曾軍

(湖南金沙路橋建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410100)

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石灰改良紅黏土的試驗研究

曾軍

(湖南金沙路橋建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410100)

基于對高速鐵路路基變形的嚴格要求，路基填料的改良越來越成為一個重要問題。依托實際工程，通過室內(nèi)試驗和理論分析，研究石灰改良紅黏土的擊實特性和無側(cè)限抗壓強度。試驗結(jié)果表明：石灰能夠有效的改良紅黏土的力學性能，隨著石灰摻量對的增大，改良土的最優(yōu)含水率在增加，而最大干密度在逐漸減小；無側(cè)限抗壓強度隨著石灰摻量的變大先增大然后變小，存在一個“最優(yōu)石灰摻量”。結(jié)果表明：8%的石灰摻入量是最佳配合比；隨著石灰摻量的增大，峰值強度對于的應(yīng)變在8%達到最小值。隨著石灰摻量的增大，脆性指數(shù)IB越來越小，試樣表現(xiàn)為脆性破壞，其延展性變差。

石灰；紅黏土；無側(cè)限抗壓強度；最優(yōu)石灰摻量；脆性指數(shù)

在對高速公路和鐵路要求越來越高的今天，于填筑路基而言，往往需要采取一些相應(yīng)的加固措施?，F(xiàn)階段路基處理的方法有：夯實法、換土法、保濕法、化學改良法、生物改良法及物理改良法。其中化學改良法常采用在土體中摻入石灰、粉煤灰、水泥等無機結(jié)合料來提高土體的強度，降低土體的壓縮下和改善土體的變形特性。這種混合土以其穩(wěn)定性好、抗凍性強、結(jié)構(gòu)體本身自成板塊等特點，在工程中應(yīng)用特別廣泛。在我國，石灰穩(wěn)定土壤可以追溯到商朝，此后石灰常被用作處理城墻、寺廟的地基。近10年來，由于石灰的處理路基的效果明顯，能夠有效改善土體的工作性能，經(jīng)濟有效，從而相應(yīng)的研究也較為深入，目前研究主要集中在以下幾個區(qū)域：壓實度、最佳摻入比、最優(yōu)含水率、養(yǎng)護時間和條件、土體的類型等。阮波等[1]通過試驗研究全風化泥質(zhì)粉砂巖的物理力學性質(zhì)、探討了對石灰改良土的液塑限的變化、擊實特性、水穩(wěn)定性以及無側(cè)限抗壓強度的主要影響因素，提出了石灰摻入的最佳摻入比。陳寶等[2]對不同摻灰量的改良土進行了擊實實驗、液塑限和三軸剪切實驗，重點分析了隨著石灰的增加，石灰改良土的有效粘聚力先增加后減少，而有效內(nèi)摩擦角一直在增大。查普生等[3]研究石灰-粉煤灰改良膨脹土的機理，分析其對膨脹率、膨脹量、膨脹力和線縮性減小趨勢的影響。陳濤等[4]通過對比研究了石灰、水泥和粉煤灰三種改良劑對于同一種膨脹土的試驗研究，確定了中、高膨脹土最佳石灰摻入比為6%。周葆春等[5]選用Duncan模型描述膨脹土破壞前表現(xiàn)的壓硬性、剪縮性與應(yīng)變強化特性，標定了相應(yīng)的模型參數(shù)，通過數(shù)值模擬與平行試驗對比了模型的可靠性與適用性。本試驗結(jié)合實際工程，通過試驗研究代表性的紅黏土在不同石灰摻量情況下的擊實狀況和無側(cè)限抗壓強度的變化趨勢，以期對高速鐵路的設(shè)計和施工提高參考。

1　試驗研究

1.1試驗材料

試驗所用土取自某高速公路的紅黏土，其物理力學指標如表1所示。石灰為深圳的市長隆科技有限公司生產(chǎn)的清源牌石灰，其化學性質(zhì)見表2。

表1　紅黏土的物理力學性質(zhì)

表2　石灰的物理力學性質(zhì)

