摘要：文章選取6個自由膨脹率40%以上的膨脹梯度黏性土作為研究對象，分別進行了石灰摻量4%，5%，6%，7%和8%的擊實試驗，研究了石灰摻量對最大干密度和最優(yōu)含水率的影響；并進行了不同石灰摻量下的飽和無側限強度、天然無側限強度和無荷膨脹率試驗，對不同石灰摻量下的上述試驗結果進行了擬合。研究結果表明：隨著石灰摻量增加，最大干密度、飽和及天然無側限強度均逐漸增大，擬合結果顯示均大致呈線性關系；隨著石灰摻量增加，最優(yōu)含水率和無荷膨脹率均逐漸減少，擬合結果顯示均大致呈線性關系，為石灰改良膨脹土工程實踐提供參考。

關鍵詞：膨脹土；石灰摻量；線性擬合

中圖分類號：TU4 文獻標志碼：A文獻標志碼

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，交通建設工程也快速發(fā)展。膨脹土具有多裂隙、吸水膨脹、失水收縮開裂等特性^［1-8］，在工程建設中如果直接使用易導致邊坡失穩(wěn)、路面開裂、地基隆起等問題^［9-11］，因此，路基用土常常使用非膨脹性土。但是由于膨脹土在我國廣泛分布，加之土地資源日漸珍貴，客土換填、轉運不僅會增加成本，也會造成資源浪費和環(huán)境污染。因此，改良膨脹土作為路基被廣泛采用，常采用化學改良法、物理處理法等處理膨脹土。石灰是目前最常用的膨脹土改性劑，石灰改良膨脹土因經(jīng)濟效益好，處置效果好，被廣泛采用。利用石灰改良膨脹土時，石灰摻量（石灰質量／干土質量）一般在2％～8％^［12］。

本文選取了6個膨脹梯度的黏性土系統(tǒng)研究石灰摻量對膨脹土中的基本物理力學性質指標，包括無荷膨脹率、無側限抗壓強度、最大干密度以及最優(yōu)含水率的影響，并通過數(shù)據(jù)擬合處理試驗結果，為石灰改良膨脹土工程實踐提供參考。

1 膨脹土性質

為了體現(xiàn)試驗結果的普適性和可信度，選取6個膨脹梯度的黏性土，取自壩后、張戶、王中、南黃、吳山和陳莊，塑性指數(shù)分別為18.2%，23.7%，22.9%，24.3%，17.1%和17.5%，自由膨脹率分別為50%，65%，47%，60%，40%和42%。

2 試驗方法

2.1 擊實試驗

采用重型擊實試驗^［13］，錘質量4.5 kg，落距45 cm，分5層擊實，每層27擊。采用干土外摻法，即4%（質量比）生石灰與風干土質量比=4∶100，本試驗所用石灰為優(yōu)質二級消石灰，其中CaO質量分數(shù)約70%。將石灰與土樣均勻拌和后，用量筒量取一定量的水摻入灰土混合物中，攪拌均勻悶料24 h后進行擊實試驗，制備擊實樣。

2.2 無側限抗壓強度

在最大干密度及最優(yōu)含水率條件下，結合重塑筒體積稱取風干土質量，采用外摻法，即4%（質量比）生石灰與風干土質量比=4∶100，并摻入4%，5%，6%和7%石灰，混合均勻后悶不少于24 h，并按照重塑土制樣要求制樣，無側限抗壓強度試驗的試樣高度100 mm，內(nèi)徑40 mm。試件成型后進行標準養(yǎng)護，條件：齡期7 d，溫度（20±2）℃，濕度≥90%。對于飽和試樣使用真空抽氣法，時間不少于8 h。

2.3 無荷膨脹率

在最大干密度及最優(yōu)含水率條件下，結合環(huán)刀（高度20 mm，直徑61.8 mm）體積稱取風干土質量，采用外摻法，即4%（質量比）生石灰與風干土質量比=4∶100，摻入4%，5%，6%，7%和8%石灰，混合均勻后悶不少于24 h，并通過壓力機一次成型。試件成型后進行標準養(yǎng)護，條件：齡期7 d，溫度（20±2）℃，濕度≥90%。

3 試驗研究

3.1 石灰摻量對最大干密度及最優(yōu)含水率影響

對6個黏性梯度土樣摻入4%，5%，6%，7%和8%石灰進行擊實試驗。

圖1 石灰摻量和最大干密度及最優(yōu)含水率關系曲線

不同石灰摻量的最大干密度和最優(yōu)含水率如圖1所示。由圖1可知，摻灰比從4%增加到8%，最大干密度隨摻灰比的增加均直線減小，最優(yōu)含水率隨摻灰比的增加均逐漸增大，石灰摻量和最大干密度及最優(yōu)含水率關系曲線均基本呈線性。擬合結果表明，6個黏性梯度的石灰摻量和最大干密度擬合結果R²為0.911 64～0.998 14，線性關系明顯；石灰摻量和最優(yōu)含水率擬合結果R²為0.899 37～0.993 10，線性關系明顯。

