夏 靜

（中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)市政設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 210006）

江蘇省境內(nèi)普通干線公路沿線廣泛分布著高液限黏土、淤泥、粉土和鹽漬土等特殊土，這些土的工程性質(zhì)差，不能直接作為路基填料，一般考慮摻加石灰對(duì)原土質(zhì)進(jìn)行處治改性，來(lái)滿足路基強(qiáng)度和耐久性的要求。米海珍等人［1］分析了石灰土的含水量、含灰最及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)石灰土抗剪強(qiáng)度、壓縮性及滲透性的影響。韓曉雷等人［2］和趙壽剛［3］等分析了影響石灰土工程性質(zhì)的因素。

在自然環(huán)境中的氣溫、氣候（濕度）、水分浸析和長(zhǎng)期交通動(dòng)荷載作用下，石灰土的力學(xué)行為逐漸劣化，造成普通干線公路未到設(shè)計(jì)使用年限就開(kāi)膛破肚［4-6］。但現(xiàn)行路基路面設(shè)計(jì)規(guī)范中，沒(méi)有充分考慮石灰處治土長(zhǎng)期性能劣化對(duì)路基路面的影響，缺乏考慮石灰處治土劣化的路基設(shè)計(jì)方法與技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，路基路面協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)不足，使得重載普通干線公路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中路基路面出現(xiàn)早期損害，嚴(yán)重影響公路的使用壽命和行車安全。由于石灰土性能劣化引起路基病害的防治，江蘇每年投入高達(dá)數(shù)億元，全國(guó)每年資金投入則高達(dá)數(shù)十億元［7-9］。因此，如何保證石灰處治土路基具有足夠強(qiáng)度和耐久性，研究石灰處治土路基長(zhǎng)期劣化演化規(guī)律已成為當(dāng)務(wù)之急。

A1-Abdul Wahhab等［10］研究了利用石灰改良土在干旱地區(qū)修筑高速公路的可行性。王天亮等［11］研究了不同凍融次數(shù)、冷卻溫度和圍壓下石灰改良土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、靜強(qiáng)度參數(shù)和破壞圖像。張立新和王家澄［12］研究了凍結(jié)狀態(tài)下石灰土的物理力學(xué)性質(zhì)，分析了不同石灰含量對(duì)石灰土凍脹特性的影響。唐劍瀟［13］定量闡明干濕循環(huán)過(guò)程對(duì)石灰改良土動(dòng)力特性的影響程度。本文主要研究干濕循環(huán)、凍融循環(huán)和浸水對(duì)石灰土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、含水量和pH值的影響，為江蘇公路建設(shè)的路基填土改良提供理論依據(jù)。

1 素土的干濕循環(huán)試驗(yàn)

1.1 試樣制作

土樣取自寧靖鹽高速高速公路鹽城北段，位于蘇北平原的中偏東部，鹽城境內(nèi)串場(chǎng)河以東，新洋港以北，黃沙港以南，地貌上屬于濱海平原工程地質(zhì)區(qū)濱海低地亞區(qū)。地勢(shì)平坦低洼，地面標(biāo)高一般小于2 m，地貌形態(tài)簡(jiǎn)單，河渠縱橫。土樣的物性指數(shù)分別為：IP=11.2，wL=32.0%，wP=20.8%，粉粒含量高，受氣候影響明顯，具有一定的代表性。

將風(fēng)干后的土樣過(guò)2 mm篩，按最優(yōu)含水量加水拌勻再在塑料袋內(nèi)潤(rùn)濕24 h后，按擊實(shí)試樣的制作法在制樣器內(nèi)分4層制成高8.0 cm、直徑3.91 cm、壓實(shí)度95%的擊實(shí)試樣。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

在開(kāi)放式系統(tǒng)中進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。圖1為經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)的試樣含水量變化規(guī)律。初始含水量為15%，經(jīng)過(guò)第1次24 h吸水后，土樣飽水后的含水量達(dá)到22.2%；第2次，為22.8%；第3次，為23.6%，吸水后的含水量逐漸增加。一次吸水脫水后的含水量為17.2%；2次后，為18.4%，3次后，為18.7%；脫水后的含水量略有增加。第3次試驗(yàn)中，吸水后的試樣在自重作用下有明顯變形。

圖1 干濕循環(huán)的含水量隨時(shí)間變化規(guī)律

圖2為素土的破壞形式，圖2表明，未經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)，含水量為15%的土樣破壞形式表現(xiàn)為脆性剪切破壞，含水量為17%的試樣為張裂破壞形式，破壞面為豎直平面。含水量為15%的試樣經(jīng)過(guò)一次干濕循環(huán)，為鼓脹、開(kāi)裂破壞，經(jīng)過(guò)兩次，以鼓脹破壞為主，經(jīng)過(guò)3次，試樣的破壞形式為鼓脹。