1.2試驗方案

采用石灰摻入比分別為0%，4%，6%，8%和10%進行試驗，試驗嚴格按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB10102—2010)[6]進行。由于本試驗針對的是對路基填筑要求很高的高速鐵路，所以采用重型擊實標準對紅黏土進行擊實試驗。然后選擇石灰在不同摻入比下的最優(yōu)含水量和最佳干密度進行配比進行無側(cè)限抗壓強度試驗，每組試樣制備6個，取其平均值作為最終強度，同時算出標準差，試驗允許標準差為10%，超出則重新進行制樣。

1.3試樣制備

1.3.1擊實試驗

取代表性的紅黏土通過5mm篩。前一天，按烘干法測定土的風干含水率，配制6份試樣，每份試樣先按比例加好石灰，按預定的不同的含水率，依次相差1%-2%,其中各有兩份小于最優(yōu)含水率和大于最優(yōu)含水率，將混合料與水按所設(shè)計的比例充分攪拌。分三次擊實，每次擊94下，測定其含水率。

1.3.2無側(cè)限抗壓強度試驗

選取代表性的土樣風干、碾碎、過2mm篩，壓實度為0.94，試樣尺寸為直徑50mm和高度50mm的圓柱體。按照擊實試驗的最優(yōu)含水率計算出所需水的質(zhì)量，稱量水、土和石灰等材料的質(zhì)量，并拌合均勻?；旌狭戏?層擊實，上下層適當刮毛，以增大上下層之間土樣摩擦咬合作用。脫膜標號后放入保濕缸內(nèi)套上保鮮袋內(nèi)進行養(yǎng)護7d，如圖1所示。

圖1　試樣的養(yǎng)護Fig.1 Maintenance of sample

2　試驗結(jié)果及分析

2.1擊實試驗

在相同的落錘和擊數(shù)條件下，表3反應(yīng)了在不同石灰摻量情況下的改良土的擊實試驗結(jié)果，圖1為擊實特性與石灰摻量的關(guān)系曲線。

表3　不同石灰摻量下改良土的擊實試驗

圖2　不同石灰摻量下改良土的擊實曲線Fig.2 Compaction curves of lime-stabilized soil

從圖中可以發(fā)現(xiàn)：隨著石灰參量的增加，石灰土的最大干密度在逐漸降低，而最優(yōu)含水率在逐漸增大。這是因為石灰的相對體積質(zhì)量比紅黏土的相對體積小，在沒有養(yǎng)護時存在一定程度的膠結(jié)作用，形成新的膠結(jié)物質(zhì)，改變了石灰土的壓實性能，所以最大干密度在降低；同時由于土顆粒和石灰之間的的離子交換作用，導致土顆粒周圍的雙電子層密度與厚度發(fā)生改變，石灰與水還會發(fā)生化學反應(yīng)，消耗了其中一部分水，所以最優(yōu)含水率量在一直增大。

2.2無側(cè)限抗壓強度試驗

2.2.1試驗結(jié)果

無側(cè)限抗壓強度試驗側(cè)限抗壓采用WDW-50型微機控制電子萬能試驗機，試驗過程中應(yīng)變速率控制在10mm/min，記錄每個試樣破壞時的最大壓力，最后換算成無側(cè)限抗壓強度。不同石灰摻量的改良紅黏土7d齡期的試驗結(jié)果如表4所示。

表4　試驗結(jié)果

由表4可以看出，經(jīng)過石灰改良的紅黏土的無側(cè)限抗壓強度較未改良的紅黏土的明顯提高很多。在壓實度為0.94的情況下，在石灰摻量較低時，石灰改良紅黏土隨著石灰摻量的增大而增大，在摻入比達到8%時達到最大；而后強度隨著石灰摻量的增大而減小，這說明石灰改良紅黏土存在一個最優(yōu)的摻量。這是因為當石灰較低時，石灰與土中大量存在的Si、Al或者與二者同時作用，形成強度較高和粘結(jié)性較強的膠結(jié)物質(zhì)，這種物質(zhì)對于土體整體強度的提高具有很大作用。但是當石灰超過一定的摻量以后，過多的石灰將沉積在土中的空隙中而不參加反應(yīng)，導致石灰在土體中存在潛在的滑動帶，其石灰本身沒有什么黏聚力，從而影響強度。從而在本次試驗中，8%的石灰摻量是“最優(yōu)石灰摻量”。在實際工程中，石灰改良紅黏土的無側(cè)限抗壓強度存在一個峰值點，過多或者過少的摻入石灰均不利用工程的實用性和經(jīng)濟性。

