筒之间垫有垫圈并用法兰盘连接。图Ｉ所示的是一个套筒试件压样完成后的情况。整个试件由总高２００ｃｍ的固化土构成。试验时首先将最底部套筒放置于干燥的水槽之中，试样下部铺设透水石层。黄土及固化黄土按照含水率ｗ＝ｗ。，＝１５．９％及干密度Ｐ。＝ｐｄ。。＝ｇ／ｃｍ３（即Ｐ＝１．７６ｇ／ｃｍ３）以每层３ｃｍ的高度分层均匀击实。制好后试样用密封薄膜包裹以保持
１．５２
面设定为试样高度零点，纵坐标反应含水率值。
９Ｏ
～
３ＯＯ
，一２８０～２９Ｏ２７Ｏ～２８Ｏ２６Ｏ～２７Ｏ２５Ｏ～２６Ｏ２４０～２５０２３Ｏ～２４Ｏ２Ｏ～３Ｏ２０～Ｏ２，０Ｏ～，Ｏ９Ｏ～２●ＯＯ８Ｏ～９Ｏ７０～８００～７００～６Ｏ
一：６｜ｎ
总含水量不变，在室内室温条件下统一养护２８ｄ，令水泥充分反应。试验开始时，水槽底部注水，控制水面与黄土及级配碎石交界面平齐，每隔５ｄ测定试样各２０ｃｍ高度含水率。试验共制作４个形状相同的试样，４个试样的配比分别为素土试样、石灰掺量３％、石灰掺量５％和水泥掺量３％，以下简称Ｌｏｅｓｓ样、Ｌｓｌ样、ＬＳ２和ＣＳｌ样。经过５０ｄ对于试样含水率变化的试验研究之后，拆样，做试件每２０ｃｍ处的密度试验和无测限抗压强度试验。
图２Ｌｏｅｓｓ试样沿垂直方向含水率随时间的变化
Ｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｃｈａｎｇｅｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌ
Ｆｉｇ．２
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｉｍｅｏｆｓａｍｐｌｅ
Ｌｏｅｓｓ
２５０—２６０２４０￣２５Ｏ２３０～２４０２２０～２３０２１．Ｏ～２２０２０Ｏ—２ｌ０１９０—２００１８０～１９０
１７
０～１８０
・１６Ｏ～１７０￡ｉ１５０～１６０目１４．０一ｌ５Ｏ・１３０～１４０
２试验结果与分析
２．１垂直方向含水率变化
一般情况下的非饱和地基土处于稳定状态，当发生降雨或者渗流等情况发生时，地下水位发生变化，打破了以往平衡。在非饱和土中基质吸力的作用下，毛细水沿着土体中管道上升，形成吸力衰减，造成土体抗剪强度降低，发生失稳、坍塌等工程
事故。
图３１．５１试样沿垂直方向含水率随时间的变化
ＭｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｃｈａｎｇｅｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｉｍｅｏｆＳａｍｐｌｅＬＳｌ
Ｆｉｇ．３
试验开始后，黄土试件含水率的变化自下而上，越靠近黄土和水的交界面，含水率变化程度越大，速度越快。其中，底层黄土的含水率在１５ｄ之前变化迅速，２０ｄ以后达到２８．５０％，比初始含水率
图２一图５反映了黄土及改性黄土试件各高度处随着时间的推移含水量变化的情况，以土水交界
２８期李先瑞，等：改性黄土垂直方向毛细水上升作用研究
１９３
一：２４
一
２５０～６Ｏ
０～５Ｏ０～３０～Ｏ～２，０
～
２３Ｏ～４Ｏ２
ＯＯＯＯ
黄土中加入石灰之后，石灰中的ＣａＯ将会吸收土中水分进行化学反应，所以未受到毛细水作用的试样含水量减小，随着石灰含量的增加，该变化更加明显。３％石灰改性试样底层土５０ｄ后含水率稳定在２５．３０％左右，而毛细水对改性黄土的影响范围被限制在１２０ｃｍ之内，比黄土试件降低了４０ｃｍ。其中，从含水率开始增加到趋于稳定的过程仍然需
要２０ｄ的时间，但是增长的速率和幅度较之黄土明
Ｊ
２
Ｊ
２２●ＯＯ～
９
，ｏ
８Ｏ９Ｏ
８Ｏ７０
７Ｏ～６０～５
Ｏ～
４０～３
０
～
６Ｏ５
４Ｏ
Ｏ
显减小。５０ｄ试验结束后，１２０ｃｍ以上的改性土含
图４
ＬＳ２试样沿垂直方向含水率随时间的变化
ＭｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｃｈａｎｇｅｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｉｍｅｏｆｓａｍｐｌｅＬＳ２
水率比试验刚开始是降低了１．００％左右，维持在１３．９９％一１４．１７％。５％石灰作用下改性土的含水率降低了１．９５％。毛细水影响范围在５％改性土中
是１００ｃｍ，底层改性土最终含水率控制在２４．２７％，
Ｆｉｇ．４
，２５０～２６０，２４０～２５０．２３０－２４０２２０～２３０］２１０～２２０２０Ｏ～２ｌ
０
比３％的改性土低了１．００％左右。
水泥改性黄土中毛细水的影响大为减小，３％水泥改性黄土的影响范围仅为６０ｃｍ。６０ｃｍ高度以上的改性土含水率同样有先减小后变大的特点，不过，水泥改性土中含水率的变化幅度明显小于石灰，水泥在土体中的吸水能力也不如石灰，６０ｃｍ以上的改性土５０ｄ后含水率稳定在１４．７８％到１４．８７％的范围之内，且底层水泥改性土最终含水率是２４．９５％，比该处的石灰土（２５．３％）略低。
由黄土和改性黄土中含水率的变化，可以得出毛细水在每个试样中的上升情况．详见图７。
７－－＿一ＬＳｌ一一・一ＬＳ２
１９０～２００ｊ１８Ｏ－１９０一１７Ｏ～１８０＝１６Ｏ－１７０ａ１５Ｏ～１６０－１４
Ｏ～１５０
０
・１３０～１４
图５ＣＳｌ试样沿垂直方向含水率随时间的变化
Ｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｃｈａｎｇｅｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌ
Ｆｉｇ．５
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｉｍｅｏｆｓａｍｐｌｅＣＳｌ
１５．００％增加了１３．５０％。之后，含水率的变化程度趋缓，５０ｄ测试结束后，底层黄土含水率最终为
２８．９６％。１００
－▲一ＣＳｌ
一一ｖ—ＬｏｅｓＥ
－７
／
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Ｊ—７’
／Ｔ—＂ｒ
。
．
ｅｍ高度范围内的黄土含水率的变化
在５．００％以上，而随着高度的升高，含水率的变化
逐渐缓慢，１６０ｃｍ以上的黄土含水率在５０ｄ的时间
范围内基本没有变化（图６）。
∥
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一・一ＬＳ２
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一ｈ船５一
图７毛细水上升高度随时间的变化
Ｆｉｇ．７
ＲｉｓｅｏｆｃａｐｉＨａｒｙｗａｔｅｒａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｉｍｅ
＼心≮＼
＼』＼∑＼、、＼＼
一。弋ｊ＝ｉｉ三
１５
当土样中含水率的迅速升高时，说明这一高度的试件受到了毛细水的影响，据此判断毛细水上升的实时高度。黄土中毛细水上升较快，５ｄ后上升
至８０ｃｍ处，２０ｄ后上升变缓，最后接近于１６０
ｃｍ。
１２
图６
Ｆｉｇ．６
５０
ｄ后试样各高度含水率
