邊瑞，劉海松*，王海曼，黃綿松，劉魁

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054；2.寧夏首創(chuàng)海綿城市建設(shè)發(fā)展有限公司，固原 756000；3.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，西安 710054)

黃土廣泛分布在中國(guó)西北、黃河中游的陜西、山西等地區(qū)[1]。近年來(lái)，中國(guó)為促進(jìn)西部經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，加大了西部地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的力度，大量的公路、鐵路等建設(shè)在黃土路基之上。由于黃土在自重應(yīng)力或者是上覆外加荷載的作用下，遇水增濕后會(huì)產(chǎn)生濕陷，并且天然黃土的強(qiáng)度很難滿足工程需要，因此在濕陷性黃土地區(qū)路基沉陷、路面變形開(kāi)裂、路基邊坡失穩(wěn)等災(zāi)害頻繁發(fā)生[2]。濕陷性黃土是一種具有危害性的不良路基填料，換填黃土?xí)蟠笤黾邮┕ち亢凸こ坛杀?，因此研究人員一直致力于黃土的改良，通過(guò)向黃土中摻雜水泥、石灰、粉煤灰等傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料來(lái)改善其工程性質(zhì)，使之變成強(qiáng)度和變形均可靠的路基填料[3-5]。

葛菲等[6]研究發(fā)現(xiàn)，水泥和硅微粉兩種材料共同改良黃土的效果較摻加單一材料更為顯著。杜丹[7]根據(jù)固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果得出黃土中加入石灰可以顯著改善壓縮性，較好地減小路基沉降。殷鶴等[8]研究表明，經(jīng)外電場(chǎng)處理后的石灰和硫酸鈉混合改性材料，可以消除黃土濕陷性，有效控制工后不均勻沉降。白漢營(yíng)等[9]認(rèn)為納米石墨粉改變紅黏土的孔隙結(jié)構(gòu)和顆粒膠結(jié)來(lái)改良其力學(xué)性質(zhì)。唐皓等[10]研究表明，棕櫚纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度明顯增大。近年來(lái)，中國(guó)提出深化改革開(kāi)放、加快生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型升級(jí)、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，大力倡導(dǎo)綠色環(huán)保的新型生產(chǎn)理念，通過(guò)添加水泥、石灰、粉煤灰、礦渣等方法會(huì)造成環(huán)境污染，違背新時(shí)代新型生產(chǎn)方式。因此，需要尋找一種廉價(jià)環(huán)保的地基處理材料，使之能廣泛應(yīng)用于黃土路基中。石灰?guī)r廣泛分布于黃土地區(qū)，富含大量的碳酸鈣，石灰?guī)r經(jīng)粉碎后即可得到碳酸鈣粉末，不需要高溫煅燒，大大減少二氧化碳的排放，可以有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境，并且制作工藝簡(jiǎn)單、成本低，積極響應(yīng)了國(guó)家新型生產(chǎn)理念。

目前已有學(xué)者通過(guò)向黃土中摻入碳酸鈣粉末進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)探究改良后土體力學(xué)性能的變化。Chen等[11]研究了碳酸鈣改良紅黏土，發(fā)現(xiàn)隨著碳酸鈣摻量的增加，紅黏土的黏聚力下降，內(nèi)摩擦角先減小后增大。徐龍飛等[12]對(duì)不同碳酸鈣含量的黃土試樣進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn),研究了碳酸鈣含量變化對(duì)黃土強(qiáng)度特性的影響，認(rèn)為碳酸鈣含量與黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值的大小呈正相關(guān)關(guān)系。郭玉文等[13]通過(guò)團(tuán)粒分析方法研究碳酸鈣與黃土中團(tuán)粒的形成有直接關(guān)系，碳酸鈣是黃土中團(tuán)粒的主要膠結(jié)物。盧雪清[14]研究發(fā)現(xiàn)，碳酸鈣與黃土強(qiáng)度呈正相關(guān)，碳酸鈣含量越大，黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力和內(nèi)摩擦角越大。王緒民等[15]研究表明，鹽酸溶液浸泡黃土后，土體力學(xué)特性的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)黃土中的碳酸鈣膠結(jié)物對(duì)黃土力學(xué)性狀的影響很大。高明明等[16]通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)結(jié)核含量對(duì)黃土的強(qiáng)度、變形等特性的影響很大。李艷霞[17]分析認(rèn)為碳酸鈣的含量及其賦存狀態(tài)對(duì)黃土的剪切變形及強(qiáng)度有很大的影響，碳酸鈣含量減少，試樣的強(qiáng)度下降。還有研究人員對(duì)黃土中碳酸鈣的分布形式也進(jìn)行了詳細(xì)研究[18-20]。