圖2 素土的破壞形式

圖3為素土試樣無(wú)側(cè)向抗壓試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖3表明，試樣未經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)，表現(xiàn)為脆性破壞，出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象；經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)，為塑性破壞，未出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

素土試樣達(dá)到應(yīng)力峰值時(shí)的應(yīng)變均為2.5%，說(shuō)明干濕循環(huán)對(duì)素土試樣的破壞應(yīng)變影響不大。未經(jīng)歷干濕循環(huán)，土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為446 kPa，經(jīng)歷1次后，強(qiáng)度急劇衰減，為187 kPa；第2次后，為133 kPa；第3次后，為88 kPa，說(shuō)明素土試樣的水穩(wěn)性很差。

圖4為經(jīng)過(guò)不同干濕循環(huán)次數(shù)，素土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu和含水量增加Δw與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。圖4表明，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，土樣飽水后的體積略有增大，土樣風(fēng)干后的含水量略有增大，導(dǎo)致qu降低。經(jīng)過(guò)1次干濕循環(huán)后，土樣強(qiáng)度急劇衰減，降幅58%，第2次后，降幅70%，第3次后，降低80%。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的降低幅度大，素土的干濕穩(wěn)定性差。

圖3 干濕循環(huán)土樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和含水量增量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

素土試樣經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后，土樣的含水量增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。根據(jù)干濕循環(huán)1次和2次的試樣含水量分別為17.2%和18.3%，制備相同含水量的試樣，比較含水量相同的經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)和未經(jīng)干濕循環(huán)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，如圖5所示。含水量相同，經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比未經(jīng)干濕循環(huán)試樣的強(qiáng)度小。因此，含水量增加和干濕循環(huán)作用都是無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低的原因。

圖5 經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)和未經(jīng)干濕循環(huán)試樣的強(qiáng)度比較

圖6為確定含水量增加和干濕循環(huán)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低的貢獻(xiàn)的分析方法。經(jīng)過(guò)一次干濕循環(huán)，由0→1，分解為由0→1'和由1'→1，由0→1'是由含水量增加引起的強(qiáng)度降低，強(qiáng)度降低了266 kPa，由1'→1是由干濕循環(huán)作用引起的強(qiáng)度降低，強(qiáng)度降低了166 kPa，含水量降低引起強(qiáng)度減小的幅度大。經(jīng)過(guò)第2次干濕循環(huán)，由1'→2，分解為由1'→2'和由2'→2兩部，由1'→2，強(qiáng)度降低了182 kPa，由2'→2強(qiáng)度降低了74 kPa。含水量降低引起強(qiáng)度減小的幅度大。

圖6 含水量增加和干濕循環(huán)對(duì)強(qiáng)度減小的貢獻(xiàn)比較

2 石灰土的干濕循環(huán)試驗(yàn)

圖7為摻加6%石灰的石灰土試樣經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)的含水量變化規(guī)律。石灰土樣初始含水量為14.63%，經(jīng)過(guò)第1次24 h吸水后，含水量達(dá)到21.6%；第2次為20.97%；第3次為20.72%，吸水后土樣的含水量逐漸減小，與素土不同，分析其原因是石灰土水化吸水的結(jié)果。3次吸水脫水后的含水量變化很小，表明脫水后的含水量基本不變。

圖7 石灰土樣干濕循環(huán)中的含水量變化

圖8為石灰土樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，由圖8可以看出，經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)，石灰土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化很小，試樣表現(xiàn)為脆性破壞。未經(jīng)歷干濕循環(huán)，應(yīng)變達(dá)到0.1%時(shí)應(yīng)力就達(dá)到峰值，試樣破壞。經(jīng)歷干濕循環(huán)，試樣破壞時(shí)的應(yīng)變稍有增加，基本穩(wěn)定在0.15%左右，說(shuō)明試樣剛度有一定衰減。未經(jīng)歷干濕循環(huán)，試樣強(qiáng)度為7 890 kPa，經(jīng)歷1次，強(qiáng)度急劇衰減，為540 kPa，經(jīng)歷第2次后，為480 kPa，第3次后，為420 kPa。與素土比較，石灰土的強(qiáng)度衰減程度較小，水穩(wěn)定性良好。

圖8 石灰土樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖9為石灰土抗壓強(qiáng)度、含水量和pH值與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，由圖9可以看出，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，第1次干濕循環(huán)強(qiáng)度降低31.6%左右，第2、3次干濕循環(huán)強(qiáng)度分別降低了11%、12%左右。3次干濕循環(huán)后，強(qiáng)度約為未經(jīng)歷干濕循環(huán)的53%。強(qiáng)度衰減程度大，說(shuō)明干濕循環(huán)對(duì)石灰土強(qiáng)度影響大。第1次干濕循環(huán)，石灰土飽水后的含水量顯著增加，第2次，含水量平穩(wěn)增加，說(shuō)明經(jīng)歷2次循環(huán)后，內(nèi)部微裂縫擴(kuò)展到一定程度，含水量增量有增加趨勢(shì)。第1次干濕循環(huán)，石灰土飽水后pH值減小，隨后緩慢減??；第2次后，pH值減小0.1%；第3次，減小0.27%，說(shuō)明經(jīng)歷2次循環(huán)后，pH值減小有增加趨勢(shì)。

