石灰改良膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)研究

邊加敏，蔣 玲，王保田

石灰改良膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)研究

邊加敏1a，1b，2，蔣 玲1a，1b，王保田2

（1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院a.路橋工程系；b.江蘇省道路交通節(jié)能減排技術(shù)研發(fā)中心，南京 211188；2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098）

對石灰改良膨脹土強(qiáng)度形成機(jī)理進(jìn)行了分析，研究了養(yǎng)護(hù)時間、初始含水率、摻灰率對石灰改良膨脹土的凝聚力及內(nèi)摩擦角的影響，提出綜合考慮含水率與摻灰率的凝聚力計算式，通過研究認(rèn)為養(yǎng)護(hù)時間對凝聚力和內(nèi)摩擦角的影響0～7 d比7～28 d大，但對內(nèi)摩擦角的影響比凝聚力小，這些結(jié)論的得出對進(jìn)一步研究石灰改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度具有一定的參考意義。

膨脹土；石灰改良土；抗剪強(qiáng)度；養(yǎng)護(hù)時間

1 研究現(xiàn)狀

在高速公路建設(shè)過程中，經(jīng)常遇到沿線分布有不良土質(zhì)如膨脹土、淤泥等。由于土地珍貴，土源緊張，不得不利用當(dāng)?shù)氐奶厥馔羴硖钪坊蛎浲辆褪瞧渲凶顬槠毡榈囊环N。根據(jù)公路規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，公路工程中不能使用強(qiáng)膨脹土鋪筑路堤，中、弱膨脹土經(jīng)過處理后可以用來鋪筑路堤，目前工程上最常用的膨脹土改良方法有物理法與化學(xué)法，其中以化學(xué)改良法的石灰改良運(yùn)用最為廣泛。

目前我國學(xué)者對石灰改良膨脹土的研究主要集中在強(qiáng)度及變形2個重點(diǎn)的研究方向上［1－4］，其中對強(qiáng)度的研究進(jìn)行得較多也較為廣泛，取得了部分共識，但其中部分成果的實(shí)際應(yīng)用性不強(qiáng)，為了進(jìn)一步研究石灰改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度的影響因素，提出最大限度地符合實(shí)際的石灰改良膨脹土抗剪強(qiáng)度的計算公式，并用于指導(dǎo)實(shí)際工程，筆者在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

目前我國學(xué)者對膨脹土強(qiáng)度的研究主要集中在以下幾個方面：

韓華強(qiáng)［5］研究了干濕循環(huán)對膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，得出干濕循環(huán)對非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響表現(xiàn)為有效凝聚力明顯降低，有效內(nèi)摩擦角幾乎不變。

譚松林［6］對養(yǎng)護(hù)時間對石灰改良膨脹土抗剪參數(shù)的影響進(jìn)行了研究。

李雄威［7］等對考慮水化狀態(tài)影響的膨脹土強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，通過直剪試驗(yàn)得出凝聚力隨水化時間的延長逐漸衰減并趨于穩(wěn)定的規(guī)律，內(nèi)摩擦角主要圍繞在一個定值上下波動，膨脹土水化作用的溫度越高，土體強(qiáng)度越低。三軸試驗(yàn)的結(jié)果表明，凝聚力和內(nèi)摩擦角均隨溫度的升高而線性降低，其中凝聚力降低的幅度要大于內(nèi)摩擦角，并提出以下計算公式：

劉華強(qiáng)［8］、徐彬［9］等研究了裂隙對非飽和土膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，得出無論是凝聚力還是內(nèi)摩擦角都隨著裂隙的出現(xiàn)而減小，但裂隙的出現(xiàn)對凝聚力的影響更大，且剛出現(xiàn)裂縫時凝聚力降低幅度最大。

2 石灰改良膨脹土的強(qiáng)度形成機(jī)理分析

在膨脹土中加入石灰進(jìn)行膨脹土的改良處理，主要是石灰可以改變黏土礦物的微結(jié)構(gòu)，從而引起膨脹土工程性質(zhì)的變化［10－11］，這種作用的機(jī)理主要體現(xiàn)在以下4個方面。

