綿陽地區(qū)冰水堆積土石灰改性試驗研究

祝敏剛，陳鵬宇，齊云龍，衛(wèi)軍剛，湯維武

(1. 建材廣州地質工程勘察院，廣東 廣州 510403；2. 中國地質大學 工程學院，湖北 武漢 430074；3. 核工業(yè)西南勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610061)

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綿陽地區(qū)冰水堆積土石灰改性試驗研究

祝敏剛1，陳鵬宇2，齊云龍3，衛(wèi)軍剛3，湯維武3

(1. 建材廣州地質工程勘察院，廣東 廣州 510403；2. 中國地質大學 工程學院，湖北 武漢 430074；3. 核工業(yè)西南勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610061)

為全面系統(tǒng)地研究綿陽地區(qū)冰水堆積土加石灰前后的工程性質及力學性質的變化規(guī)律等，對0%，3%，5%，7%，9%，11%石灰摻量下綿陽地區(qū)冰水堆積土進行了室內試驗研究，得到冰水堆積改良土改性前后的顆粒級配、自由膨脹率、塑性指數、膨脹量、抗剪強度、CBR值和無側限抗壓強度等數據，從而確定其最佳摻灰比為7%。

道路工程；冰水堆積物；顆粒級配；工程性質；力學性質

0 引 言

我國西部高山高緯度地區(qū)廣泛分布有第四紀冰水堆積地層，冰水堆積物儲量豐富，已經逐漸應用于土石壩建設和高速公路路基填筑施工中[1-2]。目前，國內對于冰水堆積物用作公路填料的研究尚少，工程經驗較少[3-4]。我國西部地區(qū)地質條件復雜、地震活動頻繁，在公路建設中必須考慮冰水堆積物的工程性質。因此，研究冰水堆積物這種新填料的工程特點，獲取其路基工程性狀具有重要的理論意義和應用價值。

綿陽地區(qū)廣泛分布有中更新統(tǒng)高階地冰水堆積物。土體由黏土和礫卵石混雜堆積組成，室內試驗表明其中的黏性土具有一定的膨脹性。因此，在考慮其作為天然路基或填料時，應該注意其土體特性，嚴格按照膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范(GB 50112—2013)相關要求對土體進行改良。筆者依托某道路勘測工程，通過大量的室內試驗及相應的理論分析對綿陽地區(qū)冰水堆積土進行石灰改性試驗研究，通過系統(tǒng)分析比較改性前后冰水堆積土的工程特性，從而確定最佳摻灰比，為該區(qū)域工程設計、施工與質量控制提供了可靠的參考依據。

根據綿陽地區(qū)的地理地質條件，從安全經濟角度出發(fā)，筆者采用石灰作為改良劑改良路基土的物理改良法。石灰對路基土的改良是通過石灰與土之間的物理作用，物理化學作用以及化學作用來改善土的工程性質[5]，使改良土的結構和化學成分發(fā)生變化，隨著新的膠結物的不斷產生，黏粒含量降低，使膨脹土的液限和膨脹量降低，強度增大，將膨脹性土改性為非膨脹性土[6-7]。其改性效果明顯，成本較低，而且添加石灰后可以明顯的改善路基土的工程性質，如減小路基土的塑性指數，增強其強度等[8-10]。

1 試樣和試驗方法

試驗樣品為綿陽市游仙區(qū)冰水堆積物中的黏土，其為黃褐色，稍濕，可塑～硬塑，主要分布于區(qū)域內Ⅱ級階地淺表層，鉆探揭露層厚0.50～6.00 m。試驗結果(見表1)顯示膨脹性礦物蒙脫石的含量為26%，且小于0.005 mm的黏粒含量為47.8%，屬于弱-中膨脹性土[11]。