盡管前人已經(jīng)探討過(guò)碳酸鈣含量變化對(duì)黃土力學(xué)性能的影響方面，但是未考慮基于壓實(shí)度的改變，摻入不同含量的碳酸鈣對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度和濕陷性的綜合影響。為此，通過(guò)不同壓實(shí)度下不同碳酸鈣摻量的黃土剪切試驗(yàn)和濕陷性試驗(yàn)，以期揭示碳酸鈣在黃土力學(xué)中的作用機(jī)理，評(píng)估碳酸鈣作為一種新型黃土地基改良材料的可行性，可為黃土地區(qū)工程建設(shè)“綠色環(huán)保”的新時(shí)代新型生產(chǎn)方式提供一定的理論支持。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用延安市洛川國(guó)家地質(zhì)公園黃土塬頂2～3 m深度范圍內(nèi)的馬蘭黃土，具有代表性及可對(duì)比性。通過(guò)重型擊實(shí)試驗(yàn)確定的0、5%、10%、20%和25%碳酸鈣摻入量黃土的最大干密度分別為1.70、1.67、1.63、1.61、1.59 g/cm3，最優(yōu)含水率分別為18.8%、20.6%、22.7%、23.9%和24.5%；黃土采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定的塑限為18.1%，液限為27.5%。試驗(yàn)土樣的粒徑累積曲線如圖1所示。試驗(yàn)選用天津市北辰方正試劑廠生產(chǎn)的白色結(jié)晶性碳酸鈣粉末，表1為碳酸鈣的基本性質(zhì)，純度大于99.0%，溶于酸，不溶于水。

圖1 顆粒分布曲線

表1 碳酸鈣的基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試樣制備

考慮到黃土中含有一定量的碳酸鈣，因此在進(jìn)行試樣制備之前采用酸處理法[21]先消除黃土中原有碳酸鈣的影響。具體處理時(shí)參考文獻(xiàn)[14]，用80%的冰乙酸配置pH=4.0的乙酸溶液浸泡黃土，然后用純水淋濾酸處理后的黃土試樣中乙酸溶液，完全烘干后按0、5%、10%、20%和25%的質(zhì)量比將碳酸鈣粉末摻入黃土中，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笤儆眯妷貙?duì)混合樣邊噴純水邊攪拌，噴至最優(yōu)含水率18.8%，將配好的土樣放在保濕器中靜置24 h以上，不同摻量碳酸鈣和黃土拌和樣根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃分別制備成壓實(shí)度為81%、87%和93%的壓實(shí)試樣。

1.2.2 直接剪切試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式四聯(lián)直剪儀(圖2)，試樣的規(guī)格為Φ61.8 mm×20 mm，每一碳酸鈣摻量和壓實(shí)度下制備8個(gè)試樣，共120個(gè)試樣，分為兩組進(jìn)行剪切試驗(yàn)，取平均值以消除偶然誤差。若兩組試驗(yàn)結(jié)果相差超過(guò)5%則增加一組試驗(yàn)，直至連續(xù)兩次試驗(yàn)結(jié)果誤差在5%以內(nèi)。剪切速率為0.8 mm/min，分別在100、200、300、400 kPa壓力下進(jìn)行。

圖2 直接剪切試驗(yàn)試樣與儀器

1.2.3 濕陷試驗(yàn)

