消石灰改良膨脹土室內(nèi)試驗研究

劉 磊，張文慧，盧子威，龔傲龍，黃 珂，吉恩躍

(河海大學 巖土工程科學研究所，江蘇 南京 210098)

0 引言

膨脹土是在自然地質(zhì)過程中形成的一種地質(zhì)體，其黏土礦物成分主要由親水性礦物如蒙脫石和(或)伊利石組成，同時具有吸水顯著膨脹軟化和失水收縮硬裂兩種特性，且具有干縮濕脹往復(fù)變形的高塑性黏性土.膨脹土具有脹縮性、多裂隙性、超固結(jié)性、強度衰減性、崩解性、風化特性等與一般黏土不同的工程特性[1].因此對于直接用膨脹土填筑的鐵路(公路)路基，常常發(fā)生邊坡滑塌、路基沉陷、路面變形、構(gòu)造物損毀等一系列問題.我國許多膨脹土分布的地區(qū)，其氣候特征存在著明顯的旱季雨季，在雨季和旱季相互交替的過程中，膨脹土經(jīng)歷著吸水—失水—吸水—失水無限次的干濕循環(huán).因此我國鐵路(公路)路基在運營期間會因為經(jīng)歷這種干濕循環(huán)而產(chǎn)生反復(fù)脹縮變形、土體開裂、強度衰減等工程病害，給鐵路(公路)的運營埋下安全隱患.

工程中需要對膨脹土地基或者膨脹土填料進行處理以降低其工程危害后方可使用，目前主要的處理方法有換土法、包邊法、表水防護、樁基礎(chǔ)法和化學改良法，其中化學改良法應(yīng)用較為廣泛，包括摻入有機類改良劑和無機類改良劑兩種方法.

目前，化學改良膨脹土常用的無機改良法以摻入石灰、粉煤灰等添加劑為代表.楊俊[2]、張福海[3]、向文俊等[4]研究了摻灰改良膨脹土和二次摻灰工藝；查甫生等[5]研究了石灰-粉煤灰改良膨脹土的工程特性；陳雷等[6]對寧懷高速公路路基膨脹土進行了石灰改良室內(nèi)試驗，重點研究了石灰改良土的線膨脹率、膨脹力、無側(cè)限抗壓強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等指標；周葆春等[7]對石灰改良湖北荊門膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變-強度特征進行室內(nèi)試驗研究；邊加敏等[8-9]重點研究了初始含水率、摻灰量、養(yǎng)護齡期對石灰改良膨脹土抗剪強度指標的影響；齊嘉煒等[10]進行了石灰改良安徽張莊礦尾礦壩填料膨脹土的膨脹性和水穩(wěn)定性室內(nèi)試驗研究.本文通過消石灰改良膨脹土的干濕循環(huán)試驗，重點研究消石灰改良膨脹土在干濕循環(huán)過程中裂隙發(fā)育規(guī)律、脹縮變形規(guī)律和抗剪強度變化規(guī)律.

1 試樣制備

1.1 膨脹土選取

本文所用土料取自某鐵路試驗段，取土深度為2～4 m，土體呈灰黃色～紅褐色，硬塑～堅硬，將被作為路基填料使用.土樣取回后先進行風干，風干后土樣含水率為4.9%，風干土樣全部過5 mm篩.其主要物理性質(zhì)指標見表1.根據(jù)《鐵路工程巖土分類標準》(TB 10077-2001)試驗所用土樣為弱膨脹土.

表1 液塑限和膨脹性指標

1.2 膨脹土改良方式

消石灰改良膨脹土的摻灰方法為：將土樣風干后過2 mm篩；取篩下土樣配制到最優(yōu)含水率(允許誤差為±1%)悶料24 h后測定其含水率，并將土樣分成3份.按干土質(zhì)量計算，分別摻加3%、5%、7%的消石灰(即每100 g干土分別加入3 g、5 g、7 g消石灰)拌和均勻，后用靜壓法制樣.試樣的密度與要求密度的差值不超過0.02 g/cm3；試樣直徑為61.8 mm、高度為20 mm；制樣后埋入同摻量同含水率的消石灰改良膨脹土中養(yǎng)護，改良前后的最大干密度和最優(yōu)含水率見表2.

表2 不同摻灰量膨脹土的最大干密度和最優(yōu)含水率

注：摻量為0即表示素膨脹土，擊實方法均為干法重型擊實.