表1 冰水堆積土的物理力學指標

試驗采用的石灰為過2 mm篩的新鮮生石灰，其配比分別為0%，3%，5%，7%，9%，11%。在試驗過程中，由于擊實試驗在制樣時需剔除粒徑大于20 mm的大顆粒，從而得出不同的石灰配比下試樣的最大干密度和最佳含水率。而崩解試驗、自由膨脹率和稠度指標試驗、脹縮特性指標試驗和直剪試驗，由于在其制樣過程中，受到儀器的尺寸限制，只能制備2 mm以下粒徑的試樣，而用等量替代法得到的最大干密度和最佳含水率和原級配的結果最接近[12]。如圖1，用等量替代法對綿陽地區(qū)冰水堆積土的級配曲線進行處理[13]，得到表2所示的適用于2 mm以下粒徑土試驗的粒徑范圍。然后用表2中的級配配置試樣后再進行擊實試驗得到素土的最大干密度和最佳含水率分別由2.06 g/cm3和9.7%變?yōu)?.84 g/cm3和13.7%，結果如圖2。

圖1 冰水堆積土級配曲線

表2 等量替代后不同粒徑范圍

圖2 冰水堆積土擊實曲線

其中在擊實試驗過程中，試樣在50 °C烘箱中靜置12 h，經碾碎后過20 mm篩，采用四分法將篩后的土樣與不同配比(按干土質量的百分比計算摻入的石灰劑量)的石灰拌合均勻后稱取5 kg，然后用噴水器加入不同含水率4%，7%，10%，13%，16%的水，邊噴邊攪拌，直到試樣表面看不到干土，用保鮮膜密封悶料24 h。試驗時，將濕土平均分5次倒入擊實筒中，用重型擊實儀對每次倒入的土樣擊實56次，從而得到不同石灰配比的試樣的最大干密度和最佳含水率。

最后將試樣調成相應石灰配比下的最大干密度和最佳含水率后進行擊實試驗得到的圓柱土樣再進行膨脹量試驗、CBR試驗和無側限抗壓強度試驗。

2 試驗結果分析

2.1 物理性質的變化

2.1.1 顆粒分析

試驗表明，試驗結果發(fā)現在外加改良劑的作用下，試樣內部的顆粒級配發(fā)生了變化，主要表現為膠粒含量的減少，粉粒含量的增加。具體試驗結果如表3。

表3 不同石灰配比下冰水堆積土的顆粒分析

2.1.2 崩解試驗

很多工程實例證實，路基填料中未完全崩解的土體隨著時間而繼續(xù)崩解，容易導致路面產生裂縫而破壞[14-15]，因此了解綿陽地區(qū)冰水堆積土的崩解特性顯得格外重要。按等量替代之后的干密度1.84 g/cm3制成的環(huán)刀試樣放入水中，浸沒試樣。由本試驗結果圖3可知，加入石灰之后綿陽地區(qū)冰水堆積土在石灰摻量加大的情況下完全崩解所需要的時間加長，其中在石灰摻量為7%的時候時間最長，為390 s，比原樣土完全崩解所需時間211 s多了將近一半，說明石灰的加入對綿陽地區(qū)冰水堆積土的崩解產生了明顯的抑制作用。

圖3 石灰摻量與試樣完全崩解所需時間關系曲線

2.1.3 自由膨脹率和稠度指標的變化

圖4和圖5是石灰摻量，稠度指標和自由膨脹率的關系曲線。根據圖4和圖5的結果加入石灰改良劑后，綿陽地區(qū)冰水堆積土的液限、塑性指數和自由膨脹率隨著石灰摻量的增加而降低，而塑限有所增高。其中，雖然石灰摻量在11%時液限有所增高，不過增高很小，其原因可能是隨著石灰摻量的增加，消耗的水增多，而石灰在水的作用下與土顆粒發(fā)生充分反應后若再繼續(xù)增加石灰的劑量，會導致一些石灰沒有發(fā)生反應而引起改性土內部的不均勻。

