不同含水率下石灰改良紅層泥巖土的力學特性試驗研究

李俊峰

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢430010）

0 引 言

紅層泥巖在我國各地均有分布，尤其在華中及西南地區(qū)面積較廣，且以裸露型為主[1-2]，大量土工構筑物如鐵路、公路等均要穿越紅層泥巖地區(qū)，從而不可避免地要使用紅層泥巖作為建筑材料。紅層泥巖的工程性能較差，具有強度低，遇水易軟化[3]，易崩解[4]等不良特性。此外，一些地區(qū)的紅層泥巖還含有膨脹礦物如蒙脫石，伊利石等，因而具有一定膨脹性[5]。為解決此問題，常用一些改良劑如弱風化泥巖，石灰，水泥，粉煤灰等對紅層泥巖進行改良以提升其強度和承載力，并取得了豐富的成果[6-9]。不同改良劑的改良效果有所不同，如對于具有膨脹性的紅層泥巖，石灰和水泥抑制其膨脹性的效果相對較好，而粉煤灰的改良效果不如前者理想[10]。此外，不同地區(qū)的紅層泥巖的自身性質也有所不同，因而改良效果也不盡相同。如四川地區(qū)紅層泥巖的最優(yōu)含水率約為9%，而蘭州地區(qū)則為16%，其膨脹性和液塑限也低于蘭州地區(qū)[11-13]。因此，紅層泥巖自身的工程特性具有較強的環(huán)境敏感性和地域敏感性。在黔張常高鐵路線穿越的湘西北地區(qū)，其紅層地質非常復雜，該地區(qū)紅層地質大多形成于白堊系，且人工活動非常頻繁，開挖邊坡較多[14-16]。在長期地質構造及水汽循環(huán)作用下，裸露的紅層邊坡風化程度非常嚴重，并且已出現了部分邊坡滑坡的工程案例[17]，因而開展該地區(qū)紅層泥巖的改良研究是非常必要的。

目前而言，改良湘西北地區(qū)紅層泥巖的相關研究較少，對其他地區(qū)的紅層泥巖及的改良則大多集中在工程特性如強度[18]，崩解性[19]，膨脹性[20]等指標，而對于紅層泥巖自身含水率對改良效果的研究則不多。在湘西北地區(qū)，由于降雨較為集中，紅層泥巖路基含水率呈現不斷上升的趨勢，而含水率增加對紅層泥巖的強度就有非常的不利影響[21]。

因而，在不同含水率下，摻入多少的石灰能夠取得何種改善結果，這也是一個需要掌握的問題。從工程和黔張常高鐵實際的水文地質環(huán)境出發(fā)，本文首先對不同摻量下石灰改良紅層泥巖土進行了擊實試驗，以確定其最大干密度和最優(yōu)含水率。隨后，對壓實度95%條件下最優(yōu)含水率和飽和含水率的改良紅層泥巖土進行了無側限抗壓，CBR 和直剪試驗，分析了石灰摻量對改良紅層泥巖土強度和承載力的影響，評價了石灰改良紅層泥巖土強度和承載力的效果，并最終推薦了最佳的石灰摻量。

1 試驗材料

試驗材料取自黔張常高速鐵路某路基邊坡表層，泥巖土外觀呈棕紅色，具有一定黏性。由于風化作用，泥巖土內部結構完全破壞，形態(tài)呈顆粒狀，其天然含水率為18.5%，自由膨脹率為55%，其他指標見表1。

表1 強風化泥巖土的基本物理指標

由于紅層泥巖土具有較高的崩解性，工程上一般作預崩解處理，在實際使用時其顆粒粒徑較小[21]。因而首先將所取紅層泥巖土風干60 d，使其處于低含水率狀態(tài)，隨后利用碎土機粉碎塊狀泥巖土，過篩，取粒徑小于2 mm 顆粒。再次風干30 d 后，測定含水率，并按風干樣配制指定含水率的試樣。隨后，按素土，摻3%石灰，摻6%石灰和摻9%石灰制作試樣并進行擊實，無側限抗壓，CBR 和直剪試驗。其中，用于無側限抗壓強度的試樣為圓柱樣，直徑50 mm，高度100 mm。用于直剪強度的試樣為環(huán)刀樣，直徑61.8 mm，高度20 mm。試驗過程遵守《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）的各項規(guī)定。

2 試驗方案及結果

2.1 擊實試驗

首先進行擊實試驗以確定不同石灰摻量的改良紅層泥巖土的最大干密度和最優(yōu)含水率。將風干紅層泥巖土與指定摻量的石灰混合，攪拌均勻，利用噴水法使試樣達到指定含水率含水率并悶料24 h。待水分均勻分布后進行重型擊實試驗，按5 層擊實，每層56 擊，完成后計算各試樣的含水率和干密度，結果見圖1 和圖2。