2.1 離子交換作用

膨脹土的微小顆粒在水中呈現(xiàn)一定的膠體性質(zhì)，并帶有負(fù)電荷，表面吸附一定數(shù)量的鈉、鉀、鈣、氫等低價陽離子（Na＋，K＋，Ca2＋，H＋）。石灰是一種強(qiáng)電解質(zhì)，在土中加入石灰后，石灰在水中電離出來的高濃度鈣離子（Ca2＋）能與土中的鈉離子（Na＋）產(chǎn)生離子交換作用，減少了土顆粒表面吸附水膜的厚度，使顆粒之間更為接近，分子引力隨之增加，許多單個土粒聚成小團(tuán)粒，組成一個穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

2.2 結(jié)晶作用

在石灰穩(wěn)定土中只有一部分熟石灰Ca（OH）2進(jìn)行了離子交換作用，而絕大部分飽和的Ca（OH）2可以自行結(jié)晶，將膨脹土顆粒膠結(jié)成一個整體。

2.3 碳酸化作用

穩(wěn)定土中的Ca（OH）2與空氣中的CO2作用生成堅硬的CaCO3結(jié)晶體。它可以把膨脹土顆粒膠結(jié)起來，阻止外界水分與強(qiáng)吸水礦物的有機(jī)結(jié)合，從而大大提高膨脹土的強(qiáng)度和整體性能。

2.4 硬凝作用

石灰與土中的活性的氧化硅、氧化鋁起化學(xué)反應(yīng)生成含水的硅酸鈣和鋁酸鈣，它們在水分作用下逐漸硬結(jié)，硅酸鈣和鋁酸鈣是一種水穩(wěn)性良好的結(jié)合材料，硬凝反應(yīng)是構(gòu)建石灰土早期強(qiáng)度的原因之一。

3 初始含水率、摻灰率對抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

3.1 土性參數(shù)的確定

為了研究初始含水率及摻灰率對抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，筆者選取了湖北省棗陽某取土場的試驗(yàn)土樣，按照膨脹土脹縮等級判定為弱膨脹土。具體土的物理性質(zhì)如表1所示。

3.2 試驗(yàn)方法及試樣的制備

將原狀土破碎過2 mm篩后，分別按照12%，14%，16%，18%的含水率向土樣中加水，加水完成后放入塑料袋中，并扎緊塑料袋口以防止水分散失，同時放入陰涼處對其養(yǎng)護(hù)1 d，使得水分均勻分布。

為了最大限度地模擬現(xiàn)場的施工過程和施工方法，試驗(yàn)中灰土的拌合采用二次摻灰法，二次摻灰法的第一次拌灰能夠使得試驗(yàn)用的膨脹土“砂化”，從而使得第二次拌灰均勻，根據(jù)文獻(xiàn)資料及筆者試驗(yàn)用土的相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，第一次摻灰的石灰劑量選擇2%，拌合均勻，放入袋中扎緊，放入陰涼處養(yǎng)護(hù)2 d，取出后摻加剩余的石灰，并拌合均勻，再養(yǎng)護(hù)48 h后制作試樣，試樣干密度選擇1.7 g／cm3（此干密度指的是干土質(zhì)量除以環(huán)刀體積，不考慮石灰質(zhì)量）。

試驗(yàn)儀器采用ZJ－4型直剪儀，上附壓力分別選擇50，100，150，200 kPa共4種。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

用環(huán)刀制樣后放入直剪儀中進(jìn)行快剪試驗(yàn)，測定抗剪強(qiáng)度與上附壓力的關(guān)系后通過繪圖計算抗剪強(qiáng)度參數(shù)，其抗剪強(qiáng)度參數(shù)的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

為了研究相同齡期的情況下?lián)交衣逝c抗剪強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系，筆者對凝聚力和內(nèi)摩擦角與摻灰率的關(guān)系進(jìn)行擬合，具體見圖1、圖2。

表2 含水率、摻灰率與抗剪強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 The test results of water content，lime rate and shear strength

（1）圖1顯示在相同含水率的情況下凝聚力隨著摻灰率的增大而增大，且凝聚力與摻灰率近似成線性關(guān)系，即c＝a1h＋b1。其中：c為凝聚力；h為摻灰率；a1，b1為試驗(yàn)參數(shù)。通過分析計算得出最小相關(guān)性系數(shù)為0.95（16%含水率），最大相關(guān)性系數(shù)為0.993（12%含水率），相關(guān)性系數(shù)較大，滿足線性相關(guān)的要求。在相同含水率的情況下，摻灰率對試驗(yàn)含水率段的石灰改良土凝聚力的影響較大，分別增加20.6，22.7，27.9，31 kPa。