石灰的水化产物造成了土体内的碱性环境，同时它的吸水放热反应又吸收了大量的土中水以及供给的毛细水，同时也对土体产生了一定的固结作用，阻塞了部分毛细水继续上升的通道，３％和５％的石
Ｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｅａｃｈｓａｍｐｌｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅｉｇｈｔｓａｆｔｅｒ５０ｄ
科学技术与工程１５卷
灰改性土中毛细水上升高度相近，上升高度维持在黄土的７０％左右，３０ｄ后，两者毛细水高度逐渐逼近并最终保持在１１０～１３０ｃｍ范围内。
水泥与水反应后生成的水化反应产物胶质吸附包裹土颗粒形成网格状水泥土，提高强度的同时也提升了水泥土的耐久性和稳定性。经过２８ｄ的提前养护，水泥土在接触毛细水之前已经具有了一定的强度和稳定性。毛细水在水泥改性土中的上升高度最高不超过６０ｃｍ，约为同一时刻黄土中高度的
４０％，试验１５ｄ后，水泥土中毛细水的上升趋于
干密度值较小。黄土的密度和干密度总体随着高度的增加而变大，在毛细水上升高度之上的黄土密度相对稳定，接近初始设计的黄土密度１．７６ｇ／ｃｍ３和
最大干密度１．５２ｇ／ｃｍ３。石灰改性土对黄土的耐久
性和水稳性提高有限，在接近土水接近面处，石灰改性土的密度与黄土接近。随着高度的增加，当毛细水上升作用减弱时，石灰改性土的密度渐渐稳定¨３｜，５％石灰土的密度和干密度要比同高度处３％石灰土试样值高约ｌ％。稳定后，ＬＳｌ试样密度约为１．６４ｇ／ｃｍ３，干密度１．４４ｇ／ｃｍ３，ＬＳ２试验的密度约为１．５３ｇ／ｃｍ３，干密度１．３５ｇ／ｃｍ３。
水泥加入到黄土中后，遇水反应成钙硅水化物
（Ｃ—Ｓ．Ｈ）以及钙铝水化物（Ｃ．Ａ．Ｈ）凝胶¨４｜，这些针状的水化凝胶在阻塞毛细水上升的同时也连接了土
稳定。
２．２垂直方向密度及干密度
毛细水上升试验过后，利用环刀法测定各试样不同高度处的密度，并根据对应含水率计算干密度
见图８，图９。
颗粒使之形成致密的网状结构，水泥土的结构变的紧密，强度得以提高。水泥土的水稳定性最高，所以水泥土在底层的密度与干密度比其他三种试样都要高，而且保证了毛细水的上升作用被迅速遏制，在毛细水上升高度之上也就是６０ｃｍ之上的水泥土密度在１．６９ｇ／ｃｍ３上下波动，干密度则维持在１．４７ｇ／ｃｍ３。值得一提的是，三种改性剂作用下的试样密度比黄土的密度要低，究其原因主要是改性剂的比重比黄土要轻。
２．３垂直方向无侧限抗压强度
黄土和改性土在经历５０ｄ的毛细水上升之后，
ｍ＆－－ＣＳｌ／Ｔ——Ｔ——，一丫一
一’‰”产夕量＝：二＝：＝二：声夕三：＝：二－一－一－一Ｉ
∥：～．一—．一。／夕一
∥
图８
Ｆｉｇ．８
５０
ｄ后试样各高度密度
ｏｆｅａｃｈｓａｍｐｌｅ
ａｔ
强度值受到较大影响（图１０），土体中含水率的变化
主要原因。黄土和改性土在被压实，养护后，自身结构达到一定程度上的稳定，但是毛细水溶解了部分土体中化学物质，造成土体软化，内部结构松散，宏观表现为强度下降。石灰、水泥在黄土中水化胶结，能够有效地提高改性土的强度，同时，它们对毛细水上升的抑制作用使得毛细水上升高度之上的试件能够保持养护后的稳定强度。对于保持地基土在毛细水作用下的强度值具有一定的效果。黄土受毛细水作用弱化的范围主要在６０ｅｍ高度以下，之后强度缓慢上升，顶部不受含水率变化的黄土强度值为
０．２３ＭＰａ。
Ｄｅｎｓｉｔｙ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｈｅｉｇｈｔｓ＇ａｆｔｅｒ５０ｄ
－＇－ＬＳｌ
一——，———下——，
．—二二▲———＾▲——▲——叁一：
－－二－：ｏ二－ｃＬ是Ｓ２Ｌ…／嘻兰三三；二：一ｖ—ｏｅｓｓ▲７Ｊ—三ｆ一・一－一・一。一Ｉ
一▲一ＣＳｌ
／矿
广钐：／’
／纩／一．一．一．一・一
∥……．…．．
图９
Ｆｉｇ．９
５０
石灰土能够提高近一倍的强度，石灰含量的增加对于含水率在２０％及以上的情况下（即试样高度
６０ｃｍ以下）作用不明显，随着试样高度的提高和含水率的降低，５％石灰改性土的强度将比３％的石灰土高出０．０５ＭＰａ左右。水泥熟料硬化后对于黄土的强度提高效果显著，随着高度的上升，水泥土的强
度从底层的０．２１ＭＰａ迅速提高到０．８ＭＰａ以上，６０
ｄ后试样各高度密度
Ｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙｏｆｅａｃｈｓａｍｐｌｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｈｅｉｇｈｔｓａｆｔｅｒ５０ｄ
与水接触的黄土含水率较高，部分黄土颗粒和水形成悬液，造成靠近底层的黄土及改性土密度和ｃｍ及以上的水泥土强度趋于稳定，并且是同高度的黄土强度的４倍以上，是石灰土强度的２倍。可见，
２８期
李先瑞，等：改性黄土垂直方向毛细水上升作用研究
３
一－－ｌｉｒａＬＳＩ
１９５
ｕ
ＲａｍｐｉｎｏＣ，ＭａｎｃｕｓｏＣ，ＶｉｎａｌｅＦ．Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙｔｅｓｔｉｎｇｒａｔｅｄｓｏｉｌ：ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，ａｎｄ
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ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ．
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－＊－ＬＳ２—．▲——▲——▲———一▲——▲——・
一
▲一‘７—”‘一‘
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ＣａｎａｄｉａｎＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ
Ｊｏｕｒｎａｌ．１９９９；３６：１一１２
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Ｊｏｕｒｎａｌ，１９９８；３５：８７３—８９４
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ｒｅｄｕｃｅｆｒｏｓｔ
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ｈｅａｖｅｉｎｓｏｉｌｓ．ＣａｎａｄｉａｎＧｅｏｔｅｅｈｎｉｅａｌ
Ｊｏｕｍａｌ，２００１；３８：６７８—６９４
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高度／ｃｍ
６赵明华，刘小平，陈安．非饱和土路基毛细作用分析．公路交
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ＺｈａｏＭＨ，ＬｉｕＸＰ，ＣｈｅｎＡ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃａｐｉｌｌａｒｙｅｆｆｅｃｔｓｉｎｒａｔｅｄｒｏａｄｂｅｄ．