采用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的三聯(lián)WG型單桿高壓固結(jié)儀(圖3)，進(jìn)行碳酸鈣改良黃土試樣的雙線法濕陷性試驗(yàn)，碳酸鈣和黃土摻合試樣的規(guī)格為Φ61.8 mm×20 mm，每一碳酸鈣摻量和壓實(shí)度下制備4個(gè)試樣，共60個(gè)試樣，分為兩組進(jìn)行濕陷性平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性控制方法具體參照直剪試驗(yàn)，濕陷加壓等級(jí)分為9級(jí)，分別為12.5、25、50、100、200、300、400、600、800 kPa。在施加第一級(jí)垂直壓力后每隔一小時(shí)測(cè)定一次試樣的變形讀數(shù)，直到試樣變形趨于穩(wěn)定后，再施加下一級(jí)垂直壓力，試樣濕陷穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)兩個(gè)小時(shí)的變形不大于1 mm。

圖3 濕陷性試驗(yàn)試樣與儀器

2 直接剪切試驗(yàn)

2.1 碳酸鈣含量對(duì)改良黃土剪切強(qiáng)度的影響

取中間壓實(shí)度87%，不同碳酸鈣摻量改良黃土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線(圖4)。容易得知，當(dāng)碳酸鈣摻量超過(guò)10%后，剪應(yīng)力出現(xiàn)明顯的峰值，達(dá)峰值后土樣被剪壞而導(dǎo)致剪應(yīng)力降低，剪應(yīng)力-剪切位移曲線呈應(yīng)變軟化型，但是殘余強(qiáng)度較高；當(dāng)碳酸鈣摻量小于10%時(shí)，剪應(yīng)力隨剪切位移先線性增大后緩慢增長(zhǎng)并趨于穩(wěn)定，呈應(yīng)變硬化型；壓實(shí)度為81%、93%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律與壓實(shí)度為87%時(shí)一致。表明不論上覆荷載大小，對(duì)改良黃土剪切強(qiáng)度的提升主要由碳酸鈣的摻入量決定，摻入量越大改良黃土的剪應(yīng)力越高，也就是說(shuō)摻入碳酸鈣可以顯著增大黃土的峰值剪應(yīng)力，提高土體的剪切強(qiáng)度，同時(shí)也使得黃土試樣的脆性增大。

圖4 剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

2.2 壓實(shí)度對(duì)不同碳酸鈣含量改良黃土抗剪強(qiáng)度的影響

分別繪制不同壓實(shí)度、不同碳酸鈣摻量下改良黃土的抗剪強(qiáng)度-垂直壓力關(guān)系曲線(圖5)。不難發(fā)現(xiàn)，在相同壓實(shí)度時(shí)，各級(jí)上覆荷載下改良黃土的抗剪強(qiáng)度均隨著碳酸鈣含量的增加而增大，碳酸鈣摻量為25%時(shí)最大，但25%碳酸鈣摻量時(shí)抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較小；在相同碳酸鈣摻量下，改良黃土的抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)度的增大而增大，93%壓實(shí)度時(shí)抗剪強(qiáng)度最大。分析發(fā)現(xiàn)，相同壓實(shí)度時(shí)，垂直壓力越大，碳酸鈣摻量對(duì)改良黃土抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)越明顯。以壓實(shí)度為87%試樣為例，200 kPa垂直壓力作用下，含25%碳酸鈣試樣的抗剪強(qiáng)度為118.8 kPa，較0、5%、10%和20%含量碳酸鈣試樣的抗剪強(qiáng)度67.6 kPa、76.5 kPa、90.7 kPa和113.5 kPa分別提高了75.7%、55.3%、31.0%和4.7%；在300 kPa垂直壓力作用下，含25%碳酸鈣含量試樣的抗剪強(qiáng)度為147.3 kPa，較0、5%、10%和20%碳酸鈣含量試樣的抗剪強(qiáng)度89.6、98.8、114.4、141.5 kPa，分別提高了64.4%、49.1%、28.8%和4.1%。壓實(shí)度為81%、93%與87%時(shí)的增強(qiáng)效應(yīng)一致。

圖5 抗剪強(qiáng)度-垂直壓力曲線

2.3 碳酸鈣含量對(duì)不同壓實(shí)度改良黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

由2.1節(jié)和2.2節(jié)的分析已經(jīng)明確，摻入碳酸鈣改良黃土可以有效增大其抗剪強(qiáng)度，而且摻入量是最為決定性的因素，為了探討碳酸鈣摻入量提高黃土的抗剪強(qiáng)度的機(jī)理，又繪制了不同壓實(shí)度、不同碳酸鈣摻入量黃土的內(nèi)摩擦角和黏聚力變化曲線(圖6)。

