李俊峰

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢430010）

0 引 言

紅層泥巖在我國(guó)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(gòu)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(qiáng)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(wèn)題，常用一些改良劑如弱風(fēng)化泥巖，石灰，水泥，粉煤灰等對(duì)紅層泥巖進(jìn)行改良以提升其強(qiáng)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(duì)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(duì)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(zhì)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(qiáng)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(zhì)非常復(fù)雜，該地區(qū)紅層地質(zhì)大多形成于白堊系，且人工活動(dòng)非常頻繁，開(kāi)挖邊坡較多[14-16]。在長(zhǎng)期地質(zhì)構(gòu)造及水汽循環(huán)作用下，裸露的紅層邊坡風(fēng)化程度非常嚴(yán)重，并且已出現(xiàn)了部分邊坡滑坡的工程案例[17]，因而開(kāi)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(guān)研究較少，對(duì)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(qiáng)度[18]，崩解性[19]，膨脹性[20]等指標(biāo)，而對(duì)于紅層泥巖自身含水率對(duì)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(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)，而含水率增加對(duì)紅層泥巖的強(qiáng)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(jié)果，這也是一個(gè)需要掌握的問(wèn)題。從工程和黔張常高鐵實(shí)際的水文地質(zhì)環(huán)境出發(fā)，本文首先對(duì)不同摻量下石灰改良紅層泥巖土進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)，以確定其最大干密度和最優(yōu)含水率。隨后，對(duì)壓實(shí)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(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓，CBR 和直剪試驗(yàn)，分析了石灰摻量對(duì)改良紅層泥巖土強(qiáng)度和承載力的影響，評(píng)價(jià)了石灰改良紅層泥巖土強(qiáng)度和承載力的效果，并最終推薦了最佳的石灰摻量。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(fēng)化作用，泥巖土內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(biāo)見(jiàn)表1。

表1 強(qiáng)風(fēng)化泥巖土的基本物理指標(biāo)

由于紅層泥巖土具有較高的崩解性，工程上一般作預(yù)崩解處理，在實(shí)際使用時(shí)其顆粒粒徑較小[21]。因而首先將所取紅層泥巖土風(fēng)干60 d，使其處于低含水率狀態(tài)，隨后利用碎土機(jī)粉碎塊狀泥巖土，過(guò)篩，取粒徑小于2 mm 顆粒。再次風(fēng)干30 d 后，測(cè)定含水率，并按風(fēng)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(jìn)行擊實(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓，CBR 和直剪試驗(yàn)。其中，用于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試樣為圓柱樣，直徑50 mm，高度100 mm。用于直剪強(qiáng)度的試樣為環(huán)刀樣，直徑61.8 mm，高度20 mm。試驗(yàn)過(guò)程遵守《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）的各項(xiàng)規(guī)定。

2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

首先進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)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(fēng)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(dá)到指定含水率含水率并悶料24 h。待水分均勻分布后進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，按5 層擊實(shí)，每層56 擊，完成后計(jì)算各試樣的含水率和干密度，結(jié)果見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖2 最大干密度和最優(yōu)含水率隨石灰摻量的關(guān)系

從擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨石灰摻量增加，改良紅層泥巖土的擊實(shí)曲線逐漸往右下方移動(dòng)，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(shí)特性相符[10，21]。這是由于摻入石灰后，發(fā)生水化反應(yīng)，從而使改良土擊實(shí)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(shí)。因而在恒定壓實(shí)功下，石灰摻量越多，其最大干密度反而越小。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)

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(shí)度K=95%和最優(yōu)含水率配制試樣，并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7 d。養(yǎng)護(hù)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(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 最優(yōu)含水率下石灰改良全風(fēng)化泥巖土無(wú)側(cè)限抗壓軸向應(yīng)力- 應(yīng)變圖

圖4 飽和狀態(tài)下石灰改良全風(fēng)化泥巖土無(wú)側(cè)限抗壓軸向應(yīng)力- 應(yīng)變圖

圖5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰摻量的關(guān)系

從無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)的結(jié)果看以看出，當(dāng)泥巖土處于最優(yōu)含水率狀態(tài)時(shí)，無(wú)論是素土還是改良圖都具有應(yīng)變軟化特性，即應(yīng)力首先隨應(yīng)變?cè)黾佣黾樱?dāng)應(yīng)變超過(guò)一定值時(shí)，強(qiáng)度急劇衰減。隨著石灰摻量增加，改良紅層泥巖土的應(yīng)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于飽和狀態(tài)，且隨著石灰摻量的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也逐漸增加。當(dāng)石灰摻量為9%時(shí)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

當(dāng)泥巖土處于飽和狀態(tài)下，素土的應(yīng)力- 應(yīng)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(jié)物，阻止土顆粒間的滑移和相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，從而在宏觀上提高了土體的抗壓強(qiáng)度；但隨著應(yīng)變超過(guò)一定值時(shí)，膠結(jié)物逐漸破壞失效，土體的強(qiáng)度迅速衰減，從而導(dǎo)致飽和的改良紅層泥巖土應(yīng)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(shí)，其強(qiáng)度提升了450 kPa，而石灰摻量提升至9%時(shí)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(yàn)結(jié)果可能是飽和樣含水率較高，而過(guò)多水分存在本身就會(huì)劣化膠結(jié)材料，使其強(qiáng)度降低；此外，抽氣飽和這一過(guò)程也會(huì)對(duì)土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而也使膠結(jié)材料發(fā)生劣化，因而強(qiáng)度提升并不高。

