高液限土摻灰改良的試驗(yàn)研究

張亞杰，洪寶寧，劉 鑫

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098；2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京210098；3.河海大學(xué)隧道與軌道工程研究所，江蘇南京210098）

高液限土摻灰改良的試驗(yàn)研究

張亞杰1，2，洪寶寧1，2，劉 鑫1，3

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098；2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京210098；3.河海大學(xué)隧道與軌道工程研究所，江蘇南京210098）

針對(duì)高液限土通過(guò)摻灰改良應(yīng)用于路堤填筑方面的理論不足，對(duì)摻灰改良前后土體性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。采用界限含水率試驗(yàn)、自由膨脹率試驗(yàn)和無(wú)荷膨脹試驗(yàn)、干濕循環(huán)下改良土的水穩(wěn)定性試驗(yàn)，對(duì)高液限土改良前后、不同灰劑量、不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的力學(xué)性質(zhì)、變形和穩(wěn)定性方面的變化進(jìn)行研究。研究表明，灰劑量4%、養(yǎng)護(hù)7－14天時(shí)，其液限及塑性指數(shù)下降明顯。石灰改良土無(wú)荷膨脹率明顯低于素土無(wú)荷膨脹率，且灰劑量4%、養(yǎng)護(hù)7天時(shí)，其膨脹率降低效果最好。干濕循環(huán)作用下，素土很快崩解，而石灰改良土則隨著灰劑量增大，其膨脹現(xiàn)象越是推后且不明顯。改良土的CBR值先隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，后漸趨平穩(wěn)，2%和4%灰劑量的循環(huán)到一定次數(shù)之后有所降低。

高液限土；灰劑量；養(yǎng)護(hù)時(shí)間；塑性指數(shù)；CBR值；水穩(wěn)定性

高液限土因其天然含水率大、細(xì)顆粒含量高、塑性指標(biāo)偏大，根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不得直接作為路堤填料。因此實(shí)際工程中，高液限土多進(jìn)行摻砂或摻水泥改良，然后再進(jìn)行路堤填筑，取得了一定的效果。然而，對(duì)于摻灰改良，由于研究較少，施工中應(yīng)用也較為謹(jǐn)慎。本文就高液限土摻灰改良后其主要性能指標(biāo)的前后變化展開(kāi)室內(nèi)研究，以期對(duì)高液限土摻灰改良路堤填筑設(shè)計(jì)和施工提供理論參考。

高液限土作為路堤填料，其物理力學(xué)指標(biāo)，變形和強(qiáng)度，不僅涉及路堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，也對(duì)路面結(jié)構(gòu)有著不容忽視的影響［1］。因此本文通過(guò)界限含水率試驗(yàn)、膨脹率試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)圍繞改良前后土體的塑性、膨脹性、水穩(wěn)定性的變化情況展開(kāi)研究分析。

1 界限含水率試驗(yàn)研究

《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》［2］規(guī)定：對(duì)液限高于50%，塑性指數(shù)大于26，含水率不適宜直接壓實(shí)的細(xì)粒土，不得直接作為路堤填料；需要使用時(shí)必須采取技術(shù)措施處治，經(jīng)檢驗(yàn)滿足工程設(shè)計(jì)要求后方可使用。為了掌握摻石灰改良后，土的液限、塑限、塑性指數(shù)等發(fā)生怎樣變化，能否滿足規(guī)范要求，隨著灰劑量的增加以及養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，改良土的界限含水率如何變化等，開(kāi)展相關(guān)的試驗(yàn)研究［3］。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 液限隨灰劑量的變化關(guān)系

圖2 塑限隨灰劑量的變化關(guān)系

由圖1～圖3可以看出，摻入生石灰后，高液限土的液限、塑限、塑性指數(shù)都發(fā)生了明顯的變化，隨著灰劑量從0到4%，液限下降明顯，由70.1%下降到63.9%，變化率為8.8%，說(shuō)明摻入石灰后土中粘粒含量減少，親水性減弱；灰劑量從4%到8%時(shí)，下降幅度逐漸減小，趨于平緩；可見(jiàn)4%的灰劑量是一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，液限下降趨勢(shì)越并非與灰劑量的增加成正比，塑性指數(shù)變化同液限。除此外，養(yǎng)護(hù)時(shí)間也有著密切關(guān)系，在石灰加入后的前7 d，各項(xiàng)指標(biāo)變化都較明顯，7 d以后雖然仍在變化，但幅度減小，基本趨于平緩。

