不同石灰配合比對昔格達(dá)土性能的影響試驗(yàn)研究

阮小龍1, ，黃雙華 ，羅 強(qiáng)

(1．西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610039；2.攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院 ，四川 攀枝花 617000)

攀西地區(qū)地處云南四川交界處，地勢復(fù)雜，山坡較多，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的同時(shí)，區(qū)域建設(shè)也不斷增多，因而常會(huì)遇見修建高回填昔格達(dá)土邊坡。而此地區(qū)的昔格達(dá)土是弱膠結(jié)半成巖，結(jié)構(gòu)顆粒分散，凝聚力小，抗剪強(qiáng)度低，遇水易膨脹軟化，這些不利工程性質(zhì)都為高邊坡產(chǎn)生失穩(wěn)甚至滑坡等地質(zhì)災(zāi)害埋下安全隱患。虞躍等[1]曾做過用水玻璃改良昔格達(dá)土物理力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究，而石灰是一種價(jià)格更低廉的建筑材料，目前較多用于路基路面中改良土的壓實(shí)性能[2-3]，也常用于改善土質(zhì)和增強(qiáng)土體強(qiáng)度[4-5]。本文利用石灰對攀枝花某高回填邊坡的昔格達(dá)土進(jìn)行改性試驗(yàn)研究。由于土體抗剪強(qiáng)度對高邊坡穩(wěn)定性起控制作用，故用1∶9、2∶8、3∶7、4∶6的灰土配合比，通過界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，探究了不同灰土配合比對昔格達(dá)土的塑液限、擊實(shí)性能和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的改性效果,并結(jié)合工程實(shí)際分析了該摻石灰高回填昔格達(dá)土邊坡多年的使用狀況。

1 試驗(yàn)材料

1.1 昔格達(dá)土

昔格達(dá)土按地層分為黏土巖和砂巖，屬于弱膠結(jié)半成巖。本試驗(yàn)用土取自攀枝花某高邊坡工程，屬于人工回填昔格達(dá)土。該土屬于泥質(zhì)粉砂巖，塑限為45.7%，液限為26.2%，泥質(zhì)粉砂巖膠結(jié)程度低，結(jié)構(gòu)顆粒松散，該土的主要物理指標(biāo)參見表1。

表1 昔格達(dá)土的物理性質(zhì)

1.2 石灰

石灰是一種以氧化鈣為主要成分的氣硬性無機(jī)膠凝材料。試驗(yàn)所選用生石灰CaO和MgO總質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為72%，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤5%，屬Ⅲ級鈣質(zhì)石灰。生石灰(CaO)經(jīng)過充分熟化生成Ca(OH)2，晾干后方可用于試驗(yàn)。

2 界限含水率試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

取適量土樣風(fēng)干，測定風(fēng)干含水率，碾碎，過0.5 mm篩。將生石灰熟化，風(fēng)干后過0.5 mm篩，按1∶9、2∶8、3∶7、4∶6的配合比例與原樣土拌合，裝入塑料袋，放置1 d，讓土的含水率均勻。然后，分別測定各界限含水率，以了解不同石灰配合比對昔格達(dá)土界限含水率的影響。

2.2 石灰土塑、液限的變化

取出試樣，利用塑液限聯(lián)合測定儀分別測定對重塑土以及不同配比的石灰拌合土的塑、液限，試驗(yàn)成果見表2，塑、液限變化趨勢見圖1。

表2 不同石灰配合比灰土的塑液限指標(biāo)

從變化趨勢圖可以看出，塑限、液限總體呈現(xiàn)增大趨勢，但在摻入配比約為3∶7時(shí)出現(xiàn)峰值，之后塑限呈減小趨勢；而塑限指數(shù)呈減小趨勢，從20.42%減小到12.70%，減少了38%，這說明石灰對昔格達(dá)土的親水性有較好的降低改性效果?；彝恋乃芤合拊龃蠖芟拗笜?biāo)降低，這是因?yàn)樯沂旎怀浞郑瑩饺氲氖抑泻猩倭课词旎?，生石灰熟化消耗掉土中的一部分水而致使灰土處于一種粉砂狀態(tài)，與此同時(shí)石灰與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成強(qiáng)度更高的碳酸鈣，包裹住原來的土粒，使原來的散粒結(jié)構(gòu)形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。

圖1 塑液限變化趨勢圖

3 擊實(shí)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

本擊實(shí)試驗(yàn)根據(jù)GB/T 50123—1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，重塑土碾碎過5 mm篩，石灰過2 mm篩，重塑土和灰土(配合比分別為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6)以不同的設(shè)定含水率進(jìn)行拌合制樣，裝入塑料袋，放置1 d，使水分均勻分布到土體。然后，再使用擊實(shí)儀測各土的最優(yōu)含水率和最大干密度。

3.2 石灰土最優(yōu)含水率、最大干密度的變化

試驗(yàn)采用輕型擊實(shí)儀，輕型擊實(shí)試驗(yàn)擊實(shí)功約為592.2 kJ/m3，分3層擊實(shí)，每層27擊，分別對重塑土及不同配合比的灰土進(jìn)行擊實(shí)，再測定擊實(shí)后的干密度及含水率，然后得到擊實(shí)曲線。通過擊實(shí)曲線可以得出重塑土及不同配合比的灰土最優(yōu)含水率和最大干密度(見表3)，不同配合比最優(yōu)含水率變化趨勢曲線、最大干密度變化趨勢曲線見圖2、圖3。