ｕｎｓａｔｕ—
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｉｇｈｗａｙａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄ
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，２００８；２５（８）：２６—２９
７刘杰，姚海林，卢正，等。非饱和土路基毛细作用的数值与
图１０
Ｆｉｇ．１０
５０
ｄ后试样各高度无侧限抗压强度
Ｕｎｃｏｎｆｉｎｅｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆ
解析方法研究．岩土力学，２０１３；３４（增２）：４２ｌ—４２７
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Ｊ，ＹａｏＨＬ，ＬｕＺ，ｅｔａ１．ＳｔｕｄｙｏｆａｎａｌｙｔｉｃａｎｄｎｕｍｅｒｉｃＭｍｅｔｈｏｄｓ
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ｃｈａｎｉｃｓ。２０１３；３４（ｓ２）：４２１—４２７
从改性毛细水影响下黄土的强度效果来看，水泥的改性效果优于石灰土，随着掺量的增加，改性效果将更加优越。
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ＷａｎｇＳＰ，ＬｉＴ．Ｃａｐｉｌｌａｒｙｅｆｆｅｃｔｓａｎｄｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｏｆｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ
ｓｏｉｌ９
ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ．Ｈｉｇｈｗａｙ，２０１２；（６）：１２４—１２７
ｕｎｓａｔｕ—
３结论
（１）５０ｄ后黄土中毛细水上升高度最高最快，约１６０ｃｍ，无论是石灰还是水泥都可以大幅度的改
ＡｒｒｏｙｏＭ，ＡｍａｒａｌＭＦ，ＲｏｍｅｒｏＥ，ｅｔａ１．Ｉｓｏｔｒｏｐｉｅｙｉｅｌｄｉｎｇｏｆｒａｔｅｄｃｅｍｅｎｔｅｄ
ｓｉｌｔｙ
ｓａｎｄ．ＣａｎａｄｉａｎＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＪｏｕｒｎａｌ，２０１３；
５０：８０７—８１９
１０董金梅，徐洪钟，朱定华，等．不同水环境下高分子材料改性
粉土的试验研究．岩土工程学报，２０１３；３５（７）：１３１６一１３２２
Ｄｏｎｇ
善黄土中毛细水上升的情况。其中，３％石灰改性样１３０ｃｍ，５％石灰改性样为１２０ｃｍ，水泥改性样上升高度最小，为６０ｃｍ。
（２）各试件中的含水率上升高度在０—２０ｄ之内变化最迅速，水泥土中毛细水上升稳定时间最短，
约为１５ｄ左右。
ＪＭ。ＸｕＨＺ，ＺｈｕＤＨ，ｅｌａ１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙ
ｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓｕｎｄｅｒｖａｒｙｉｎｇ
ｗａｔｅｒ
ｏｎ
ｓｉｌｔｙｓｏｉｌ
ｍｏｄｉｆｉｅｄｂｙ
Ｃｈｉｎｅｓｅ１３２２
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３；３５（７）：１３１６—
ｌｌ朱志铎，彭宇一，张文超，等．高等级公路粉土路基毛细水处
治的试验研究．岩土工程学报，２０１Ｉ；３３（增１）：４５—４８
ＺｈｕＺＤ，ＰｅｎｇＹＹ，Ｚｈａｎｇｉｌｌａｒｙ
ｗａｔｅｒ
（３）毛细水作用范围内，黄土试件密度值和强度值下降明显，而随着高度的增加，物理参数渐渐接近原配设计值，水泥石灰改性黄土强度指标效果
明显。
ＷＣ，ｅｌａ１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙ
ｏｆ
ｈｉｇｈｗａｙ．Ｃｈｉｎｅｓｅ
ｏｎ
ｃａｐ—
ｏｆ
ｉｎ
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（４）相比较而言，水泥土保持水稳性的作用最好，石灰减小土中含水率的作用更加明显，但是石灰含量的增加对于抑制毛细水上升的高度作用并不十
分显著。
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ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＦｌｏａｔｉｎｇＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＨｅｌｉｃｏｐｔｅｒ
ＪＩＡＮＧＴｉｎｇ，ＷＵＢｉｎ，ＷＡＮＧＭｉｎｇ—ｚｈｅｎ，ＴＡＮＧＢｉｎ－ｂｉｎ
（Ａｖｉａｔｉｏｎ
ＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａＳｐｅｃｉａｌＶｅｈｉｃｌｅＲｅｓｅａｒｃｈ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｊｉｎｇｍｅｎ４４８０３５，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅ
ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ
ｆｌｏａｔｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｉｓ
ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ
ａｎ
ｉｍｐｏｒｔａｎｔａｎｄｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｐｒｏｂ—
ｌｅｍ．Ｏｎｔｈｅｏｔｈｅｒｈａｎｄ．ｔｈｅｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｅｎａｆｆｅｃｔｔｈｅｔｈｅｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｗｈｅｎｉｔ’Ｓｆｌｏａｔｉｎｇ．Ｔｈｅ
ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ
ｒｏｃｋｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄａｍｐｌｉｔｕｄｅｓｏｆ
ｗｅｒｅ
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［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ
（上接第１９５页）
ｓｔａｂｉｌｉｔｙ
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Ｍｏｄｉｆｉｅｄ