圖4 石灰摻量與稠度指標的關系曲線

圖5 石灰摻量與自由膨脹率的關系曲線

2.1.4 摻石灰后膨脹土脹縮特性的變化

分別采用固結儀器和收縮儀器進行無荷載膨脹率試驗，50 kPa膨脹率試驗，膨脹力試驗和收縮試驗。試驗結果表明加入改良劑后，綿陽地區(qū)冰水堆積土的脹縮特性得到明顯的改善，具體試驗結果如表4。由表4可知，隨著石灰配比的增大，無荷膨脹率、50 kPa下的膨脹率、膨脹力、收縮系數都是逐漸減小，縮限的變化規(guī)律不是很明顯。其中，無荷膨脹率在石灰摻量增加時剛開始下降緩慢，從5%到7%迅速降低，下降超過50%。50 kPa膨脹率，膨脹力和收縮系數在7%前面下降比較明顯，之后再繼續(xù)增加石灰摻量，下降緩慢。這些結果說明7%的摻量是石灰改良綿陽地區(qū)冰水堆積土的最佳摻量。

表4 冰水堆積土石灰改性后脹縮特性指標

2.2 力學性質的變化

2.2.1 擊實試驗

擊實曲線見圖6，由擊實曲線得到不同石灰摻量下試樣的最佳含水率和最大干密度如表5。然后在最大干密度和最佳含水率下制備擊實樣，進行擊實之后，放入膨脹量測試儀中，水面高于儀器表面5 mm，然后浸泡4 d，測其膨脹量，結果見表5。

圖6 綿陽地區(qū)冰水堆積石灰改良土干密度與含水率變化關系

表5 綿陽地區(qū)冰水堆積石灰改良土的膨脹特性與石灰摻量關系

從表5可以看出，隨著石灰摻量的增加，綿陽地區(qū)冰水堆積土經石灰改良后的最大干密度、最佳含水率、膨脹量是逐漸減小的。最大干密度的減小是因為石灰與土顆粒之間的離子交換等作用使得試樣內部細小顆粒減少，粗顆粒增多，而由于粗顆粒之間的接觸面小，因此隨著粗顆粒含量的增多，試樣內部孔隙也隨之增多，隨著石灰摻量的增加，試樣內部孔隙越來越多，從而導致試樣越不易被擊實[16-17]。最佳含水率的減少是因為摻入石灰后，石灰與土顆粒之間發(fā)生一系列的物理化學反應，均需要在水的作用下進行，從而導致試樣內部水的消耗，還有石灰與土顆粒之間的硬凝反應會將一部分自由水反應后生成結晶水。隨著石灰摻量的不斷增加，這些反應會更劇烈，從而使得最佳含水率降低。而膨脹量的降低，是由于石灰的摻入減弱了試驗的膨脹特性，而石灰摻量越多，最終會使試樣從膨脹性土變成非膨脹性土。

2.2.2 直剪試驗

試驗采用固結快剪，試驗結果如表6?？梢?，素土的黏聚力為31.4 kPa，內摩擦角為22.8°，且都隨著石灰摻量的增加而增加。其中，對于綿陽地區(qū)冰水堆積土，添加7%的石灰量，黏聚力可由不摻石灰的31.4 kPa增加到104.4 kPa，提高3倍以上。

表6 冰水堆積土石灰改性后強度變化

2.2.3 承載比和無側限抗壓強度試驗

室內試驗時，將土樣在不同石灰摻量下調成最大干密度和最佳含水率，拌和均勻后靜置24 h，然后進行擊實，之后浸水浸泡4晝夜，測其飽水后的CBR值。

無側限抗壓強度是評價改良土強度的一個重要的物理力學指標，它能較準確地反映試樣的強度特性，應用也最為廣泛[18]。室內試驗時，將土樣摻入不同的石灰配比，調成最大干密度和最佳含水率，靜置24 h后擊實，試件脫模后立即用保鮮膜密封，然后立即放入密封保濕缸中進行保溫保濕養(yǎng)生7 d，然后測其無側限抗壓強度。由表5可見，CBR5.0值比CBR2.5值均較大，規(guī)范規(guī)定：當貫入量為5 mm時的承載比大于貫入量2.5 mm時的承載比時，試驗應重做。若數次試驗結果仍相同時，則采用5 mm時的承載比，見圖7。