圖6 改良黃土黏聚力和內(nèi)摩擦角隨碳酸鈣摻量的變化

分析圖6發(fā)現(xiàn)，內(nèi)摩擦角與碳酸鈣的摻量呈正相關(guān)，81%、87%和93%壓實(shí)度下內(nèi)摩擦角隨碳酸鈣摻量的增加而不斷增大。表明當(dāng)改良黃土被壓實(shí)到一定程度后，摻入碳酸鈣可以有效增加黃土顆粒之間的摩擦；20%碳酸鈣摻量、93%壓實(shí)度下，改良黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均達(dá)到最大值，與不含碳酸鈣的壓實(shí)黃土相比，增大了近1倍。

分析認(rèn)為，這種現(xiàn)象可以從摻入碳酸鈣后改變土顆粒的排布方面進(jìn)行解釋：0碳酸鈣摻量試樣在外力作用下土顆粒容易發(fā)生滑移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[圖7(a)、圖7(b)]，當(dāng)向黃土中摻入碳酸鈣后，土顆粒和碳酸鈣顆粒咬合互鎖，顆粒表面接觸更為緊密，剪切運(yùn)動(dòng)需要克服顆粒間的嵌鎖阻力，土顆粒在更大的法向作用力下發(fā)生破碎[圖7(c)]；當(dāng)碳酸鈣摻量逐漸增加時(shí)，一方面顆粒咬合作用不斷增大，土體變?yōu)槊軐?shí)結(jié)構(gòu)，試樣的脆性增大，試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值黏聚力也越大；另一方面，壓實(shí)度增大也使得試樣顆粒間的接觸更為緊密、間距逐漸減小，同時(shí)使得試樣在剪切過(guò)程中克服顆粒間的摩擦力做功增大，試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角也增大。

N為垂直壓力，kPa；S為剪應(yīng)力，kPa；F、Fr分別為垂直壓力和剪應(yīng)力的合力

3 濕陷試驗(yàn)

將3種壓實(shí)度、不同碳酸鈣摻入量的改良黃土濕陷系數(shù)與不同上覆荷載的數(shù)據(jù)整理，繪制了不同壓實(shí)度時(shí)垂直壓力與改良黃土的濕陷系數(shù)關(guān)系曲線(圖8)，得出如下結(jié)論。

(1)低壓實(shí)度81%時(shí)，隨著垂直壓力的增大改良黃土的濕陷系數(shù)會(huì)出現(xiàn)峰值，而且峰值均大于0.015，其對(duì)應(yīng)的垂直壓力大小與碳酸鈣的摻入量正相關(guān)；但是碳酸鈣的摻入會(huì)消除黃土的濕陷性，即使小摻入量(5%)改良黃土的濕陷系數(shù)也小于0.015；而且因碳酸鈣的含量增加，試樣的濕陷曲線整體右移，反映出碳酸鈣摻入量的加大可以使得改良黃土的濕陷起始?jí)毫υ龃蟆?/p>

(2)中等壓實(shí)度87%時(shí)，碳酸鈣摻入量小于5%的改良黃土濕陷系數(shù)仍會(huì)隨著垂直壓力的增大出現(xiàn)峰值，其對(duì)應(yīng)的垂直壓力比壓實(shí)度81%的同碳酸鈣摻入量改良黃土的要大；碳酸鈣摻入量大于10%后，基本不再出現(xiàn)濕陷系數(shù)峰值。

(3)高壓實(shí)度93%時(shí)，各碳酸鈣摻入量的改良黃土濕陷性基本全部消除，不再出現(xiàn)峰值。也就是說(shuō)，摻入碳酸鈣對(duì)黃土進(jìn)行改良可以不同程度的消除黃土濕陷性，摻入量越大越利于消除濕陷性，但是濕陷性的消除程度與改良黃土的壓實(shí)程度正相關(guān)，壓實(shí)度越大越利于消除濕陷性，當(dāng)碳酸鈣摻入20%以上、壓實(shí)度大于93%后，即使達(dá)到 800 kPa的上覆荷載黃土的濕陷系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.015。