圖3 塑性指數(shù)隨灰劑量的變化關(guān)系

2 膨脹性變化規(guī)律研究

根據(jù)相關(guān)研究成果及工程經(jīng)驗(yàn)，高液限土呈現(xiàn)相當(dāng)?shù)娜跖蛎浶?，雖然《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］（JTGD30－2004）中規(guī)定：土體自由膨脹率≤40%，不屬于膨脹土范疇。但是，當(dāng)自由膨脹率介于30%～40%之間時(shí)，還應(yīng)綜合考慮其他指標(biāo)如最大體縮率、粘粒含量及膨脹率等進(jìn)行判定。結(jié)合高液限土諸多不良工程性質(zhì)，其膨脹性對(duì)路堤質(zhì)量和路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響不容忽視［5］，有必要進(jìn)行研究。為了掌握改良土膨脹性，采用自由膨脹率試驗(yàn)和無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)來(lái)研究素土及石灰改良土在自由狀態(tài)下以及壓實(shí)后無(wú)荷載時(shí)的膨脹性。

2.1 自由膨脹率試驗(yàn)

自由膨脹率是一定體積的烘干并充分分散后的土粒在水中沒(méi)有任何限制條件下充分吸水產(chǎn)生自由膨脹，其膨脹穩(wěn)定后的體積增量和初始體積之比為：

式中：δef為自由膨脹率（%）；Vw為吸水膨脹后體積（cm3）；V0為烘干土自由堆積狀態(tài)下體積（cm3）。

通過(guò)不同灰劑量、不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的試驗(yàn)研究，自由膨脹率隨其變化關(guān)系參見(jiàn)圖4和圖5。試驗(yàn)中，未經(jīng)處理的高液限粘土的自由膨脹率經(jīng)測(cè)試已達(dá)32%，可見(jiàn)若不加處治直接運(yùn)用到工程上會(huì)對(duì)工程產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。直接用于路基填筑時(shí)，會(huì)造成路基的開(kāi)裂、不均勻沉降等路基病害［6］，故需對(duì)其進(jìn)行改良，以消除其脹縮性給工程帶來(lái)的危害。

圖4 自由膨脹率隨灰劑量的變化關(guān)系

圖5 自由膨脹率隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化關(guān)系

從圖4和圖5可以看出，自由膨脹率隨灰劑量與養(yǎng)護(hù)時(shí)間有較大變化，灰劑量在0～4%范圍內(nèi)變化時(shí)，自由膨脹率降低較為顯著，隨后隨灰劑量增加變化幅度減小甚至有小幅上升的趨勢(shì)。養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，自由膨脹率較初始時(shí)變化明顯，隨后隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，雖然自由膨脹率仍然在下降，但是下降的幅度和7 d時(shí)相比較已經(jīng)相差無(wú)幾，基本趨于平緩。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)生石灰改良后，高液限粘土的自由膨脹量大大減小，說(shuō)明摻石灰可有效改善高液限土的膨脹性。

2.2 無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)

無(wú)荷膨脹率是指土體無(wú)荷載有側(cè)限條件下浸水后在高度方向上的單向膨脹與原高度之比，用百分率表示。室內(nèi)試驗(yàn)是用環(huán)刀取土測(cè)定的，由于是在有側(cè)限條件下的線膨脹率，因此測(cè)得的膨脹率（線脹率）實(shí)際上就是體脹率。表達(dá)式為：

式中：δep為線膨脹率（%）；h0為土樣原始高度（mm）；hw為土樣膨脹穩(wěn)定后的高度（mm）。

試驗(yàn)中，每個(gè)灰劑量制樣四個(gè)，分別放入2%、 4%、6%、8%的灰土中養(yǎng)護(hù)，待3 d、7 d、14 d、28 d時(shí)，分別取出做無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)。

素土和不同灰劑量的改良土無(wú)荷膨脹率和時(shí)間的關(guān)系參見(jiàn)圖6～圖9。

圖6 不同灰劑量線膨脹率曲線（3 d）

圖7 不同灰劑量線膨脹率曲線（7 d）

圖8 不同灰劑量線膨脹率曲線（14 d）

從圖6～圖9可以看出，不同灰劑量改良土的無(wú)荷膨脹率隨時(shí)間變化較大，7 d時(shí)，4%灰劑量的石灰改良土的無(wú)荷膨脹率僅為0.025%，幾乎為零。灰劑量大于4%時(shí)，養(yǎng)護(hù)7 d即可使其膨脹性完全消除。14 d和28 d時(shí)，除2%灰劑量的改良土仍具有少許膨脹外，其它都不再膨脹。綜合經(jīng)濟(jì)和效果，高液限土摻入4%灰劑量養(yǎng)護(hù)上7 d時(shí)的改善土體膨脹率的性價(jià)比最優(yōu)。