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（ＬｉｎｙｉＣｉｔｙＰｌａｎｎｉｎｇａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｌ，Ｌｉｎｙｉ２７６０００，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；
ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ２，Ｌａｎｚｈｏｕ
７３００００，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｃａｐｉｌｌａｒｙ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｗａｔｅｒ
ｒｉｓｉｎｇ
ｃａｎ
ｂｅｅａｓｉｌｙｆｏｕｎｄｉｎｌｏｅｓｓ，ｔｈｕｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｍｏｉｓｔｕｒｅ
ｃｏｎｔｅｎｔ，ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ａｎｄ
ｏｆｔｈｅｓｏｉｌ．Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ｓｏｉｌｓｔａｂｉｌｉｔｙｗｉｌｌｂｅｒｅｄｕｃｅｄａｎｄｌｏｅｓｓｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｗｅａｋ－
ｒｉｓｉｎｇａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅ
ｃｏｎｔｅｎｔ
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ｅｎ．Ｔｈｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃａｐｉｌｌａｒｙ
ｒａｔｅｓ
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ｗａｔｅｒ
ｃｈａｎｇｉｎｇｉｎｌｏｅｓｓａｎｄｍｏｄｉｆｉｅｄｌｏｅｓｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｄｕｃｅｈｅｉｇｈｔａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｃａｐｉｌｌａｒｙ
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ｏｆｌｉｍｅａｎｄｃｅｍｅｎｔａｄｄｉｎｇｗｅｒｅｆｏｃｕｓｅｄｏｎ，Ｉｎｏｒｄｅｒ
ｗｅｌｌ
ｄｅｎｓｉｔｙ，ｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｕｎｃｏｎｆｉｎｅｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｆｔｅｒ５０ｄａｙｓｏｆｃａｐｉｌｌａｒｙｒｉｓｉｎｇ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙａｌｓｏ
ｅｓｔｉｍａｔｅｓｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｕｓｉｎｇｌｉｍｅａｎｄｃｅｍｅｎｔｔｏｒｅｓｉｓｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃａｐｉｌｌａｒｙｗａｔｅｒｒｉｓｉｎｇａｎｄｍａｋｅｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ
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ｍｅｎｔａｄｄｉｎｇａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｌｉｍｅ
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ｍｏｄｉｆｉｅｄｂｙｔｈｒｅｅｍｅｔｈｏｄｓ：３％ｌｉｍｅａｄｄｉｎｇ，５％ｌｉｍｅａｄｄｉｎｇａｎｄ３％ｃｅ—
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ｓａｍｐｌｅ）ａｎｄｄｅｎｓｉｔｙ．Ｗｈａｔ’Ｓ
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ｅｆｆｅｃｔｓ
ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｗａｔｅｒｓｔａｂｉｌｉｔｙ
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ｃａｐｉｌｌａｒｙ
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ｒｉｓｉｎｇｏｂｓｔａｃｌｅｉｎｌｏｅｓｓ．
［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｌｉｍｅ
ｍｏｄｉｆｉｅｄｌｏｅｓｓ
ｄｅｎｓｉｔｙ
ｕｎｃｏｎｆｉｎｅｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈ
第１５卷第２８期２０１５年ｌｏ月
１６７ｌ一１８１５（２０１５）２８－０１９１．０６
科学技术与工程
ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ＶｏＩ。１５Ｎｏ．２８Ｏｃｔ．２０１５
＠２０１５
Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．
建筑技术
改性黄土垂直方向毛细水上升作用研究
李先瑞１
李晓媛２王圣麟２
（临沂市规划建筑设计研究院１，临沂２７６０００；兰州大学土木工程与力学学院２，兰州７３００００）
摘要黄土中极易发生毛细水上升的现象，毛细水的上升作用会影响黄土的含水率、强度和土体的结构，造成土体稳定性下降，弱化黄土地基。石灰和水泥作为常用的改性材料被广泛应用于黄土改良。试验研究了黄土以及石灰、水泥不同配比下的改性黄土在毛细水上升作用５０ｄ过程中的含水率变化，推算出毛细水在黄土和改性黄土中上升高度和速率，以及５０ｄ后密
度、干密度及无侧限抗压强度等参数的变化规律。评估了３％石灰改性土、５％石灰改性土和３％水泥改性土改善黄土中毛细水上升作用的可行性；并对三者的改性作用进行比较。试验结果表明：三种改性土都可以有效地减缓毛细水上升高度和速度（从黄土的１６０ｃｍ最低降低到６０ｃｍ左右），提高强度（水泥土５０ｄ后土水接触面处试件无侧限抗压强度为Ｏ．８６ＭＰａ，为同高度处黄土强度值的３倍）和密度。试验最后得出，石灰能够有效降低土体内的含水率，且随着含量的增加，吸水作用越明显。而水泥对于土体内部结构的改性作用更大，提升土体强度和遇水稳定性，阻碍毛细水上升作用显著。