改良黃土壓實(shí)度相同時(shí)，紡錘形的碳酸鈣顆粒比黃土顆粒大，當(dāng)碳酸鈣摻入黃土中時(shí)，碳酸鈣顆粒嵌入黃土顆粒中，破壞了黃土顆粒的原始結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致黃土顆粒的排列十分松散，分布不規(guī)則，結(jié)構(gòu)不密實(shí)，孔隙之間多互相連通，孔隙空間大，顆粒間接觸的主要方式為點(diǎn)接觸，面接觸較少[圖9(a)、圖9(b)]，從而導(dǎo)致最大濕陷系數(shù)隨著碳酸鈣含量的增加而增加；當(dāng)碳酸鈣含量增加到10%以上時(shí)，黃土顆粒填充于碳酸鈣顆粒形成的孔隙中，碳酸鈣充當(dāng)主要骨架[圖9(c)、圖9(d)]，當(dāng)垂直壓力作用在試樣時(shí)由碳酸鈣骨架來(lái)承擔(dān)，并且由于碳酸鈣是一種難溶物質(zhì)，常溫下在水中不會(huì)大規(guī)模的溶解，較黃土顆粒原本的骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增大，在相同工況下可承擔(dān)更大的外力而不發(fā)生濕陷變形，這是摻入碳酸鈣可以消除黃土濕陷性的內(nèi)在機(jī)理。

圖9 黃土顆粒與碳酸鈣顆粒填充示意圖

當(dāng)然，相同碳酸鈣摻入量改良黃土，因壓實(shí)度的不同，黃土顆粒及碳酸鈣顆粒的排列會(huì)有所不同。小壓實(shí)度情況下，改良黃土粒間的接觸方式仍與重塑黃土的相似，在遇水及荷載，點(diǎn)接觸的顆粒相對(duì)位置改變而產(chǎn)生濕陷變形；而大壓實(shí)度情況下，改良黃土粒間的接觸以面接觸為主，而且因大的壓實(shí)作用使得粒間孔隙更小，遇水及荷載，顆粒間的位移及孔隙壓縮空間都很有限，因而濕陷變形也非常小。這正是在大壓實(shí)度93%時(shí)，各碳酸鈣摻入量的改良黃土濕陷性基本全部消除的內(nèi)在機(jī)理。

4 結(jié)論

通過(guò)直接剪切和濕陷性試驗(yàn)，研究了不同壓實(shí)度下碳酸鈣摻量變化對(duì)洛川黃土的抗剪強(qiáng)度和濕陷性的影響，得出以下主要結(jié)論。

(1)改良黃土試樣的脆性隨碳酸鈣摻量增加而增大，當(dāng)碳酸鈣含量較低時(shí)，試樣剪應(yīng)力-剪切位移曲線為應(yīng)變硬化型，碳酸鈣摻量達(dá)到20%時(shí)，曲線為應(yīng)變軟化型。

(2)相同壓實(shí)度時(shí)，摻入碳酸鈣改良黃土的抗剪強(qiáng)度隨著碳酸鈣含量的增加而增大，碳酸鈣摻量為25%時(shí)最大，但較20%增長(zhǎng)幅度較小；當(dāng)碳酸鈣摻量相同時(shí)，壓實(shí)度越高，改良黃土的抗剪強(qiáng)度越大，93%壓實(shí)度時(shí)抗剪強(qiáng)度最大。

(3)摻入碳酸鈣對(duì)黃土進(jìn)行改良可以不同程度的消除黃土濕陷性，摻入量越大越利于消除濕陷性；但是濕陷性的消除程度與改良黃土的壓實(shí)程度正相關(guān)，壓實(shí)度越大越利于消除濕陷性，當(dāng)碳酸鈣摻入20%、壓實(shí)度大于93%后，即使達(dá)到800 kPa的上覆荷載黃土的濕陷系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.015，綜合考慮實(shí)際工程應(yīng)用中基于強(qiáng)度和成本等要求，建議使用碳酸鈣改良黃土?xí)r的摻量為20%、工程壓實(shí)度為93%。

(4)摻入碳酸鈣結(jié)合不同壓實(shí)度改良黃土，可以提高其抗剪強(qiáng)度也可以有效消除黃土的濕陷性，能作為一種有效的黃土改良材料。