表3 不同配合比灰土的最優(yōu)含水率及最大干密度

圖2 最優(yōu)含水率隨石灰摻入百分量變化趨勢

圖3 最大干密度變隨石灰摻入百分量變化趨勢

從表2可以發(fā)現(xiàn)，隨著摻灰量的增加，最優(yōu)含水率不斷增大，最大干密度不斷減小。從圖2、圖3可以看出，隨著石灰摻入配比的增加，最優(yōu)含水率逐漸增大而最大干密度幾乎接近直線下降。這是因?yàn)槭遗c土拌和，石灰與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，細(xì)小顆粒凝聚和絮聚，土結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，成為較大顆粒，影響了土的壓實(shí)性能。

4 三軸試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)最大干密度(分別為1.58 、1.52 、1.46 、1.42 、1.37 g/cm3)和擊實(shí)儀的體積以及所需試件個(gè)數(shù)大概估算所需土料質(zhì)量，并以各灰土配合比(1∶9、2∶8、3∶7、4∶6)的最優(yōu)含水率(分別為20.7%、21.3%、23.4%、 24.4%、 26.9%)配制土料，放入塑料袋擱置12 h，讓土體含水率均勻，分別制成3個(gè)試件，在同等條件下養(yǎng)護(hù)1周。

4.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

圖4 養(yǎng)護(hù)7 d重塑土莫爾應(yīng)力圓

圖5 養(yǎng)護(hù)7 d 1∶9灰土莫爾應(yīng)力圓

圖6 養(yǎng)護(hù)7 d 2∶8灰土莫爾應(yīng)力圓

圖7 養(yǎng)護(hù)7 d 3∶7灰土莫爾應(yīng)力圓

圖8 養(yǎng)護(hù) 7 d 4∶6灰土莫爾應(yīng)力圓

取出試件，用土工三軸試驗(yàn)儀器使試件分別在不同圍壓(100、200、300 kPa)作用下施壓軸向壓力直至試件破壞并繪出莫爾應(yīng)力圓，如圖4—8所示。不同石灰配合比灰土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如表4所示。不同石灰配合比灰土的凝聚力變化趨勢和內(nèi)摩擦角變化趨勢如圖9—10所示。

表4 不同石灰配合比灰土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

圖9 凝聚力Cu變化趨勢圖

圖10 內(nèi)摩擦角Φu變化趨勢圖

通過觀察內(nèi)摩擦角Φu變化趨勢圖及凝聚力Cu變化趨勢圖，可以發(fā)現(xiàn)隨石灰配合比的不斷增加，凝聚力和內(nèi)摩擦角增加不少，呈現(xiàn)先不斷增加后緩慢減小的變化趨勢，凝聚力和內(nèi)摩擦角都在石灰摻量約3∶7時(shí)，到達(dá)最大值，因此得出結(jié)論，昔格達(dá)土的最佳灰土配合比為3∶7。

5 摻石灰高回填昔格達(dá)土邊坡的使用狀況

該高回填昔格達(dá)土邊坡修建于攀枝花某運(yùn)動(dòng)場，在回填土中摻有一定比例的石灰，通過對該邊坡的觀察發(fā)現(xiàn)，使用十余年，坡面依然完好，坡體仍然穩(wěn)固，從建成至今沒有出現(xiàn)過任何坍塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。因?yàn)槭遗c昔格達(dá)土形成的復(fù)合土體經(jīng)過長時(shí)間碳化后在表面生成碳酸鈣(CaCO3)硬殼，阻止了雨水從表面滲透進(jìn)入坡面內(nèi)部，從而有效地防治了昔格達(dá)土吸水膨脹軟化等不利工程性質(zhì)，避免了出現(xiàn)由此而引起的邊坡失穩(wěn)問題。至于滲透系數(shù)的具體改性效果，有待繼續(xù)研究。

6 結(jié)論

1) 生石灰熟化不充分，摻入的石灰中含有少量未熟化生石灰，生石灰熟化消耗掉土中的一部分水而致使灰土處于一種粉砂狀態(tài)，與此同時(shí)石灰與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成強(qiáng)度更高的碳酸鈣，包裹住原來的土粒，使原來的散粒結(jié)構(gòu)形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明石灰摻入昔格達(dá)土后，石灰對昔格達(dá)土的親水性有很好的降低改性效果，且改良親水性的最佳灰土配合比約為3∶7。

2) 由于石灰與土拌和，熟石灰與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，細(xì)小顆粒凝聚和絮聚，土結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，成為較大顆粒，影響了土的壓實(shí)性能。石灰密度比土小，而石灰產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)需要消耗很多的水，故隨著石灰摻入量的增加，最大干密度不斷減小，最優(yōu)含水率不斷增大。

3) 由于石灰摻入土體后，熟石灰與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變了土體原內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使土體凝聚力更強(qiáng)，內(nèi)摩擦角更大。隨著石灰摻入量的不斷增加，凝聚力和內(nèi)摩擦角增加不少，呈現(xiàn)先不斷增加后緩慢減小的變化趨勢，凝聚力和內(nèi)摩擦角都在灰土配合比約3∶7時(shí)，到達(dá)最大值。最后得出結(jié)論，昔格達(dá)土的最佳灰土配合比約為3∶7。

4) 通過對攀枝花某高回填邊坡實(shí)際工程的多年觀察發(fā)現(xiàn)，石灰與昔格達(dá)土的復(fù)合土，增強(qiáng)了土體的滲透力，阻止了雨水從表面滲透進(jìn)入坡面內(nèi)部，隔絕了雨水與坡體內(nèi)昔格達(dá)土接觸，從而有效地防治了昔格達(dá)土吸水膨脹軟化等不利工程性質(zhì)引起的邊坡失穩(wěn)工程事故。

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