关键词石灰
水泥
改性黄土密庹无侧限抗压强度
中图法分类号ＴＵ４４４；文献标志码Ｂ
我国西北地区广泛分布发育着黄土。由于表层第四纪黄土及马兰黄土具有垂直管状孑Ｌ隙、颗粒级配差和结构松散等特点…，使得黄土颗粒间胶结强度低，具有湿陷性旧Ｊ。因此当黄土作为建筑地基填土时容易发生透水和失稳等现象，严重威胁人民群众的生产和生活。非饱和粉土中基质吸力造成毛细水的上升，改变地基体积含水量和土水特征曲线旧Ｊ，进而影响地基土强度和水稳性【４Ｊ，伴随着冻融作用，造成道路的翻浆和路基变形＂］。
为了研究毛细水上升问题，海森（Ａ．Ｈａｚｅｎ）最早给出了上升高度的经验公式；赵明华哺１得出砂土毛细水经验公式并在路基土中观察地下水位和毛细水上升的关系；刘杰＂Ｊ、王生平旧１对非饱和土地基进行了数值模拟，发现饱和渗透系数、级配及初始含水率等因素影响着非饱和土地基中毛细水上升的高度和速度。ｓ．ｇａｒｅｎ【，１通过土工合成材料抑制毛细水上升进而降低冻胀作用；Ｍ．Ａｒｒｏｙｏ【９１利用水泥改性粉质亚砂微观孔隙，抑制基质吸力和毛细水作用；董金梅¨驯将高分子材料改性粉土，测定毛细水上升的时间；朱志铎¨川则在粉土地基中设置不同掺人比的灰土垫层，隔绝毛细水的上升作用。
水泥与黄土接触后，水泥颗粒表面的矿物很快
２０１５年６月３０日收到
第一作者简介：李先瑞（１９６９一），女。研究方向：建筑工程、结构工程及岩土工程。Ｅ・ｍａｉｌ：ｗａｎｇ，ｓｈｌｌ２＠Ｉｚｕ。ｅｄｕ．ｏｒ／。
与黄土中的水形成水解和水化反应，生成Ｃａ（ＯＨ）：以及ＣＳＨ等水化物，形成胶体。随着时间的推移，水泥与土粒相互连结组成难以彼此分辨的致密空间网状结构，使得水泥土具有理想的强度、水稳性和耐久性。生石灰的主要化学成分为氧化钙（ＣａＯ），将石灰与黄土拌合后，其与黄土中水产生吸水放热反应、离子交换反应、火山灰作用、碳酸化反应等一系列水化反应及物理化学反应，反应过后，黏土颗粒结合水膜变薄，黏土胶粒絮凝，生成的晶体Ｃａ（ＯＨ）：和含水硅铝酸钙等或充填于土颗粒孔隙之中，或连结松散的黄土颗粒，致使石灰改良土的强度得到增大，水稳性得到提高¨２｜。
本次试验主要的研究内容在于利用不同掺合比下的水泥和石灰改性压实黄土来模拟建筑地基土中常用的灰土垫层，在等水位条件下测定毛细水上升速率和高度，以及上升过程后性质变化，为工程中估测毛细水上升的影响提供试验依据。
黄土采集及制样过程
黄土取样地点为甘肃省兰州市九州台黄土剖面，该剖面坐落于寒武系皋兰群变质岩和第三系红层的不整合面之上。由于河西地区尘暴气流作用和兰州三面环山的特殊地形阻隔作用，使得兰州成为西北地区黄土堆积厚度最高的地区。试验得黄土的基本物理参数见表１。
试验所用水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为
４２．５
ＭＰａ。所用石灰为粉末状晶体ＣａＯ，其中活性
科学技术与工程
１５卷
ＣａＯ含量大于９８％，灼烧失重小于２％。
试验时首先将烘干黄土以及所需ＣａＯ粉末和水泥干粉过２ｍｍ的筛。配置黄土及石灰改性黄土试样时，将黄土或石灰改性黄土以最优含水率（１５．９％）加入去离子水，用搅拌器拌匀之后静置一昼夜，此方法旨在使改性黄土试件中的水分布均匀。而配置水泥改性黄土试样时，将过筛后的混合土先拌匀，而后加入水快速制样，防止试样因为水泥水化
而难以成型。
试验设计的
试样模型如图１
表１试验黄土基本物理性质
Ｔａｂｌｅ１
Ｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌｏｅｓｓｓｏｉｌｓ
所示，试件采用的塑料套筒拼接的方式：每个套筒内径１４．５ｃｍ，高度２５．０
指标相对密度Ｇ。最优含水量”ｏＰ／％
最大干密度Ｐｄ。。／（ｇ・ｃｍ。）
数值
２．７１１５．９
图１试样模型与制样过程
Ｆｉｇ．１
Ｔｅｓｔｍｏｄｅｌａｎｄｓａｍｐｌｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ
ｃｍ，筒壁上每隔
５ｃｍ留有一小孔，用来取土测量该高度试样含水率。每个试样需要８个套筒，每两个套筒之间垫有垫圈并用法兰盘连接。图Ｉ所示的是一个套筒试件压样完成后的情况。整个试件由总高２００ｃｍ的固化土构成。试验时首先将最底部套筒放置于干燥的水槽之中，试样下部铺设透水石层。黄土及固化黄土按照含水率ｗ＝ｗ。，＝１５．９％及干密度Ｐ。＝ｐｄ。。＝ｇ／ｃｍ３（即Ｐ＝１．７６ｇ／ｃｍ３）以每层３ｃｍ的高度分层均匀击实。制好后试样用密封薄膜包裹以保持
１．５２
面设定为试样高度零点，纵坐标反应含水率值。
９Ｏ
～
３ＯＯ
，一２８０～２９Ｏ２７Ｏ～２８Ｏ２６Ｏ～２７Ｏ２５Ｏ～２６Ｏ２４０～２５０２３Ｏ～２４Ｏ２Ｏ～３Ｏ２０～Ｏ２，０Ｏ～，Ｏ９Ｏ～２●ＯＯ８Ｏ～９Ｏ７０～８００～７００～６Ｏ
一：６｜ｎ
总含水量不变，在室内室温条件下统一养护２８ｄ，令水泥充分反应。试验开始时，水槽底部注水，控制水面与黄土及级配碎石交界面平齐，每隔５ｄ测定试样各２０ｃｍ高度含水率。试验共制作４个形状相同的试样，４个试样的配比分别为素土试样、石灰掺量３％、石灰掺量５％和水泥掺量３％，以下简称Ｌｏｅｓｓ样、Ｌｓｌ样、ＬＳ２和ＣＳｌ样。经过５０ｄ对于试样含水率变化的试验研究之后，拆样，做试件每２０ｃｍ处的密度试验和无测限抗压强度试验。
图２Ｌｏｅｓｓ试样沿垂直方向含水率随时间的变化
Ｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｃｈａｎｇｅｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌ
Ｆｉｇ．２
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｉｍｅｏｆｓａｍｐｌｅ
Ｌｏｅｓｓ
２５０—２６０２４０￣２５Ｏ２３０～２４０２２０～２３０２１．Ｏ～２２０２０Ｏ—２ｌ０１９０—２００１８０～１９０
１７
０～１８０
・１６Ｏ～１７０￡ｉ１５０～１６０目１４．０一ｌ５Ｏ・１３０～１４０
２试验结果与分析
２．１垂直方向含水率变化
一般情况下的非饱和地基土处于稳定状态，当发生降雨或者渗流等情况发生时，地下水位发生变化，打破了以往平衡。在非饱和土中基质吸力的作用下，毛细水沿着土体中管道上升，形成吸力衰减，造成土体抗剪强度降低，发生失稳、坍塌等工程
事故。
图３１．５１试样沿垂直方向含水率随时间的变化
ＭｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｃｈａｎｇｅｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｉｍｅｏｆＳａｍｐｌｅＬＳｌ
Ｆｉｇ．３
试验开始后，黄土试件含水率的变化自下而上，越靠近黄土和水的交界面，含水率变化程度越大，速度越快。其中，底层黄土的含水率在１５ｄ之前变化迅速，２０ｄ以后达到２８．５０％，比初始含水率
图２一图５反映了黄土及改性黄土试件各高度处随着时间的推移含水量变化的情况，以土水交界
２８期李先瑞，等：改性黄土垂直方向毛细水上升作用研究
１９３
一：２４
一
２５０～６Ｏ
０～５Ｏ０～３０～Ｏ～２，０
～
２３Ｏ～４Ｏ２
ＯＯＯＯ