3.2 石灰摻量對天然及飽和無側限抗壓強度影響

對6個黏性梯度土樣摻入4%，5%，6%和7%石灰分別進行飽和無側限強度和天然無側限強度試驗（見圖2）。

摻灰比從4%增加到7%，天然及飽和無側限抗壓強度隨摻灰比的增加均逐漸增加，可能是由于石灰中的CaO與膨脹土反應生成黏性較強的膠結物質，而使土樣的無側限抗壓強度迅速增大^［8］，且大致呈線性關系。對圖2石灰摻量和天然及飽和無側限抗壓強度關系曲線進行線性擬合。擬合結果顯示6個黏性梯 度的石灰摻量和天然無側限抗壓強度擬合結果R²除南黃是0.766 63，其余均在0.841 57～0.996 88，壩后和王中R²甚至分別達到0.965 59和0.996 88，線性關系較明顯；6個黏性梯度的石灰摻量和飽和無側限抗壓強度擬合結果R²在0.820 83～0.995 99，壩后和王中甚至分別達到0.982 90和0.995 99，線性關系明顯。

3.3 石灰摻量對無荷膨脹率影響

對6個黏性梯度土樣摻入4%，5%，6%，7%和8%石灰進行無荷膨脹率試驗，結果如圖3所示。

由圖3可知，摻灰比從4%增加到8%，無荷膨脹率隨摻灰比的增加由0.8%下降至8%的0.2%左右，下降明顯，且大致呈線性關系。對石灰摻量和無荷膨脹率曲線進行線性擬合，擬合結果顯示，6個黏性梯度的石灰摻量和無荷膨脹率擬合結果R²除南黃和吳山分別是0.748 52和0.745 70，其余均在0.875 32～0.973 27，壩后、張戶和王中的R²甚至分別達到0.973 27，0.967 86和0.949 09，線性關系較明顯。

4 石灰改良作用機理離子交換作用

石灰中的CaO與水發(fā)生反應生成Ca（OH）₂，又在水中發(fā)生電解反應，形成Ca²⁺，Ca²⁺通過離子交換作用置換出黏土中含有的Na+與K+，使土結合水膜變薄，從而使土顆粒間黏結力增大，并能有效降低土體膨脹潛勢^［5，7］。

圖3 石灰摻量和無荷膨脹率關系曲線

（1）絮凝作用：石灰使黏土顆粒表面的雙電層中的陽離子濃度增加，導致土顆粒間距縮小，產(chǎn)生絮凝作用。

（2）碳化作用：石灰中的Ca²⁺和Mg²⁺與空氣中的CO₂反應生成CaCO₃包膜或骨架覆蓋在土表面，土中的Al³⁺與石灰反應后生成的（OH）-反應生成Al（OH）₃，使土脫水硬化，因而土體強度增大，膨脹潛勢減小。

（3）膠結作用：石灰與土反應生成黏結性較強的膠結物質，從而提高土的強度。

基于離子交換、絮凝、碳化、膠結共同作用，隨石灰摻量增加，石灰改良膨脹土的無荷膨脹率降低，無側限抗壓強度增大；由于石灰是細粒，比表面積大，隨石灰摻量增加，最優(yōu)含水率增大，最大干密度減少。

5 結語

隨著石灰摻量增加，最大干密度、飽和及天然無側限強度均逐漸增大，擬合結果顯示均大致呈線性關系。

隨著石灰摻量增加，最優(yōu)含水率和無荷膨脹率均逐漸減少，擬合結果顯示均大致呈線性關系。

文章探討了石灰改良膨脹土主要是離子交換、絮凝、碳化、膠結共同作用的結果。

參考文獻

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［13］中華人民共和國交通運輸部.公路土工試驗規(guī)程：JTG 3430—2020［S］.北京：人民交通出版社，2020.

（編輯 何琳編輯）

Study on the dynamics of mechanics and expansion properties of expansion soil with different lime content

Ren Wenli， Zhao Xiufeng， Lu Zhifeng

（Jiangsu Institute of Geological Survey， Nanjing 210018， China）

Abstract： Six expansive soil with free swelling rate above 40% with 4%， 5%， 6%， 7% and 8% of lime were studied by compaction test to study the influence of lime content on the maximum dry density and optimal moisture content. The unconfined compressive strength of natural and saturated， load-free swelling rate under different lime content were studied. The fitting of the above test results under different lime content shows that， the maximum dry density， unlimited strength of saturated and natural all increase with the increase of lime content， and the optimal moisture content and load-free swelling rate gradually decrease， and the fitting results show a roughly linear relationship， providing a reference for the engineering practice of lime-treated expansive soil.

Key words： expansive soil; lime content; linear fit