表1 試驗(yàn)用膨脹土的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of tested expansive soil

圖1 摻灰率與凝聚力關(guān)系Fig.1 Relation between lime rate and cohesion

圖2 摻灰率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系Fig.2 Relation between lime rate and internal friction angle

（2）圖2顯示內(nèi)摩擦角隨著摻灰率的增大而逐漸增大，且近似成線性關(guān)系可以用公式φ＝a2h＋b2，但內(nèi)摩擦角增大數(shù)值并不大，12%，14%，16%，18%4種含水率對應(yīng)內(nèi)摩擦角增大的數(shù)值分別為1.1，2.0，0.8，0.7。從另一個方面證明了內(nèi)摩擦角與土樣的自身性質(zhì)有關(guān)，外界對其影響較小。

為了進(jìn)一步研究摻灰率與凝聚力的關(guān)系，筆者將系數(shù)a1，a2與b1，b2與含水率的關(guān)系進(jìn)行了研究，研究結(jié)果見圖3至圖6。

圖3 a1值與含水率關(guān)系Fig.3 Relation between coefficient a1and water content

圖4 b1值與含水率的關(guān)系Fig.4 Relation between coefficient b1and water content

（1）根據(jù)圖3得出a1與含水率的關(guān)系可以用直線進(jìn)行擬合，即

其相關(guān)性系數(shù)為R2＝0.987 4。

（2）將系數(shù)b1與含水率進(jìn)行了擬合，得出b1與含水率可以用一次曲線進(jìn)行擬合，即

其相關(guān)性系數(shù)R2＝0.998 9。

（3）圖5、圖6顯示含水率對a2，b2的影響沒有一定規(guī)律，但不管如何變化，圖中顯示a2，b2總是圍繞一固定值上下波動。在圖5中隨著含水率的變化a2的變化較小，最大值與最小值相差0.06左右，且總是圍繞0.14波動；圖6顯示b2值總是圍繞著36.3波動。這一現(xiàn)象可能是由于實(shí)驗(yàn)中微小誤差所造成的。故此將a2，b2設(shè)定為一固定值，即a2＝0.14，b2＝36.3。

圖5 a2值與含水率的關(guān)系Fig.5 Relation between coefficient a2and water content

圖6 b2值與含水率的關(guān)系Fig.6 Relation between coefficient b2and water content

就本文的試驗(yàn)用土而言，綜合上面得到

式中：c為凝聚力；φ為內(nèi)摩擦角；w為含水率；h為摻灰率；ac1，bc1，ac2，bc2，aφ，bφ為相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)。

3.4 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與初始含水率關(guān)系

凝聚力與初始含水率有一定的關(guān)系，為了研究凝聚力與初始含水率的關(guān)系，筆者對試驗(yàn)用相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，結(jié)果如圖7、圖8所示。

（1）通過對圖7的分析我們可以看出，在相同摻灰率的情況下，凝聚力與初始含水率近似成線性關(guān)系，即c＝aww＋bw，其相關(guān)系數(shù)較高，4種灰劑量的線性相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.97以上，本文最大試驗(yàn)含水率為18%大于重型擊實(shí)最優(yōu)含水率16%，在本文試驗(yàn)含水量下，凝聚力隨著摻灰率的增大而增大，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［3，11］的研究結(jié)果，在初始含水率小于wop＋3%時，石灰土的抗剪強(qiáng)度隨著摻灰率的增加而增加，這與本文的試驗(yàn)結(jié)果較為符合，文獻(xiàn)［3］、文獻(xiàn)［11］同時指出當(dāng)初始含水率大于wop＋3%時，抗剪強(qiáng)度隨著初始含水率的增加而減小，由于本文試驗(yàn)含水率限制，未能得出相關(guān)結(jié)論。

圖7 含水率與凝聚力關(guān)系Fig.7 Relation between water content and cohesion

（2）圖8顯示內(nèi)摩擦角與初始含水率也成線性關(guān)系，即φ＝cww＋dw且內(nèi)摩擦角隨著初始含水率的增大而增大，但在相同摻灰率的前提下，各種摻灰率的內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而增加的幅度不大，最大增加率為2%，其內(nèi)摩擦角增加量為1.1，其余內(nèi)摩擦角的增加基本一致，約增加0.8左右。出現(xiàn)這一現(xiàn)象可能是由于2%摻灰率的石灰土含水率由12%增加至18%時石灰能夠與水完全反應(yīng)，而其余摻灰率較大的石灰土石灰不能與水完全反應(yīng)的原因。