2 試驗方案

對素土和3%、5%、7%消石灰改良土試樣進行干濕循環(huán)試驗(摻量為3%、5%、7%的試樣埋入同摻量同含水率的石灰改良膨脹土中養(yǎng)護28 d后方可進行干濕循環(huán)試驗，素土試樣不養(yǎng)護直接進行干濕循環(huán)試驗)，試樣共經(jīng)歷8次干濕循環(huán).干濕循環(huán)分為浸水膨脹和失水收縮兩個過程，浸水膨脹過程為：將試樣放置在透水石上，先加水至水面和透水石頂面同高，試樣吸水飽和，逐漸將水位升至淹沒試樣表面為止，浸水24 h即認為試樣吸水膨脹穩(wěn)定；失水收縮過程為：將浸水飽和后的試樣風干至制樣初始質(zhì)量，即認為試樣失水收縮穩(wěn)定.每次干濕循環(huán)前后對試樣的高度進行量測，以統(tǒng)計試樣每次干濕循環(huán)前后的膨脹率和收縮率.試樣經(jīng)歷0次、1次、2次、3次、4次、6次、8次干濕循環(huán)后，將試樣浸水飽和后進行固結(jié)快剪試驗.同時對于消石灰摻量為3%、5%、7%的試樣，當試樣養(yǎng)護至1 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d后按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB10102-2010)中相關(guān)規(guī)定進行自由膨脹率試驗.

3 結(jié)果與分析

3.1 消石灰摻量和齡期對自由膨脹率的影響

素土和摻量為3%、5%、7%的消石灰改良膨脹土自由膨脹率試驗結(jié)果見圖1.從圖1可以看出，改良膨脹土的自由膨脹率隨消石灰摻量的增長而減小，摻加3%的消石灰就可以消除膨脹土的膨脹性；3種摻量的改良膨脹土的自由膨脹率隨著齡期的增長呈下降趨勢，齡期達28 d后自由膨脹率雖仍有下降，但基本穩(wěn)定；3%的消石灰摻量即可有效地降低自由膨脹率，達到明顯的改良效果.同時可以看出，隨著摻灰量的增長，改良膨脹土的自由膨脹率總體上呈下降趨勢，在7%的范圍以內(nèi)，自由膨脹率隨著摻灰量的增長而減小.

圖1 改良膨脹土自由膨脹率隨齡期變化規(guī)律

3.2 干濕循環(huán)過程中消石灰摻量對裂隙發(fā)育的影響

素土和改良膨脹土干濕循環(huán)過程中裂隙發(fā)育情況.第一次干濕循環(huán)后，素土試樣邊緣與環(huán)刀脫離，試樣產(chǎn)生了數(shù)條沒有貫通表面的裂隙；摻量為3%、5%和7%的改良膨脹土試樣均沒有明顯收縮現(xiàn)象，且表面未有肉眼可識別的裂縫出現(xiàn).第三次干濕循環(huán)后，素土試樣邊緣與環(huán)刀脫離，表面裂縫寬度擴大，且出現(xiàn)貫通裂縫；摻量為3%的試樣細微裂隙逐漸擴大，試樣與環(huán)刀有稍許脫離，收縮較明顯；摻量為5%和7%的試樣完整，沒有明顯收縮現(xiàn)象，也未產(chǎn)生明顯裂隙.第六次和第八次干濕循環(huán)后，素土試樣表面的貫穿裂隙及試樣與環(huán)刀間的縫隙均逐漸變寬，貫穿裂隙周圍的分枝裂隙變寬并逐漸延伸至試樣邊緣，試樣表面局部土體脫落更加嚴重，試樣結(jié)構(gòu)逐漸破壞；摻量為3%的改良土試樣邊緣裂隙逐漸擴大，試樣脫離環(huán)刀，收縮明顯，且試樣邊緣土塊剝落比較嚴重，有較大的貫穿裂縫顯現(xiàn)；摻量為5%的有明顯的收縮現(xiàn)象，試樣邊緣裂縫數(shù)量增加，試樣邊緣土塊剝落現(xiàn)象較前幾次比較嚴重，但能整體上保證試樣完整，未有明顯的貫穿裂縫出現(xiàn);摻量為7%的試樣完整，有稍許收縮現(xiàn)象，但依舊未產(chǎn)生明顯裂縫，亦未有土塊剝落現(xiàn)象產(chǎn)生.由以上試驗結(jié)果可以看出，消石灰的摻入有效地抑制了干濕循環(huán)過程中裂縫的發(fā)育，且隨著摻量的增大改良效果愈加明顯，但5%摻量和7%摻量的改良土試樣在經(jīng)歷6次干濕循環(huán)以后相差不大，故可確定合適摻量為5%.

圖2 素土和改良膨脹土干濕循環(huán)裂隙發(fā)育情況

3.3 干濕循環(huán)過程中消石灰摻量對脹縮變形的影響

定義試樣的絕對膨脹率、相對膨脹率、絕對收縮率和相對收縮率分別如下[11]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：h0為土樣的初始高度,hei為試樣第i次膨脹穩(wěn)定后的高度,he(i-1)為試樣第i-1次膨脹穩(wěn)定后的高度,hsi為試樣第i次收縮穩(wěn)定后的高度,hs(i-1)為試樣第i-1次收縮穩(wěn)定后的高度.

