高速公路路基石灰改良土試驗研究

王　博

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，新疆　烏魯木齊　830006)

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高速公路路基石灰改良土試驗研究

王博

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，新疆烏魯木齊830006)

文章通過室內(nèi)土工試驗和理論分析，對石灰改良黃土的物理性質(zhì)、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及壓縮特性進(jìn)行了研究。試驗驗結(jié)果表明：石灰改良土最大干密度隨著石灰摻合比的增加而逐漸減小，最優(yōu)含水率逐漸增大；石灰改良黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線存在明顯的應(yīng)力峰值點，石灰改良土表現(xiàn)出明顯的脆性破壞；石灰改良土壓縮系數(shù)<0.1 MPa-1，即屬于低壓縮性土。

高速公路；路基；石灰改良黃土；應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；壓縮特性；最大干密度；試驗研究

0　引言

填土路基的質(zhì)量與路基填料工程性質(zhì)好壞直接相關(guān)。西安某新建環(huán)城高速公路對路基填筑質(zhì)量提出了較為嚴(yán)格的要求。然而路基的變形會直接影響到路面上，路基病害會由過大或不均勻的路基變形導(dǎo)致，造成路面的不平順，甚至?xí)霈F(xiàn)重大事故。馬學(xué)寧[1]試圖通過對黃土的石灰改良試驗研究，提出滿足強度、水穩(wěn)定性以及壓縮特性方面的控制標(biāo)準(zhǔn)來滿足路基填料；楊和平[2]通過對不同劑量的石灰處治高液限土的研究，分析了其強度變化規(guī)律及物理力學(xué)性質(zhì)；劉福春[3]探討了石灰、水泥改良土的室內(nèi)試驗方法和改良土的物理力學(xué)性質(zhì)。本文通過對石灰改良土的室內(nèi)試驗研究，得出一些可行性的結(jié)論，以期為進(jìn)一步填料的選擇及改良奠定基礎(chǔ)。

1　石灰改良土強度形成機理

關(guān)于石灰改良土的強度形成機理國內(nèi)外研究已經(jīng)較為成熟，目前較為一致的觀點可用幾個反應(yīng)過程表示[4-5]：(1)由Ca(OH)2進(jìn)行水化反應(yīng)生成的Ca2+進(jìn)行離子交換的團(tuán)?；饔?；(2)Ca(OH)2結(jié)晶產(chǎn)物中較大者產(chǎn)生的膠凝效應(yīng)；(3)Ca(OH)2與二氧化碳作用(即Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O)生成CaCO3；(4)Ca(OH)2和SiO2及Al2O3之間相互反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，雖然該反應(yīng)是強度形成的主要途徑，但相比較而言，其形成的過程是相當(dāng)緩慢的。因此，石灰改良土的早期強度相對其它改良土而言會低一些。

2　試驗材料和方法

2.1試驗材料

試驗黃土土樣取自西安某工點的黃土，黃土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1　黃土物理性質(zhì)指標(biāo)表

石灰為熟石灰粉末，已經(jīng)過篩，活性較強且新鮮干燥，其有效氧化鈣及氧化鎂含量為77.2%。

2.2試驗方法

2.2.1擊實試驗方法

取部分土樣，放入干燥箱中烘干、碾碎，過20 mm篩，將熟石灰與過篩的黃土按比例拌合，其摻合比分別為2%、4%、6%、8%，稱取定量試樣，進(jìn)行擊實試驗，壓實系數(shù)分別為0.9和0.95。

2.2.2固結(jié)試驗

固結(jié)儀及加壓設(shè)備校準(zhǔn)完后，將帶有試樣的環(huán)刀裝入護(hù)環(huán)內(nèi)，將固結(jié)容器置于加壓框架正中，使加壓框架中心與加壓上蓋對準(zhǔn)，安裝位移傳感器，并確定需要施加的各級壓力，讀出數(shù)據(jù)。

2.2.3三軸壓縮試驗

按不同配合比石灰改良黃土的最優(yōu)含水量配置土料，制備試樣，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，進(jìn)行不同壓實度下的不固結(jié)不排水剪試驗。

3　試驗結(jié)果分析

3.1擊實試驗

如圖1所示為不同摻合比石灰改良土的干密度與含水率的關(guān)系曲線，該試驗通過重型擊實試驗得出。

由圖1可知，石灰改良土最大干密度隨著石灰摻合比的增加而逐漸減小，最優(yōu)含水率隨著石灰摻合比的增加而逐漸增大，其原因是土的密度大于熟石灰的密度，導(dǎo)致最大干密度減小，并且由于石灰與水進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)，以至于石灰改良土最優(yōu)含水率大于黃土最優(yōu)含水率。因此黃土的最大干密度最大，最優(yōu)含水率最小[2]。

圖1　石灰改良黃土干密度與含水率關(guān)系曲線圖

3.2壓縮特性

通過對不同摻和比、不同密實度的石灰改良土養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行壓縮試驗，試驗結(jié)果如表2所示，其中η為壓實系數(shù)。從表2中可以得出，摻合比為2%、4%、6%及8%的石灰改良土在壓實系數(shù)為0.9和0.95時，壓縮系數(shù)均<0.1MPa-1，即屬于低壓縮性土。以摻合比為4%的石灰改良土的壓縮系數(shù)及壓縮模量為例，密實度為0.9時，壓縮系數(shù)為0.076MPa-1，壓縮模量為20.31MPa；密實度為0.95時，壓縮系數(shù)為0.057MPa-1，壓縮模量為23.14MPa，可見在同一種摻和比下，壓縮系數(shù)隨著密實度的增加而減小，壓縮模量隨著密實度的增加而增大。摻合比為6%的石灰改良土的壓縮系數(shù)及壓縮模量，密實度為0.9時，分別為0.077MPa-1及18.95MPa；密實度為0.95時，分別為0.059MPa-1及29.64MPa。摻合比為8%的石灰改良土的壓縮系數(shù)及壓縮模量；密實度為0.9時，分別為0.073MPa-1及17.66MPa，密實度為0.95時，分別為0.056MPa-1及20.17MPa，隨著摻和比的增大，壓縮系數(shù)及壓縮模量沒有規(guī)律可言，這主要是因為石灰改良土在不同摻和比下均是在各自的最優(yōu)含水率下制備的，即配制的含水率不同，其結(jié)果對影響壓縮系數(shù)隨摻和比的變化關(guān)系[1]非常明顯。