圖8 含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系Fig.8 Relation between water content and internal friction angle

4 齡期對抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

在影響抗剪強(qiáng)度的眾多因素中，齡期無疑是其中比較重要的因素之一，石灰改良土與水泥改良土相比的最大缺點(diǎn)在于早期強(qiáng)度不足，但許多學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過一定齡期的石灰土其強(qiáng)度與水泥改良土的強(qiáng)度相當(dāng)。

筆者以文中試驗(yàn)用土中2%，6%2種摻灰率、初始含水率為12%，16%2種弱膨脹土為研究對象，分別對該膨脹土7 d與28 d強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，具體試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

為了研究抗剪強(qiáng)度參數(shù)與齡期的關(guān)系，筆者將上表中的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果繪制于圖9、圖10中。

圖9 養(yǎng)護(hù)時間與凝聚力關(guān)系Fig.9 Relation between curing time and cohesion

圖10 養(yǎng)護(hù)時間與內(nèi)摩擦角的關(guān)系Fig.10 Relation between curing time and internal friction angle

通過分析圖9、圖10得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）凝聚力隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加不斷地增加，通過圖9我們發(fā)現(xiàn)在養(yǎng)護(hù)時間1～7 d的凝聚力增長比7～28 d凝聚力增長快，這一結(jié)論在其他學(xué)者的研究資料中也得到了驗(yàn)證。筆者認(rèn)為出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能有以下幾個方面：①由于前期出現(xiàn)的CaCO3結(jié)晶體形成的保護(hù)膜將Ca（OH）2與空氣中的CO2隔開，阻止離子交換作用、碳化作用及結(jié)晶作用的進(jìn)一步發(fā)生而造成的。②不同的養(yǎng)護(hù)時間段，石灰土強(qiáng)度形成的機(jī)理不同，相關(guān)研究表明硬凝作用在石灰土早期強(qiáng)度形成的過程中起到重要的作用。

（2）通過數(shù)據(jù)擬合，內(nèi)摩擦角隨養(yǎng)護(hù)時間的增長不成線性關(guān)系，通過研究圖10我們發(fā)現(xiàn)在1，7，28 d這3種養(yǎng)護(hù)時間的內(nèi)摩擦角變化非常小，其變化均在1以內(nèi)。其中在1～7 d的內(nèi)摩擦角變化較7～28 d的內(nèi)摩擦角變化快，這一時間節(jié)點(diǎn)與凝聚力的變化節(jié)點(diǎn)類似。圖9、圖10證明在石灰土養(yǎng)護(hù)的過程中，其抗剪強(qiáng)度的變化并不是呈線性關(guān)系，而是呈現(xiàn)前快后慢的特點(diǎn)，根據(jù)本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)抗剪強(qiáng)度變化的時間節(jié)點(diǎn)在7 d。

（3）隨著摻灰率和含水率的增大，內(nèi)摩擦角和凝聚力都進(jìn)一步地增大，但增大幅度不一致。在相同含水率的情況下，凝聚力和內(nèi)摩擦角都隨著摻灰率的增大而增大，在相同摻灰率的情況下，凝聚力和內(nèi)摩擦角都隨著含水率的增大而增大。

（4）比較圖9、圖10我們發(fā)現(xiàn)，齡期對凝聚力的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對內(nèi)摩擦角的影響，在文中試驗(yàn)用土28 d的凝聚力增大在40%左右，而內(nèi)摩擦角的增大在5%以下。

5 相關(guān)工程問題思考

（1）關(guān)于工程最優(yōu)拌土含水率的思考：根據(jù)本文及部分學(xué)者的研究結(jié)果，試驗(yàn)用土在最優(yōu)含水率的情況下?lián)交也⒉荒苋〉米畲蟮目辜魪?qiáng)度，最優(yōu)拌土含水率與最優(yōu)含水率并不一致，最優(yōu)拌灰含水率一般比最優(yōu)含水率要大，具體數(shù)值根據(jù)摻灰率決定。文獻(xiàn)［3］、文獻(xiàn)［11］建議將拌合含水率設(shè)定在wop＋3%附近，其并未考慮摻灰率及齡期的影響，筆者認(rèn)為對于不同的摻灰率應(yīng)考慮不同的拌合含水率。