圖7 摻灰量對CBR5.0值和無側限抗壓強度的影響曲線

從圖7中可以看出，綿陽地區(qū)冰水堆積土在經過石灰改性之后無側限抗壓強度隨著石灰摻量的增加而增加。同時從圖7(a)中CBR5.0值隨石灰摻量的增長趨勢可以看出，CBR5.0值隨石灰摻量的增加而迅速增加；圖7(b)中無側限抗壓強度隨石灰摻量的增長可以看出無側限抗壓強度在石灰摻量7%左側增加的快，而在7%的石灰摻量右側，無側限抗壓強度又增加的比較緩慢。其中摻入3%的石灰，對強度的影響不是很明顯，無側限抗壓強度比素土僅提高了19%。而當石灰摻量增加到7%時，無側限抗壓強度從素土的520.627 kPa增加到769.623 kPa，增加了47.8%，而之后隨著石灰摻量的增加，無側限抗壓強度增長十分緩慢，如石灰摻量從7%增加到11%時，無側限抗壓強度增加到843.189 kPa，僅增加了9%。這說明對于綿陽地區(qū)冰水堆積土，7%的石灰摻量是改善其強度的最佳配比。

3 最佳石灰摻量的確定

根據JTG D 30—2004《公路路基設計規(guī)范》要求，弱膨脹土改性后作為路堤填料時，若脹縮總率不超過0.7%，可直接填筑，并采取防水、保溫、封閉、坡面防護等措施。

綿陽地區(qū)冰水堆積土,可初步判定其最佳石灰摻量為7%。結合自由膨脹率等脹縮試驗和崩解試驗得出冰水堆積土膨脹總率與石灰摻量關系(見表7)。從表7可以看出，按脹縮總率接近于0取值，對于自由膨脹率等脹縮試驗和崩解試驗、擊實、CBR試驗、無側限抗壓強度等物理力學性質的試驗中，均在7%的石灰摻量下，改良效果達到最佳，因此可最終判定綿陽地區(qū)冰水堆積土石灰改良的最佳石灰摻量為7%。

表7 冰水堆積土總膨脹率與石灰摻量關系

4 結 論

1) 綿陽地區(qū)冰水堆積層中的黏土具有膨脹性，不能直接用作公路路基的填料。在對其進行物理改良后能作為公路路基的填料，該冰水堆積土的最佳石灰摻量為7%。

2) 加石灰改性后，土的最佳含水率、最大干密度、膨脹量下降，無側限抗壓強度、抗剪強度及加州承載比增加，膨脹土的工程性質得以改善。

3) 研究發(fā)現石灰摻量的變化與改良土之間的物理力學指標的關系復雜，比如膨脹率或塑性指數隨石灰摻量增加存在一個臨界值。但綿陽地區(qū)冰水堆積土的強度指標隨石灰摻量的增加呈單調增加，為了達到公路路基填料的要求，又要經濟可行，筆者由試驗結果得出的石灰的最佳摻量7%可直接用在綿陽地區(qū)冰水堆積土的改性中。

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Experimental Study on Lime Improvement of Fluvioglacial Deposits in Mianyang

Zhu Mingang1, Chen Pengyu2, Qi Yunlong3, Wei Jungang3, Tang Weiwu3

(1. Guangzhou Building Material Geotechnical Engineering Institute,Guangzhou 510403,Guangdong, China; 2. Engineering Faculty, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China; 3. Southwest Geotechnical & Design institute of China Nuclear Industry, Chengdu 610061, Sichuan, China)

In order to conduct a comprehensive and systematic research about the change law of engineering property and mechanical properties of fluvioglacial deposits, it conducted indoor experimental research about fluvioglacial deposits under the dosage of lime of 0%,3%,5%,7%,9%,11%, and obtained data of the grain composition, free swell ratio, plasticity index, swell increment, shear strength,CBR, unconfined compressive strength of fluvioglacial deposits modified soil before and after it is improved with lime, and then it ensured the optimum proportion is 7%.

road engineering; fluvioglacial deposits; grain composition; engineering property; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.14

2013-10-27；

2013-11-18

祝敏剛(1987—)，男，湖北咸寧人，助理工程師，碩士，主要從事巖土體的工程穩(wěn)定性分析及地質災害防治方面的研究。E-mail：364895455@qq.com。

U416.1+11;TU 411

A

1674-0696(2015)03-067-05