圖1 擊實試驗結果

圖2 最大干密度和最優(yōu)含水率隨石灰摻量的關系

從擊實試驗結果可以看出，隨石灰摻量增加，改良紅層泥巖土的擊實曲線逐漸往右下方移動，其最優(yōu)含水率逐漸增加，且高于素土的最優(yōu)含水率；而最大干密度則逐漸減小，且小于素土的最小干密度，這與其他地區(qū)改良紅層泥巖土的擊實特性相符[10，21]。這是由于摻入石灰后，發(fā)生水化反應，從而使改良土擊實需要更多水。石灰水化后又與土粒作用，形成凝絮體，從而增大改良土的顆粒，更難以壓實。因而在恒定壓實功下，石灰摻量越多，其最大干密度反而越小。

2.2 無側限抗壓試驗

確定改良紅層泥巖土的最大干密度和最優(yōu)含水率后，按壓實度K=95%和最優(yōu)含水率配制試樣，并在標準條件下養(yǎng)護7 d。養(yǎng)護完成后，將部分試樣抽氣飽和，飽和樣完成后用保鮮膜包裹試樣密封靜置8 h 使水分均勻分布，在保鮮膜上灑適量水分以防止試樣脫水，隨后進行無側限抗壓試驗，結果見圖3～圖5。

圖3 最優(yōu)含水率下石灰改良全風化泥巖土無側限抗壓軸向應力- 應變圖

圖4 飽和狀態(tài)下石灰改良全風化泥巖土無側限抗壓軸向應力- 應變圖

圖5 無側限抗壓強度隨石灰摻量的關系

從無側限抗壓試驗的結果看以看出，當泥巖土處于最優(yōu)含水率狀態(tài)時，無論是素土還是改良圖都具有應變軟化特性，即應力首先隨應變增加而增加，當應變超過一定值時，強度急劇衰減。隨著石灰摻量增加，改良紅層泥巖土的應變軟化特性越發(fā)明顯。最優(yōu)含水率狀態(tài)下，紅層泥巖土的無側限抗壓強度遠高于飽和狀態(tài)，且隨著石灰摻量的增加，無側限抗壓強度也逐漸增加。當石灰摻量為9%時，其無側限抗壓強度為2 896 kPa，約為素土的6.62 倍，因此，摻入石灰能顯著提高紅層泥巖土的無側限抗壓強度

當泥巖土處于飽和狀態(tài)下，素土的應力- 應變曲線呈硬化特性，而摻入石灰后，改良紅層泥巖土又呈軟化特性。其原因在石灰的水化物在土顆粒間形成了膠結物，阻止土顆粒間的滑移和相對錯動，從而在宏觀上提高了土體的抗壓強度；但隨著應變超過一定值時，膠結物逐漸破壞失效，土體的強度迅速衰減，從而導致飽和的改良紅層泥巖土應變特性與素土有所不同。飽和狀態(tài)下，改良紅層泥巖土的無側限抗壓強度較素土同樣有明顯提升，但隨石灰摻量增加，其提升效果則并不顯著。如石灰摻量為3%時，其強度提升了450 kPa，而石灰摻量提升至9%時，其無側限抗壓強度相較于石灰摻量3%的情況只額外提升了70 kPa，這于最優(yōu)含水率狀態(tài)下有所區(qū)別。這一試驗結果可能是飽和樣含水率較高，而過多水分存在本身就會劣化膠結材料，使其強度降低；此外，抽氣飽和這一過程也會對土體結構產生影響，從而也使膠結材料發(fā)生劣化，因而強度提升并不高。

2.3 CBR 試驗

按K=95%，含水率為最優(yōu)含水率制作試，將制好的試樣浸水4 d 使其充分膨脹，隨后進行CBR 試驗，試驗結果見圖6 和圖7。

圖6 不同石灰摻量的貫入曲線圖

目前對高速鐵路而言，其CBR 值并無明確規(guī)定，因此其要求可參照《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30—2015） 對高速公路路基CBR 值的規(guī)定。從CBR 試驗的結果可以看出，摻入石灰能很好的改善紅層泥巖土的CBR 值，且摻入量越高，改良土的CBR 值也越高。素土的CBR2.5 系數只有6%，不滿足規(guī)范要求，而摻入3%，6%，9%石灰后，其CBR 值分別提高到25%，31%和55%，顯著提升了路基的承載能力。

圖7 CBR 隨石灰摻量的關系

2.4 直剪試驗

為掌握含水率及石灰摻量對改良紅層泥巖土的影響，對飽和含水率和最優(yōu)含水率狀態(tài)下的改良紅層泥巖土進行了直剪試驗，共進行了40 組。試驗上覆 正 壓 力 為25 kPa，50 kPa，100 kPa，150 kPa 和200 kPa。試驗制樣方法與無側限抗壓試驗一致，測量結果見圖8 和圖9，計算結果見圖10 和圖11。