黄土中加入石灰之后，石灰中的ＣａＯ将会吸收土中水分进行化学反应，所以未受到毛细水作用的试样含水量减小，随着石灰含量的增加，该变化更加明显。３％石灰改性试样底层土５０ｄ后含水率稳定在２５．３０％左右，而毛细水对改性黄土的影响范围被限制在１２０ｃｍ之内，比黄土试件降低了４０ｃｍ。其中，从含水率开始增加到趋于稳定的过程仍然需
要２０ｄ的时间，但是增长的速率和幅度较之黄土明
Ｊ
２
Ｊ
２２●ＯＯ～
９
，ｏ
８Ｏ９Ｏ
８Ｏ７０
７Ｏ～６０～５
Ｏ～
４０～３
０
～
６Ｏ５
４Ｏ
Ｏ
显减小。５０ｄ试验结束后，１２０ｃｍ以上的改性土含
图４
ＬＳ２试样沿垂直方向含水率随时间的变化
ＭｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｃｈａｎｇｅｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｉｍｅｏｆｓａｍｐｌｅＬＳ２
水率比试验刚开始是降低了１．００％左右，维持在１３．９９％一１４．１７％。５％石灰作用下改性土的含水率降低了１．９５％。毛细水影响范围在５％改性土中
是１００ｃｍ，底层改性土最终含水率控制在２４．２７％，
Ｆｉｇ．４
，２５０～２６０，２４０～２５０．２３０－２４０２２０～２３０］２１０～２２０２０Ｏ～２ｌ
０
比３％的改性土低了１．００％左右。
水泥改性黄土中毛细水的影响大为减小，３％水泥改性黄土的影响范围仅为６０ｃｍ。６０ｃｍ高度以上的改性土含水率同样有先减小后变大的特点，不过，水泥改性土中含水率的变化幅度明显小于石灰，水泥在土体中的吸水能力也不如石灰，６０ｃｍ以上的改性土５０ｄ后含水率稳定在１４．７８％到１４．８７％的范围之内，且底层水泥改性土最终含水率是２４．９５％，比该处的石灰土（２５．３％）略低。
由黄土和改性黄土中含水率的变化，可以得出毛细水在每个试样中的上升情况．详见图７。
７－－＿一ＬＳｌ一一・一ＬＳ２
１９０～２００ｊ１８Ｏ－１９０一１７Ｏ～１８０＝１６Ｏ－１７０ａ１５Ｏ～１６０－１４
Ｏ～１５０
０
・１３０～１４
图５ＣＳｌ试样沿垂直方向含水率随时间的变化
Ｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｃｈａｎｇｅｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌ
Ｆｉｇ．５
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｉｍｅｏｆｓａｍｐｌｅＣＳｌ
１５．００％增加了１３．５０％。之后，含水率的变化程度趋缓，５０ｄ测试结束后，底层黄土含水率最终为
２８．９６％。１００
－▲一ＣＳｌ
一一ｖ—ＬｏｅｓＥ
－７
／
／’
Ｊ—７’
／Ｔ—＂ｒ
。
．
ｅｍ高度范围内的黄土含水率的变化
在５．００％以上，而随着高度的升高，含水率的变化
逐渐缓慢，１６０ｃｍ以上的黄土含水率在５０ｄ的时间
范围内基本没有变化（图６）。
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图７毛细水上升高度随时间的变化
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１５
当土样中含水率的迅速升高时，说明这一高度的试件受到了毛细水的影响，据此判断毛细水上升的实时高度。黄土中毛细水上升较快，５ｄ后上升
至８０ｃｍ处，２０ｄ后上升变缓，最后接近于１６０
ｃｍ。
１２
图６
Ｆｉｇ．６
５０
ｄ后试样各高度含水率
石灰的水化产物造成了土体内的碱性环境，同时它的吸水放热反应又吸收了大量的土中水以及供给的毛细水，同时也对土体产生了一定的固结作用，阻塞了部分毛细水继续上升的通道，３％和５％的石
Ｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｅａｃｈｓａｍｐｌｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅｉｇｈｔｓａｆｔｅｒ５０ｄ
科学技术与工程１５卷
灰改性土中毛细水上升高度相近，上升高度维持在黄土的７０％左右，３０ｄ后，两者毛细水高度逐渐逼近并最终保持在１１０～１３０ｃｍ范围内。
水泥与水反应后生成的水化反应产物胶质吸附包裹土颗粒形成网格状水泥土，提高强度的同时也提升了水泥土的耐久性和稳定性。经过２８ｄ的提前养护，水泥土在接触毛细水之前已经具有了一定的强度和稳定性。毛细水在水泥改性土中的上升高度最高不超过６０ｃｍ，约为同一时刻黄土中高度的
４０％，试验１５ｄ后，水泥土中毛细水的上升趋于
干密度值较小。黄土的密度和干密度总体随着高度的增加而变大，在毛细水上升高度之上的黄土密度相对稳定，接近初始设计的黄土密度１．７６ｇ／ｃｍ３和
最大干密度１．５２ｇ／ｃｍ３。石灰改性土对黄土的耐久
性和水稳性提高有限，在接近土水接近面处，石灰改性土的密度与黄土接近。随着高度的增加，当毛细水上升作用减弱时，石灰改性土的密度渐渐稳定¨３｜，５％石灰土的密度和干密度要比同高度处３％石灰土试样值高约ｌ％。稳定后，ＬＳｌ试样密度约为１．６４ｇ／ｃｍ３，干密度１．４４ｇ／ｃｍ３，ＬＳ２试验的密度约为１．５３ｇ／ｃｍ３，干密度１．３５ｇ／ｃｍ３。
水泥加入到黄土中后，遇水反应成钙硅水化物
（Ｃ—Ｓ．Ｈ）以及钙铝水化物（Ｃ．Ａ．Ｈ）凝胶¨４｜，这些针状的水化凝胶在阻塞毛细水上升的同时也连接了土
稳定。
２．２垂直方向密度及干密度
毛细水上升试验过后，利用环刀法测定各试样不同高度处的密度，并根据对应含水率计算干密度
见图８，图９。
颗粒使之形成致密的网状结构，水泥土的结构变的紧密，强度得以提高。水泥土的水稳定性最高，所以水泥土在底层的密度与干密度比其他三种试样都要高，而且保证了毛细水的上升作用被迅速遏制，在毛细水上升高度之上也就是６０ｃｍ之上的水泥土密度在１．６９ｇ／ｃｍ３上下波动，干密度则维持在１．４７ｇ／ｃｍ３。值得一提的是，三种改性剂作用下的试样密度比黄土的密度要低，究其原因主要是改性剂的比重比黄土要轻。
２．３垂直方向无侧限抗压强度
黄土和改性土在经历５０ｄ的毛细水上升之后，
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图８
Ｆｉｇ．８
５０
ｄ后试样各高度密度
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强度值受到较大影响（图１０），土体中含水率的变化
主要原因。黄土和改性土在被压实，养护后，自身结构达到一定程度上的稳定，但是毛细水溶解了部分土体中化学物质，造成土体软化，内部结构松散，宏观表现为强度下降。石灰、水泥在黄土中水化胶结，能够有效地提高改性土的强度，同时，它们对毛细水上升的抑制作用使得毛细水上升高度之上的试件能够保持养护后的稳定强度。对于保持地基土在毛细水作用下的强度值具有一定的效果。黄土受毛细水作用弱化的范围主要在６０ｅｍ高度以下，之后强度缓慢上升，顶部不受含水率变化的黄土强度值为
０．２３ＭＰａ。
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图９