3 石灰土的凍融循環(huán)

將6%石灰土試樣用保鮮膜密封包裹，在-20 ℃冷凍24 h后，再在20 ℃解凍24 h，如此經(jīng)過(guò)6次循環(huán)。將包裹了保鮮膜的石灰土試樣放入裝滿水的量杯中，根據(jù)排除水的體積，測(cè)量每次經(jīng)過(guò)凍融試樣的體積，計(jì)算凍脹和溶陷變形。圖10為石灰土的凍融變形，由圖10可以看出，石灰土的凍融變形主要發(fā)生在前3次循環(huán)中，第4次凍融循環(huán)后，石灰土的凍融變形基本穩(wěn)定。

圖9 抗壓強(qiáng)度、含水量和pH值與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖10 石灰土的凍融變形

圖11為抗壓強(qiáng)度、含水量增量和pH值與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，由圖11可以看出，第1次凍融循環(huán)引起試樣強(qiáng)度降低34%，引起含水量增量為2.1%，引起pH值減小0.3；第2、3、4次凍融循環(huán)引起強(qiáng)度降低47%、52%和54%，引起含水量增量2.3%、2.6%和2.8%，引起pH值增量為0.2、0.1和0.1。

圖11 抗壓強(qiáng)度、含水量增量和pH值與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

開(kāi)放系統(tǒng)條件下，每一次凍融循環(huán)都產(chǎn)生不可恢復(fù)殘余凍脹變形。石灰土凍脹后，孔隙率提高，壓縮性增大。當(dāng)循環(huán)次增加，石灰土的凍脹量大于試件允許膨脹變形量時(shí)，石灰土出現(xiàn)脹裂破壞現(xiàn)象。隨著循環(huán)次數(shù)增加，石灰土由表及內(nèi)都出現(xiàn)脹裂裂隙，石灰土強(qiáng)度降低。

4 石灰土的浸水影響

20 ℃室溫下，將石灰土試樣分別浸泡7 d、14 d、28 d和60 d。圖12為浸水后的石灰土樣，由圖12可以看出，浸泡7 d后，石灰土樣上下面出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，浸泡14 d的石灰土樣上下面出現(xiàn)脫落現(xiàn)象比較嚴(yán)重，浸泡28 d的石灰土樣上下面模糊不清，土顆粒掉落現(xiàn)象嚴(yán)重，浸泡60 d的石灰土試樣，其上下面基本看不出平面，呈凹凸?fàn)睢?/p>

圖12 浸水后的石灰土樣

圖13 抗壓強(qiáng)度、含水量增量和pH值與浸水時(shí)間的關(guān)系

圖13為抗壓強(qiáng)度、含水量增量和pH值與浸水時(shí)間的關(guān)系，由圖13可以看出，石灰土試樣經(jīng)過(guò)7 d浸水后，強(qiáng)度降低54%，含水量增量為7.3% ，pH值降低0.3；經(jīng)過(guò)14 d、28 d和60 d浸水，強(qiáng)度降低72%、84%和92%，含水量增量為9.8%、11.6%和13.2%，pH值降低0.8、1.6和2.2。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)素土和石灰土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)、石灰土凍融循環(huán)和浸水試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）石灰土經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)、凍融循環(huán)和浸水過(guò)程，石灰土的耐久性受到很大影響，石灰土的強(qiáng)度降低、含水量增加、pH值減小。

（2）素土和石灰土的經(jīng)過(guò)多次干濕循環(huán)，強(qiáng)度均有很明顯的減小。干濕循環(huán)和凍融循環(huán)過(guò)程的第1個(gè)過(guò)程對(duì)石灰土強(qiáng)度、含水量增量和pH值的影響最大，特別是在凍融循環(huán)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)第1次凍融過(guò)程，石灰土強(qiáng)度衰減程度完成了大部分。

（3）在干濕循環(huán)、凍融循環(huán)和浸水過(guò)程中，浸水對(duì)石灰土強(qiáng)度、含水量增加和pH值的影響最大。石灰土浸水后的OH-部分?jǐn)U散遷移至水中，導(dǎo)致石灰土的pH值大幅度降低。

（4）與素土相比，石灰土的抗干濕循環(huán)、凍融循環(huán)和浸水的能力較強(qiáng)。在干濕循環(huán)、凍融循環(huán)和浸水林濾過(guò)程中，浸水林濾是路基石灰土性質(zhì)劣化的主要因素。因此，江蘇地區(qū)的路基填土摻石灰十分必要，路基排水對(duì)石灰土的耐久性是至關(guān)重要的。

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