圖8 最優(yōu)含水率下石灰改良全風化泥巖土的抗剪強度線

圖9 飽和狀態(tài)下石灰改良全風化泥巖土的抗剪強度線

圖10 黏聚力隨石灰摻量的關系

圖11 內摩擦角隨石灰摻量的關系

從直剪試驗結果來看，最優(yōu)含水率紅層泥巖土的抗剪強度遠高于飽和狀態(tài)下的紅層泥巖土，這一結果與其他地區(qū)紅層泥巖的試驗結果是相符的[10]。紅層泥巖土的抗剪強度對含水率十分敏感，因而在降雨集中的黔張常鐵路地區(qū)，做好紅層邊坡的防水措施是十分必要的。摻入石灰后，改良紅層泥巖土的抗剪強度有所增加，這是因為石灰中的堿性鈣質物與紅層泥巖中的活性硅和活性鋁等物質發(fā)生了化學反應并產生了硅酸鈣和硅酸鋁，加強了土顆粒間的黏結，使多個較小土粒形成團聚體，從宏觀上增加了其摩擦角和黏聚力。

不同含水率下，石灰改良紅層泥巖剪切強度的效果也不盡相同。飽和含水率狀態(tài)下，改良紅層泥巖土的黏聚力表現為隨石灰摻量增加而增加的趨勢，且增加的速率并無放緩趨勢。當石灰摻量為9%時，改良紅層泥巖的黏聚力增加了近一倍，這說明摻入石灰后形成的膠結物是能供土體的黏聚力的來源之一。改良紅層泥巖土的摩擦角同樣表現為隨石灰摻量增加而增加的趨勢，但石灰摻量增加，摩擦角增加的速率明顯放緩，當石灰摻量為9%時，內摩擦角相較于摻量3%的改良土只增加了30%左右。由于粒間水膜的存在，土顆粒間的摩擦機制相較于黏聚力的形成要復雜一些，當含水率較大時，粒間水膜較厚，在團聚體間及團聚體內部顆粒間起到潤滑作用，因此石灰增加對改良紅層泥巖土內摩擦角的改善不如黏聚力明顯。最優(yōu)含水率狀態(tài)下，摻入石灰對紅層泥巖土的黏聚力同樣有顯著提升，且增速同樣較快，當石灰摻量為9%時，改良紅層泥巖土的黏聚力提升了約80%。然而，對于內摩擦較而言，摻入石灰后的變化規(guī)律則并非是單調的。改良紅層泥巖土在初始摻量為3%時相較素土有明顯提升，但隨著石灰摻量增加，其增速明顯放緩。當石灰摻量為6%時，其內摩擦角相較于摻量6%的情況略有減小。這是因為摻入石灰需要大量水分與較長的時間發(fā)生化學反應，當水分不夠而摻入石灰量又過多時，一部分石灰首先與土體結合形成凝絮體，阻止了其余石灰顆粒繼續(xù)發(fā)生反應，而剩余較多的小石灰顆粒在團聚體及團聚體內部膠結物間，在剪切力作用下反而對顆粒間的摩擦產生潤滑作用，因而對內摩擦角產生不利效果。

從上述試驗結果來看，摻入石灰對紅層泥巖土的強度及承載力均有明顯提升，提升效果則受土體自身含水率和石灰摻量所影響?？紤]到飽和狀態(tài)下石灰摻量增加對無側限抗壓強度和內摩擦角提升并不顯著，同時考慮到最優(yōu)含水率下過量石灰對紅層泥巖土內摩擦角的改善有抑制作用，因此推薦用石灰改良紅層泥巖土時，摻量為6%。

3 結 論

本文利用石灰對黔張常高鐵地區(qū)的紅層泥巖土進行了改良，并對改良土進行了一系列力學試驗，分析了不同力學指標的改良效果，確定了最優(yōu)石灰摻比，主要結論如下：

（1）隨石灰摻量增加，改良紅層泥巖土的擊實曲線逐漸往右下方移動，其最優(yōu)含水率逐漸增加，且高于素土的最優(yōu)含水率；而最大干密度則逐漸減小，且小于素土的最小干密度。

（2）最優(yōu)含水率狀態(tài)下，紅層泥巖土的無側限抗壓強度遠高于飽和狀態(tài)，摻入石灰能顯著提高紅層泥巖土的無側限抗壓強度，且隨著石灰摻量的增加，無側限抗壓強度也逐漸增加。飽和狀態(tài)下，改良紅層泥巖土的無側限抗壓強度較素土同樣有明顯提升，但隨石灰摻量增加，其提升效果則并不顯著。

（3）紅層泥巖素土的CBR2.5 系數只有6%，不滿足規(guī)范要求，摻入石灰能很好的改善紅層泥巖土的CBR 值，且摻入量越高，改良土的CBR 值也越高，因此石灰改良紅層泥巖土顯著提升了路基的承載能力。

（4）飽和狀態(tài)下，改良紅層泥巖土的黏聚力表現為隨石灰摻量增加而增加的趨勢，且增加的速率并無放緩趨勢，摩擦角同樣表現為隨石灰摻量增加而增加的趨勢，石灰摻量增加，摩擦角增加的速率明顯放緩；最優(yōu)含水率狀態(tài)下，石灰對紅層泥巖土黏聚力的改良效果與飽和狀態(tài)相似，但石灰摻量超過6%時，其內摩擦角略有減小，最終推薦用石灰改良紅層泥巖土時，摻量為6%。