2.2.2石灰摻入量對改良土強度特性的影響

從表5、圖3和圖4中可以發(fā)現(xiàn)隨著石灰摻量的增加，殘余強度也是先增大而后減小的趨勢，但峰值強度對應(yīng)的應(yīng)變卻是先減小而后增大，最低點是在石灰摻量為8%時，也就是前文提到的“最優(yōu)石灰摻量”。 試樣在不同石灰摻量的條件下，脆性指數(shù)較峰值強度對應(yīng)的應(yīng)變而言更能反映延展性。脆性指數(shù)<1，取值變小時說明試樣表現(xiàn)為脆性破壞。從圖4看到，隨著石灰摻量的增大，IB越來越小，試樣越來越表現(xiàn)為脆性破壞。

表5　改良土的強度特性

圖3　峰值強度對應(yīng)的應(yīng)變曲線Fig.3 Corresponding of strain curve peak intensity

圖4　脆性指數(shù)變化曲線Fig.4 Change curve of brittleness index

2.2.3石灰摻入量對改良土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系反應(yīng)了試樣在受到荷載作用后，改良紅黏土試樣內(nèi)部各部分之間產(chǎn)生的相互力的作用，以及由此產(chǎn)生的相應(yīng)的變形。圖5和圖6反映了未加入石灰的紅黏土和加入石灰后的改良紅黏土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

由于加入石灰的改良土的曲線大致相同，所以選取具有代表性的石灰摻量為6%的改良土。從上圖中對比發(fā)現(xiàn)：加入石灰和未加入石灰的紅黏土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線是明顯不同。加入石灰的紅黏土在應(yīng)變?yōu)?.5時達到峰值強度，而且在上升階段具有明顯的直線段；達到峰值強度后，隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，其強度下降也十分迅速，最后隨著應(yīng)變的增加而應(yīng)力保持不變，具有一定的殘余強度，其抗壓試驗變化過程類似于混凝土抗壓強度試驗。破壞后的試樣大部分呈兩個倒三角錐形式。未加石灰的紅黏土強度上升較慢，達到峰值強度后期強度為立刻下降，而是存在一個緩沖期。隨著應(yīng)變的持續(xù)增加，強度最后緩慢將至穩(wěn)定值，而且其殘余強度除以峰值強度的比例遠遠大于改良土的，其延展性要好很多，破壞時存在顯著的剪切面。

圖5　素紅黏土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Curves of stress versus strain of soil

圖6　加入6%石灰的改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Curves of stress versus strain of lime-stabilizedsoil

3　結(jié)論

1)石灰能夠改善紅黏土的力學性能，紅黏土隨著石灰摻量的增加，其最優(yōu)含水率在增加，而最大干密度在逐漸減小。

2)石灰改良紅黏土存在一個最佳的配合比，超過這個摻量后無側(cè)限抗壓強度反而下降。根據(jù)試驗結(jié)果分析，筆者認為石灰摻量為8%比較合適。

3)隨著石灰摻量的增大，峰值強度對于的應(yīng)變在8%達到最小值。脆性指數(shù)IB越來越小，試樣表現(xiàn)為脆性破壞，其延展性變差。

[1] 阮波，張向京. 武廣客運專線路基改良填料的試驗研究[J].鐵道科學與工程學報，2008,5(1)：64-68.

RUANBo,ZHANGXiangjing.ExperimentstudyonfillingmaterialimprovementfortheembankmentofWu-Guangzhourailwaypassengerline[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2008,5(1):64-68.

[2] 陳寶，李池龍，李永剛.石灰改良路基土的力學特性試驗研究[J].路基工程，2013(6):78-82.