圖9 不同灰劑量線膨脹率曲線（28 d）

分析其主要原因，高液限土中的粘土礦物吸水的同時(shí)，也與其發(fā)生了離子交換，從而導(dǎo)致脹縮性變小。另外石灰加入土中后，經(jīng)過(guò)物化作用，隨之生成膠凝物，形成凝膠團(tuán)結(jié)構(gòu)（氫氧化鈣），并與土粒結(jié)合形成共晶體，把土粒膠結(jié)成整體，使改良土水穩(wěn)定性得到提高［7］。

可以看出，高液限土本身具有的膨脹性會(huì)對(duì)路基產(chǎn)生一定的影響，未經(jīng)改良的高液限土路堤即使碾壓成型，本身具有的膨脹性也會(huì)影響路堤的穩(wěn)定性。因此，在對(duì)高液限土進(jìn)行改良的同時(shí)也應(yīng)該把高液限粘土本身具有的膨脹性考慮在內(nèi)。但是高液限土在浸水狀態(tài)下的膨脹性是不是導(dǎo)致高液限土路堤干縮裂縫的主要原因還要通過(guò)干濕循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證［8］。

3 水穩(wěn)定性研究

高液限土路堤由于水分的散失會(huì)產(chǎn)生干縮裂縫，從而嚴(yán)重危害路堤安全。而在南方多雨地區(qū)，干濕季節(jié)的交替、地下水位的升降等均會(huì)導(dǎo)致路堤填土含水率的變化，影響路堤的強(qiáng)度和變形［9］。通過(guò)干濕循環(huán)試驗(yàn)方法對(duì)素土及改良土在經(jīng)歷干濕交替變化狀態(tài)下的強(qiáng)度和變形特性進(jìn)行研究，通過(guò)其表面裂縫的發(fā)展?fàn)顟B(tài)來(lái)評(píng)價(jià)改良效果。

3.1 素土、改良土干濕循環(huán)狀態(tài)下變形特性

制樣及試驗(yàn)方法與無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)相同［10］，將制備好改良土的試樣放在地下室的濕砂中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期間用噴水壺向濕砂表面定期噴水，防止砂變干，室溫下存放7晝夜，然后進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。定義相對(duì)膨脹率δr

式中：h為試樣膨脹穩(wěn)定后的高度；hi為第i次循環(huán)前試樣的高度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10、圖11。圖11中峰值為試樣每次浸水后的高度，谷值為試樣風(fēng)干至制樣含水率的高度。

素土經(jīng)歷了三次干濕循環(huán)，在第4次浸水后發(fā)生崩解，2%灰劑量改良土前期隨著循環(huán)次數(shù)的增加略有膨脹，5個(gè)循環(huán)后趨于恒定。4%石灰改良土直到第七次干濕循環(huán)后才稍有膨脹。6%和8%灰劑量的石灰改良土整個(gè)循環(huán)過(guò)程未見(jiàn)膨脹，試樣的整體性完好。

圖10 相對(duì)膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化

圖11 試樣高度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系

由圖11中素土和2%石灰改良土試樣高度變化，說(shuō)明試樣的脹縮變形不是完全可逆的，存在一種類似于塑性變形的不可恢復(fù)的變形。素土的循環(huán)破壞說(shuō)明高液限素土的水穩(wěn)定性很差，即使能夠達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度，在經(jīng)歷幾個(gè)干濕循環(huán)后，路基將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞［11］。2%灰劑量改良土水穩(wěn)性能就比素土好很多，4%時(shí)膨脹現(xiàn)象已很弱，當(dāng)高達(dá)6%和8%時(shí)幾乎不見(jiàn)膨脹現(xiàn)象，可見(jiàn)添加一定量石灰劑量可有效改善高液限土的水穩(wěn)性，增強(qiáng)其抗干濕循環(huán)能力。

3.2 改良土干濕循環(huán)狀態(tài)下的強(qiáng)度特性

通過(guò)干濕循環(huán)過(guò)程中石灰改良土的CBR變化情況進(jìn)行干濕循環(huán)狀態(tài)下改良土的強(qiáng)度特性研究［12］。改良土的承載比隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系參見(jiàn)圖12。