表2　石灰改良土的壓縮特性表

3.3應(yīng)力應(yīng)變特性

圖2　不同圍壓下石灰改良土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線圖(摻合比為4%，η=0.95)

圖3　不同摻合比下石灰改良土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線圖(圍壓200 kPa，η=0.95)

針對不同摻合比下的石灰改良黃土的強度特性及影響因素，做了在不同壓實度下的三軸不固結(jié)不排水剪試驗。圖2和圖3給出了部分不同圍壓(摻合比為4%，η=0.95)及不同摻合比(圍壓200kPa，η=0.95)下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的試驗結(jié)果。由圖2～3可知：

(1)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線可由以下四個階段組成，可分為：

①第一階段：屬于線性階段，石灰改良土的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈線性關(guān)系，隨著壓力的不斷增大，石灰改良土出現(xiàn)硬化；摻合比在2%、4%、6%及8%下，石灰改良土的應(yīng)力應(yīng)變值隨著摻合比的增大而增大；圍壓越大，石灰改良土的應(yīng)力應(yīng)變值越大。

②第二階段：屬于塑性上升段，石灰改良土的應(yīng)力應(yīng)變曲線不再像第一階段呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，而是應(yīng)力應(yīng)變曲線較為明顯，直至達(dá)到最大峰值；石灰改良土的應(yīng)力應(yīng)變最大值隨著摻合比的增大而增大；圍壓越大，石灰改良土的應(yīng)力應(yīng)變值越大。

③第三階段：屬于應(yīng)力衰減階段，當(dāng)應(yīng)力出現(xiàn)最大值后，應(yīng)力減小變化明顯，并出現(xiàn)較為明顯的反彎點；隨著石灰摻合比和圍壓的增大，反彎點越大，且越明顯。

④第四階段：屬于殘余強度階段，隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力變化不明顯，并且應(yīng)力接近于殘余強度值，當(dāng)試件發(fā)生破壞時，仍會存在殘余應(yīng)力，即殘余

強度值；隨著石灰摻合比和圍壓的不斷增大，石灰改良土的殘余強度值隨著石灰摻合比和圍壓的不斷增大而逐漸增大。

(2)石灰改良土試件表現(xiàn)出明顯的脆性破壞，有典型的破裂面出現(xiàn)，豎向裂縫明顯，且與最大主應(yīng)力面的角度為(45°+φ/2)，剪切面貫穿整個試樣，可見石灰改良土以脆性破壞為主。

4　結(jié)語

通過上述室內(nèi)試驗及分析結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

(1)石灰改良土最大干密度隨著石灰摻合比的增加逐漸減小，最優(yōu)含水率逐漸增大。

(2)石灰改良土在壓實系數(shù)為0.9和0.95時，壓縮系數(shù)均<0.1MPa-1，即均屬于低壓縮性土。在同一種摻和比下，隨著密實度的增加，壓縮系數(shù)逐漸減小，壓縮模量隨著密實度的增加而增大；隨著摻和比的增大，壓縮系數(shù)并不是呈現(xiàn)減小趨勢。

(3)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線可由四個階段組成，分別為線性階段、塑性上升階段、應(yīng)力衰減階段及殘余強度階段。石灰改良土以脆性破壞為主。

(4)在能保證施工質(zhì)量的前提下，考慮經(jīng)濟方面的因素，建議使用摻合比為4%～6%的石灰改良土。

[1]馬學(xué)寧，梁博.高速客運專線路基改良填料的試驗研究[J].鐵道學(xué)報，2005，27(5)：96-101.

[2]楊和平，李宏泉.石灰改良處治高液限土的路用特性試驗研究[J].公路工程，2013，38(4)：227-229.

[3]劉福春.京滬高速鐵路填料改良試驗方法及效果[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2001(3)：27-31.

[4]沙愛民.半剛性路面材料結(jié)構(gòu)與性能[M].北京：人民交通出版社，1998.

[5]凱茲迪.穩(wěn)定土道路[M].張起森譯.北京：人民交通出版社，1989.

Experimental Study of Expressway Subgrade Lime-improved Soil

WANG Bo

(Xinjiang Transportation Planning Surveying and Design Institute，Urumqi，Xinjiang，830006)

Through indoor soil test and theoretical analysis，this article studied the physical properties，stress-strain relationship and compression characteristics of lime-improved loess.Experimental test re-sults showed that：the maximum dry density of lime-improved soil gradually decreases with the increase of lime blending ratio，and the optimum moisture content increases；the stress-strain relationship curve of lime-improved loess has the obvious stress peak points，and the lime-improved soil shows obvious brittle failure；the compaction factor of lime-improved soil is <0.1 MPa-1，which is the low-compres-sion soil.

Expressway；Subgrade；Lime-improved loess；Stress-strain relationship；Compression properties；Maximum dry density；Experimental study

U412.36+6

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.03.010

1673-4874(2016)03-0038-03

2016-03-08

王博(1985—)，助理工程師，研究方向：公路工程勘察設(shè)計。