（2）關(guān)于最優(yōu)拌灰率確定的思考：目前我國公路路基設(shè)計規(guī)范用CBR值來表示高速公路路基的最小強(qiáng)度，這雖然與本文的采用直剪試驗(yàn)測得的強(qiáng)度有一定的區(qū)別，但其反映土體強(qiáng)度的本質(zhì)一致。目前科研人員將拌合后未經(jīng)養(yǎng)護(hù)的土樣直接用于土樣試驗(yàn)，直接測定其CBR值，這顯然沒有充分考慮養(yǎng)護(hù)時間對土樣強(qiáng)度增加的影響，造成實(shí)際工程的浪費(fèi)，根據(jù)本文的研究成果養(yǎng)護(hù)7 d后其直剪強(qiáng)度增大約40%左右，因此筆者建議在測定土體CBR值時將土樣養(yǎng)護(hù)7 d后測定其CBR值或者直剪強(qiáng)度，以確定其最優(yōu)摻灰率。

6 結(jié) 論

通過以上相關(guān)的室內(nèi)試驗(yàn)并對相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果的分析，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）凝聚力和內(nèi)摩擦角與摻灰率近似呈線性關(guān)系，筆者把系數(shù)a1，a2，b1，b2與含水率的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示a1和b1與含水率均呈線性關(guān)系，a2和b2與含水率不成線性關(guān)系，且圍繞某一固定值波動，綜合以上提出綜合考慮摻灰率與含水率的抗剪強(qiáng)度參數(shù)計算公式：

（2）在文中的含水率、灰劑量及養(yǎng)護(hù)時間范圍內(nèi)，含水率和摻灰率及養(yǎng)護(hù)時間對內(nèi)摩擦角的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對凝聚力的影響。

（3）養(yǎng)護(hù)時間對凝聚力與內(nèi)摩擦角的影響呈現(xiàn)前快后慢的特性，即在文中養(yǎng)護(hù)時間的情況下1～7 d的增速比7～28 d大。

（4）建議改變現(xiàn)行施工規(guī)范中的最優(yōu)拌土含水率及最優(yōu)摻灰率的確定方法，用7 d齡期的石灰土CBR及直剪強(qiáng)度進(jìn)行最優(yōu)摻灰率的確定，同時在最優(yōu)拌土含水率的確定時考慮摻灰率的影響，對于不同的摻灰率采用不同的最優(yōu)施工含水率。

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［11］李志祥，胡瑞林，熊野生，等.改良膨脹土路堤填筑含水率優(yōu)化試驗(yàn)研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2005，（13）：113－116.（LI Zhi-xiang，HU Rui-lin，XIONG Yesheng，etal.Experiment Study on OptimalWater Content of the Modified Expansive Clay Used as the Embankment Fills［J］.Journal of Engineering Geology，2005，（13）：113－116.（in Chinese） ）

（編輯：王 慰）

Shear Strength Parameters of Lime-Treated Expansive Soils

BIAN Jia-min1，2，3，JIANG Ling1，2，WANG Bao-tian3
（1.Department of Road and Bridge Engineering，Nanjing Communications Institute of Technology，Nanjing 211188，China；2.Jiangsu Research Center for Traffic Energy Saving and Emission Reduction，Nanjing Communications Institute of Technology，Nanjing 211188，China；3.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

The strength formation mechanism of lime-treated expansive soil is analyzed，and then the effects of curing time，initialmoisture content，lime rate on the cohesion and the internal friction angle of the treated expansive soil are investigated.The cohesion calculation formula in consideration ofwater content and lime rate is proposed.It is believed that the influence of curing time of0-7 days on the cohesion and internal friction angle is larger than that of7-28 days，and the curing time has less influence on internal friction angle than on cohesion.These conclusions can be referential for researches on the shear strength of lime-treated expansive soil.

expansive soil；lime treated soil；shear strength；curing time

TV443.3

A

1001－5485（2012）12－0062－06

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.013 2012，29（12）：62－67

2011－10－20

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50639010）；教育部博士點(diǎn)基金（20100094110002）；江蘇省道路交通節(jié)能減排研發(fā)中心（JN201103）；南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（JY1006）

邊加敏（1979－），男，江蘇南京人，博士研究生，主要從事非飽和土方面的學(xué)習(xí)和研究工作，（電話）15951670241（電子信箱）bianjiamin1114＠yahoo.com.cn。