CHENBao,LIChilong,LIYonggang.Experimentalstudyonmechanicaloflimeimprovedsubgradesoil.SubgradeEngineering. 2013(6):78-82.

[3] 查甫生,劉松玉,杜延軍.石灰—粉煤灰改良膨脹土試驗[J].東南大學學報(自然科學版),2007,37(2):339-344.

ZHANGFusheng,LIUSongyu.DUYanjun.Experimentonimprovementofexpansiveclayswithlime-flyash.JournalofSoutheastUniversity(NaturalScienceEdition). 2007,37(2):339-344.

[4] 陳濤，顧強康，郭院成.石灰、水泥、粉煤灰改良膨脹土對比試驗[J].公路,2008(6):164-167.

CHENGTao,GUQiangkang,GUOYuancheng.Experimentonimproveofexpansivewithlime,cement,ash[J].HighWay， 2008(6):164-167.

[5] 周葆春,孔令偉,郭愛國.石灰改良膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變-強度特征與本構(gòu)描述[J].巖土力學，2012,33(4):999-1005.

ZHOUBaochun,KONGLingwei,GUOAiguo.Stress-strain-strengthbehaviorandconstitutivedescriptionoflime-treatedsoil[J].RockandSoilMechanics. 2012,33(4):999-1005.

[6]TB10102—2010，鐵路工程土工試驗規(guī)程[S].

TB10102—2010,Codeforsoiltestofrailwayengineering[S].

[7] 曾軍，彭學先，阮波，等.聚丙烯纖維紅黏土無側(cè)限抗壓強度試驗研究[J].鐵道科學與工程學報，2015,12(3)，545-550.

ZENGJun,PENGXuexian,RUANBo,etal.Experimentalstudyonunconfinedcompressivestrengthofpolypropylenefiberreinforcedredclay[J].JournalofrailwayScienceandEngineering, 2015,12(3):545-550.

[8] 崔偉,李華鑾,穆乃敏.石灰改性膨脹土工程性質(zhì)的試驗研究[J].巖土力學,2003,24(4):606-609.

CUIWei,LIHuanluan,MUNaimin.Experimentalresearchonengineeringcharacterofimprovedexpansivesoilwithlime[J] .RockandSoilMechanics, 2003,24(4):606-609.

[9] 張孟喜.聚丙烯加筋灰土的三軸強度特性[D].上海：上海大學，2009.

ZHANGMengxi.Polypropylenereinforcedlimesoiltriaxialstrengthcharacteristics[D].Shanghai:ShanghaiUniversity, 2009.

Experimental study on improvement of red clay with lime

ZENGJun

(Hunan, Jinshaluqiao Construction Co. Ltd, Changsha 410100，China)

Thecharacteristicsofimprovedsoilplayanimportantroleforhigh-speedrailwaybecauseofthestrictrequirementsoftheembankment.Relyingontheactualrailwayproject,aseriesofsamplesofredclaywerepreparedandsubjectedtothecompactiontestandunconfinedcompressivestrength(UCS)testinthisstudy.Theresultsindicatethatlimecanimprovethemechanicalpropertiesofredclayeffectively.Asthelimecontentincreases,theoptimumwatercontentincreases,however,themaximumdrydensitydecreases.TheUCSincreasesbeforelimecontentof8%andafterthelimecontentof8%.TheUCSislargestwhenthelimecontentisclosetothe“optimallimecontent”.Meanwhile,peakintensityforstrainbecomestheminimumwhenthelimecontentis8%.Asthelimecontentincreases,brittlenessindexbecomesdecreasing,andthefailuremodechangesfromplastictobrittle.Theresultsoflimestabilizedsoilassubgradefillingmaterialcanbeusedasreferenceforothersimilarengineeringapplications.

lime;redclay;UCS;theoptimaldosageoflime;brittlenessindex

2015-09-11

曾軍(1980-)，男，湖南岳陽人，從事巖土工程方面的研究；E-mail:1527938446@qq.com

TU411

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1672-7029(2016)07-1289-05