圖12 改良土承載比隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系

試驗(yàn)中，2%灰劑量改良土循環(huán)到第六次時(shí)，試樣邊緣脫落嚴(yán)重，導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，至此終止。4%、6%、8%灰劑量改良土試驗(yàn)一直持續(xù)到第十五次。由圖12知，2%、4%灰劑量改良土的CBR值先隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，循環(huán)到一定次數(shù)之后再降低。6%、8%灰劑量改良土先隨循環(huán)次數(shù)增加而增加，后漸趨平穩(wěn)，直至第十五次循環(huán)未出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。通過(guò)改良土的干濕循環(huán)試驗(yàn)可以看出，素土的水穩(wěn)定性很差，在干濕循環(huán)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的干縮裂縫，經(jīng)歷幾次干濕循環(huán)后最終發(fā)生崩解。相比而言，石灰改良土很好的解決了高液限土的干縮裂縫問(wèn)題，灰劑量在4%以上時(shí)，便具有良好的水穩(wěn)定性，變形和強(qiáng)度指標(biāo)明顯提高，可以達(dá)到滿足路堤的工程要求，且在整個(gè)的干濕循環(huán)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)干縮裂縫現(xiàn)象。綜上所述，摻石灰能有效的解決高液限土水穩(wěn)定性差的問(wèn)題。

4 結(jié) 論

（1）當(dāng)高液限土中添加4%左右灰劑量，養(yǎng)護(hù)至7 d～14 d，其液限明顯降低、塑限大幅提高，塑性指數(shù)顯著降低，因此，對(duì)于天然含水率高，塑性指數(shù)偏高的高液限土可通過(guò)摻灰改良可改善其工程特性。

（2）石灰改良土的無(wú)荷膨脹率明顯低于素土的無(wú)荷膨脹率。且在灰劑量為4%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d時(shí)，可達(dá)到綜合性能較好的降低膨脹率的效果。

（3）干濕循環(huán)作用下，素土很快崩解，而石灰改良土則隨著灰劑量的增大，其膨脹現(xiàn)象越是推后且不明顯。

（4）摻加石灰能有效增加高液限土CBR值，但隨摻灰量的增加其效果并不一定呈直線性變化，存在一最佳摻灰量，從本次試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，最佳摻灰量為6%。

［1］ 楊和平，張 銳.有荷條件下膨脹土的干濕循環(huán)脹縮變形及強(qiáng)度變化規(guī)律［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（11）：1936-1941.

［2］ 中華人民共和國(guó)交通部.JTGF10－2006.公路路基施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

［3］ 中國(guó)人民共和國(guó)交通部部標(biāo)準(zhǔn).公路土工試驗(yàn)規(guī)程.JTJ051－81［S］.北京：人民交通出版社，1982.

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Experimental Study on High Liquid Lim it Soil Improved by Lime

ZHANG Ya-jie1，2，HONG Bao-ning1，2，LIU Xin1，3
（1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China；2.Geotechnical Engineering Research Institute，HohaiUniversity，Nanjing，Jiangsu 210098，China；3.Tunnel and Rail Project Research Institute，HohaiUniversity，Nanjing，Jiangsu 210098，China）

Aimed at the theory lackness of high liquid limit soil’s application in embankment filling，the test and study are carried out for the soil properties before and aftermixingwith lime.Through the limitmoisture content test，expansion ratio testand water stability testunder dry-wet circulation，the physical andmechanical properties and the changing regulationsof themixed soilunder differentash dosage and curing time are studied.Themain results show thatunder the lime dosage of 4%and 7～14 curing days，both liquid limitand plastic index have obvious decline；themixed soil’s expansion ratio is significantly lower than thatof plain soil，and the achieved effect is best in the lime dosage of4%and curing time of7 days；with the dry-wet circulation，the plain soil collapses soon，while themixed soil’s expansion occuers later and is notobviouswith the increase of lime dosage；themixed soil’s CBR value first increaseswith the cycle times，then gradually levels off，and under the lime dosage of 2%and 4%，tends to decrease after certain cycle times.

high liquid lim it soil；lime dosage；curing time；p lasticity index；CBR value；water stability

TU411.2

A

1672—1144（2014）01—0006—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.002

2013-08-21

2013-09-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51079052）；廣東省交通廳科技項(xiàng)目（200903005）；河海大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2012B03014）

張亞杰（1988—），女，河南周口人，碩士研究生，研究方向?yàn)檐浕幚砗偷叵鹿こ獭?/p>