2.3 CBR 試驗(yàn)

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(jìn)行CBR 試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6 和圖7。

圖6 不同石灰摻量的貫入曲線圖

目前對(duì)高速鐵路而言，其CBR 值并無(wú)明確規(guī)定，因此其要求可參照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015） 對(duì)高速公路路基CBR 值的規(guī)定。從CBR 試驗(yàn)的結(jié)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(shù)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(guān)系

2.4 直剪試驗(yàn)

為掌握含水率及石灰摻量對(duì)改良紅層泥巖土的影響，對(duì)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(jìn)行了直剪試驗(yàn)，共進(jìn)行了40 組。試驗(yàn)上覆 正 壓 力 為25 kPa，50 kPa，100 kPa，150 kPa 和200 kPa。試驗(yàn)制樣方法與無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)一致，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖8 和圖9，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10 和圖11。

圖8 最優(yōu)含水率下石灰改良全風(fēng)化泥巖土的抗剪強(qiáng)度線

圖9 飽和狀態(tài)下石灰改良全風(fēng)化泥巖土的抗剪強(qiáng)度線

圖10 黏聚力隨石灰摻量的關(guān)系

圖11 內(nèi)摩擦角隨石灰摻量的關(guān)系

從直剪試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，最優(yōu)含水率紅層泥巖土的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)高于飽和狀態(tài)下的紅層泥巖土，這一結(jié)果與其他地區(qū)紅層泥巖的試驗(yàn)結(jié)果是相符的[10]。紅層泥巖土的抗剪強(qiáng)度對(duì)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(qiáng)度有所增加，這是因?yàn)槭抑械膲A性鈣質(zhì)物與紅層泥巖中的活性硅和活性鋁等物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生了硅酸鈣和硅酸鋁，加強(qiáng)了土顆粒間的黏結(jié)，使多個(gè)較小土粒形成團(tuán)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(qiáng)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(xiàn)為隨石灰摻量增加而增加的趨勢(shì)，且增加的速率并無(wú)放緩趨勢(shì)。當(dāng)石灰摻量為9%時(shí)，改良紅層泥巖的黏聚力增加了近一倍，這說(shuō)明摻入石灰后形成的膠結(jié)物是能供土體的黏聚力的來(lái)源之一。改良紅層泥巖土的摩擦角同樣表現(xiàn)為隨石灰摻量增加而增加的趨勢(shì)，但石灰摻量增加，摩擦角增加的速率明顯放緩，當(dāng)石灰摻量為9%時(shí)，內(nèi)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(jī)制相較于黏聚力的形成要復(fù)雜一些，當(dāng)含水率較大時(shí)，粒間水膜較厚，在團(tuán)聚體間及團(tuán)聚體內(nèi)部顆粒間起到潤(rùn)滑作用，因此石灰增加對(duì)改良紅層泥巖土內(nèi)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(duì)紅層泥巖土的黏聚力同樣有顯著提升，且增速同樣較快，當(dāng)石灰摻量為9%時(shí)，改良紅層泥巖土的黏聚力提升了約80%。然而，對(duì)于內(nèi)摩擦較而言，摻入石灰后的變化規(guī)律則并非是單調(diào)的。改良紅層泥巖土在初始摻量為3%時(shí)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(dāng)石灰摻量為6%時(shí)，其內(nèi)摩擦角相較于摻量6%的情況略有減小。這是因?yàn)閾饺胧倚枰罅克峙c較長(zhǎng)的時(shí)間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)水分不夠而摻入石灰量又過(guò)多時(shí)，一部分石灰首先與土體結(jié)合形成凝絮體，阻止了其余石灰顆粒繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，而剩余較多的小石灰顆粒在團(tuán)聚體及團(tuán)聚體內(nèi)部膠結(jié)物間，在剪切力作用下反而對(duì)顆粒間的摩擦產(chǎn)生潤(rùn)滑作用，因而對(duì)內(nèi)摩擦角產(chǎn)生不利效果。

從上述試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，摻入石灰對(duì)紅層泥巖土的強(qiáng)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(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角提升并不顯著，同時(shí)考慮到最優(yōu)含水率下過(guò)量石灰對(duì)紅層泥巖土內(nèi)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?xí)r，摻量為6%。

3 結(jié) 論

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

（1）隨石灰摻量增加，改良紅層泥巖土的擊實(shí)曲線逐漸往右下方移動(dòng)，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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于飽和狀態(tài)，摻入石灰能顯著提高紅層泥巖土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，且隨著石灰摻量的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也逐漸增加。飽和狀態(tài)下，改良紅層泥巖土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(shù)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(xiàn)為隨石灰摻量增加而增加的趨勢(shì)，且增加的速率并無(wú)放緩趨勢(shì)，摩擦角同樣表現(xiàn)為隨石灰摻量增加而增加的趨勢(shì)，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(duì)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(guò)6%時(shí)，其內(nèi)摩擦角略有減小，最終推薦用石灰改良紅層泥巖土?xí)r，摻量為6%。