素土和改良膨脹土絕對膨脹率、 相對膨脹率、絕對收縮率、相對收縮率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律.由圖3和圖4可知，干濕循環(huán)過程中，素土和改良膨脹土的絕對膨脹率和絕對收縮率隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增加，但其增加速率逐漸變緩，經(jīng)歷6次干濕循環(huán)以后，絕對膨脹率基本趨于穩(wěn)定，絕對收縮率大于零.結(jié)合絕對膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系可知，干濕循環(huán)過程中膨脹土發(fā)生了不可逆的膨脹變形.相對膨脹率隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加先增大后減小，在經(jīng)歷6次干濕循環(huán)以后，相對膨脹率基本趨于穩(wěn)定，這因為隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土經(jīng)歷了削弱、部分恢復(fù)、再削弱、再部分恢復(fù)的循環(huán)過程，當達到一定程度(6次干濕循環(huán))后，膨脹土的脹縮性也就趨于一種穩(wěn)定狀態(tài).改良膨脹土的相對收縮率在經(jīng)歷6次干濕循環(huán)以后也基本趨于穩(wěn)定，但是素土的相對收縮率處于上升態(tài)勢.綜合圖3、圖4、圖5和圖6，每次干濕循環(huán)后改良膨脹土絕對膨脹率、 相對膨脹率、絕對收縮率、相對收縮率相對于素膨脹土均大幅度減小，說明消石灰起到了明顯的改良效果.

圖3 絕對膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

圖4 相對膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

圖5 絕對收縮率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

圖6 相對收縮率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

3.4 干濕循環(huán)過程中消石灰摻量對強度參數(shù)的影響

素土和改良膨脹土試樣經(jīng)歷1次、2次、3次、4次、6次、8次干濕循環(huán)后，將試樣浸水飽和后進行固結(jié)快剪試驗，試驗結(jié)果見圖7和圖8.從圖7和圖8中可以看出，素土和改良膨脹土的內(nèi)摩擦角基本上不隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加而變化，黏聚力則隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈衰減態(tài)勢，且第一次衰減最明顯.但摻量為3%、5%、7%的改良膨脹土在后幾次干濕循環(huán)過程中黏聚力衰減變緩，甚至有出現(xiàn)黏聚力增加的現(xiàn)象，這是因為改良膨脹土存在著齡期效應(yīng)，在后幾次干濕循環(huán)過程中試樣的養(yǎng)護時間相比于前幾次有所增加.對比素土和改良膨脹土可知，改良膨脹土的內(nèi)摩擦角和黏聚力這兩個參數(shù)每次干濕循環(huán)后均比素土高，說明經(jīng)過石灰改良后的膨脹土其水穩(wěn)定性相比素膨脹土有很大提高，但摻量為7%的膨脹土的黏聚力在每次干濕循環(huán)試驗前后均比摻量為5%和3%的小.筆者認為這是摻量為7%的試樣由于消石灰摻量過高導(dǎo)致膨脹土過度沙化，使其黏聚力降低，這同時也反映出合適摻量在5%到7%之間，和前面改良膨脹土干濕循環(huán)裂隙發(fā)育情況得出的關(guān)于最優(yōu)摻量的結(jié)論吻合.

圖7 內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

圖8 黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

4 結(jié)論

本文對膨脹土進行了膨脹性試驗，并對不同消石灰摻量的改良膨脹土進行了各項室內(nèi)試驗，主要研究了消石灰摻量對膨脹土的自由膨脹率和水穩(wěn)定性的影響.試驗所得主要結(jié)論如下:

(1)3%、5%、7%三種摻量的改良膨脹土的自由膨脹率隨著養(yǎng)護齡期的增長呈下降趨勢，28 d后基本穩(wěn)定， 3%的消石灰摻量就能有效降低膨脹土的自由膨脹率.

(2)素土在經(jīng)歷6次干濕循環(huán)后結(jié)構(gòu)完全破壞；3%、5%、7%三種消石灰摻量的改良膨脹土的水穩(wěn)定性明顯好于素膨脹土，消石灰的摻入能夠有效地抑制干濕循環(huán)過程中裂隙的發(fā)育；當摻量為7%時，經(jīng)歷8次干濕循環(huán)的試樣在表觀上與經(jīng)歷0次干濕循環(huán)的試樣幾乎沒有差別.

(3)干濕循環(huán)過程中膨脹土發(fā)生了不可逆的膨脹變形，在經(jīng)歷6次干濕循環(huán)以后其脹縮變形趨于穩(wěn)定.

(4)消石灰的摻入能夠有效地抑制干濕循環(huán)過程中膨脹土抗剪強度的衰減，并很大程度地提高膨脹土抗剪強度指標；得出合適摻量為5%.