Ｆｉｇ．９
５０
石灰土能够提高近一倍的强度，石灰含量的增加对于含水率在２０％及以上的情况下（即试样高度
６０ｃｍ以下）作用不明显，随着试样高度的提高和含水率的降低，５％石灰改性土的强度将比３％的石灰土高出０．０５ＭＰａ左右。水泥熟料硬化后对于黄土的强度提高效果显著，随着高度的上升，水泥土的强
度从底层的０．２１ＭＰａ迅速提高到０．８ＭＰａ以上，６０
ｄ后试样各高度密度
Ｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙｏｆｅａｃｈｓａｍｐｌｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｈｅｉｇｈｔｓａｆｔｅｒ５０ｄ
与水接触的黄土含水率较高，部分黄土颗粒和水形成悬液，造成靠近底层的黄土及改性土密度和ｃｍ及以上的水泥土强度趋于稳定，并且是同高度的黄土强度的４倍以上，是石灰土强度的２倍。可见，
２８期
李先瑞，等：改性黄土垂直方向毛细水上升作用研究
３
一－－ｌｉｒａＬＳＩ
１９５
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Ｆｉｇ．１０
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从改性毛细水影响下黄土的强度效果来看，水泥的改性效果优于石灰土，随着掺量的增加，改性效果将更加优越。
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３结论
（１）５０ｄ后黄土中毛细水上升高度最高最快，约１６０ｃｍ，无论是石灰还是水泥都可以大幅度的改
ＡｒｒｏｙｏＭ，ＡｍａｒａｌＭＦ，ＲｏｍｅｒｏＥ，ｅｔａ１．Ｉｓｏｔｒｏｐｉｅｙｉｅｌｄｉｎｇｏｆｒａｔｅｄｃｅｍｅｎｔｅｄ
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Ｄｏｎｇ
善黄土中毛细水上升的情况。其中，３％石灰改性样１３０ｃｍ，５％石灰改性样为１２０ｃｍ，水泥改性样上升高度最小，为６０ｃｍ。
（２）各试件中的含水率上升高度在０—２０ｄ之内变化最迅速，水泥土中毛细水上升稳定时间最短，
约为１５ｄ左右。
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（３）毛细水作用范围内，黄土试件密度值和强度值下降明显，而随着高度的增加，物理参数渐渐接近原配设计值，水泥石灰改性黄土强度指标效果
明显。
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（４）相比较而言，水泥土保持水稳性的作用最好，石灰减小土中含水率的作用更加明显，但是石灰含量的增加对于抑制毛细水上升的高度作用并不十
分显著。
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Ｓｔｕｄｙ
ｏｎ
ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＦｌｏａｔｉｎｇＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＨｅｌｉｃｏｐｔｅｒ
ＪＩＡＮＧＴｉｎｇ，ＷＵＢｉｎ，ＷＡＮＧＭｉｎｇ—ｚｈｅｎ，ＴＡＮＧＢｉｎ－ｂｉｎ
（Ａｖｉａｔｉｏｎ
ＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａＳｐｅｃｉａｌＶｅｈｉｃｌｅＲｅｓｅａｒｃｈ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｊｉｎｇｍｅｎ４４８０３５，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅ
ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ
ｆｌｏａｔｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｉｓ
ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ
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ｉｍｐｏｒｔａｎｔａｎｄｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｐｒｏｂ—
ｌｅｍ．Ｏｎｔｈｅｏｔｈｅｒｈａｎｄ．ｔｈｅｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｅｎａｆｆｅｃｔｔｈｅｔｈｅｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｗｈｅｎｉｔ’Ｓｆｌｏａｔｉｎｇ．Ｔｈｅ
ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ
ｒｏｃｋｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄａｍｐｌｉｔｕｄｅｓｏｆ
ｗｅｒｅ
ｆｌｏａｔｉｎｇｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｏｍｅｆｌｏａｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ
ｗｅｒｅ
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ．Ａｎｄｔｈｅｎ．ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｔｈａｔｗａｓｂｏｒｎｅ
ｏｕｔ
ａｎａｌｙｚｅｄ
ｆｌｏａｔ．
ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓ
ａｒｅ
ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙｗａｙｓ
ｔｏ
ｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅ
ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ
ｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｏｒｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ．
［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ
（上接第１９５页）
ｓｔａｂｉｌｉｔｙ
ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ
ｒｏｃｋｉｎｇｒｅｓｐｏｎｓｅ
ｆｌｏａｔｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
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ＷａｔｅｒＭｉｇｒａｔｉｏｎ
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Ｍｏｄｉｆｉｅｄ
ＬｏｅｓｓｉｎＶｅｒｔｉｃａｌＤｉｒｅｃｔｉｏｎ
ＬＩＸｉａｎ—ｒｕｉ１，ＬＩＸｉａｏ．ｙｕａｎ２，ＷＡＮＧＳｈｅｎｇ．ｆｉｎ２
（ＬｉｎｙｉＣｉｔｙＰｌａｎｎｉｎｇａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｌ，Ｌｉｎｙｉ２７６０００，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；
ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ２，Ｌａｎｚｈｏｕ
７３００００，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｃａｐｉｌｌａｒｙ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｗａｔｅｒ
ｒｉｓｉｎｇ
ｃａｎ
ｂｅｅａｓｉｌｙｆｏｕｎｄｉｎｌｏｅｓｓ，ｔｈｕｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｍｏｉｓｔｕｒｅ
ｃｏｎｔｅｎｔ，ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ａｎｄ
ｏｆｔｈｅｓｏｉｌ．Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ｓｏｉｌｓｔａｂｉｌｉｔｙｗｉｌｌｂｅｒｅｄｕｃｅｄａｎｄｌｏｅｓｓｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｗｅａｋ－
ｒｉｓｉｎｇａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅ
ｃｏｎｔｅｎｔ
ｔｏ
ｅｎ．Ｔｈｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃａｐｉｌｌａｒｙ
ｒａｔｅｓ
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ｗａｔｅｒ
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ｗａｔｅｒ
ｗａｔｅｒ
ａｓ
ｏｆｌｉｍｅａｎｄｃｅｍｅｎｔａｄｄｉｎｇｗｅｒｅｆｏｃｕｓｅｄｏｎ，Ｉｎｏｒｄｅｒ
ｗｅｌｌ
ｄｅｎｓｉｔｙ，ｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｕｎｃｏｎｆｉｎｅｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｆｔｅｒ５０ｄａｙｓｏｆｃａｐｉｌｌａｒｙｒｉｓｉｎｇ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙａｌｓｏ
ｅｓｔｉｍａｔｅｓｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｕｓｉｎｇｌｉｍｅａｎｄｃｅｍｅｎｔｔｏｒｅｓｉｓｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃａｐｉｌｌａｒｙｗａｔｅｒｒｉｓｉｎｇａｎｄｍａｋｅｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ
ｏｆｔｈｅｍｏｄｉｆｉｅｒｓ．Ｉｎｔｈｅｔｅｓｔ，ｌｏｅｓｓ
ｍｅｎｔａｄｄｉｎｇａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｌｉｍｅ
ｗａｓ
ｍｏｄｉｆｉｅｄｂｙｔｈｒｅｅｍｅｔｈｏｄｓ：３％ｌｉｍｅａｄｄｉｎｇ，５％ｌｉｍｅａｄｄｉｎｇａｎｄ３％ｃｅ—
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ｗｅｉｇｈｔ．Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ
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ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｌｏｗ
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ｗａｔｅｒ（ｆｒｏｍ
１６０ｃｍｉｎｌｏｅｓｓ
ｔｏ
ｌｏｗｏｆｍｅｒｅｌｙａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ６０
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ｓｔｒｅｎｇｔｈ（ａｆｔｅｒ５０ｄａｙｓ，ｕｎｃｏｎｆｉｎｅｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｅｍｅｎｔｍｏｄｉｆｉｅｄｌｏｅｓｓ
ｔｈｅｓｏｉｌ—ｗａｔｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ
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ｓａｍｐｌｅ）ａｎｄｄｅｎｓｉｔｙ．Ｗｈａｔ’Ｓ
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ｍｏｒｅ，ｌｉｍｅｈａｓｔｈｅｂｅｔｔｅｒｉｍｐａｃｔ
ｍｏｉｓｔｕｒｅ
ｃｏｎｔｅｎｔｔｅｒ
ｒｅｄｕｃｉｎｇｗｈｉｌｅｃｅｍｅｎｔｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｓｍｏｒｅ
ｔｏ
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ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｃｅｍｅｎｔｈａｓｇｒｅａ—
ｅｆｆｅｃｔｓ
ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｗａｔｅｒｓｔａｂｉｌｉｔｙ
ｃｅｍｅｎｔ
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ｗｅｌｌ
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ｒｉｓｉｎｇｏｂｓｔａｃｌｅｉｎｌｏｅｓｓ．
［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｌｉｍｅ
ｍｏｄｉｆｉｅｄｌｏｅｓｓ
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