石灰改良高液限土物理力學(xué)特性分析

劉俊瑞

（山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心（有限公司），山西 太原 030032）

0 引言

路基是高速公路的基礎(chǔ)，應(yīng)該具有充分的穩(wěn)定性和耐久性。在路基施工過(guò)程中，路基填料的性能直接影響路基整體的強(qiáng)度、穩(wěn)定性。高液限土作為一種特殊土，在廣東韶關(guān)地區(qū)分布廣泛，由于其由蒙脫石、高嶺土等親水性礦物組成，具有液塑限高、不易壓實(shí)、膨脹性等特點(diǎn)，是不良的路基填筑材料[1]。由于其分布廣泛，將高液限土全部換填會(huì)帶來(lái)較高的施工成本，因此，如何將高液限土改良后用于路基填筑，確保路堤填筑質(zhì)量，成為一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。本文以廣東韶關(guān)仁新高速為依托，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究用生石灰改良高液限土后其路用性能及力學(xué)性能的變化規(guī)律，為路基填筑提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 高液限土物理力學(xué)性能分析

仁新高速公路項(xiàng)目沿線分布著大量高液限土，主要是由碳酸鹽系巖石經(jīng)紅土化作用形成，根據(jù)高液限土分布情況，從沿線路段不同樁號(hào)位置取3 個(gè)樣品，分別從土的含水量、液塑限指數(shù)、擊實(shí)、CBR強(qiáng)度、顆粒組成幾方面分析高液限土的物理力學(xué)特性[2]。

1.1 物理性能分析

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)土的含水量、液塑限、擊實(shí)等性能進(jìn)行分析，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1 所示。

從表中可以看出該地區(qū)高液限土液限在55%～75%之間，塑性指數(shù)在26～35 之間，天然含水量偏大，一般在30%～40%之間，最佳含水量在18%～27%之間，最大干密度在1.43～1.54 g/cm3之間，顆粒分布較均勻，主要由0.075 mm 以下顆粒組成（占90%以上）。

表1 高液限土的物理特性

1.2 力學(xué)性能

依據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，對(duì)3 組樣品進(jìn)行不同擊實(shí)功率下的CBR 試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。從圖中可以看出，高液限土CBR 強(qiáng)度較低，在93 區(qū)3 個(gè)樣品CBR 值在1.5%～3.2%之間，隨著壓實(shí)度增加，CBR強(qiáng)度增加不明顯，因此，單純提高壓實(shí)功率不能很好改善土的受力性能。

圖1 高液限土CBR 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG E40—2007），液限大于50%、塑性指數(shù)大于26%的土，不得直接用于路基填料，用于93 區(qū)路基填筑時(shí)，高速公路CBR 強(qiáng)度應(yīng)大于等于3%。從試驗(yàn)結(jié)果看出，高液限土不滿足規(guī)范要求，不能直接用于路基填筑。

2 改良土性能分析

2.1 改良原理

將生石灰摻入高液限土中，生石灰會(huì)與土體發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，初期生石灰吸收土體中的水分產(chǎn)生熱量，熱量又消耗一定的水分，使土體中水分減少，更易壓實(shí)，同時(shí)，水化生成的大量Ca+離子與土粒表面的陽(yáng)離子發(fā)生離子交換，土體顆粒間距減小，增加了土體的黏聚力，后期土體吸收空氣中的CO2逐步產(chǎn)生結(jié)晶化，從而改善土體整體結(jié)構(gòu)，提高強(qiáng)度。在一系列物理化學(xué)反應(yīng)作用下，土體的性質(zhì)得到明顯的改善[3-4]。

2.2 改良土性能分析

對(duì)高液限土中摻入不同劑量的生石灰，對(duì)比摻入前后土的物理力學(xué)性質(zhì)變化。將生石灰分別以2%、4%、6%、8%比例摻入樣品中，充分拌和悶料24 h 后開(kāi)展各項(xiàng)試驗(yàn)。

2.2.1 石灰摻量對(duì)含水量的影響

石灰改良土的含水量試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示，從圖中可以看出，隨著石灰摻量的增加，改良土的天然含水量逐漸下降，樣品1 含水量從34.8%降低至31.1%，樣品2 含水量從28.9%降低至25.5%，樣品3含水量從32.3%降低至29.4%，分別降低了3.7%、3.4%、2.9%。從含水量方面看，摻入石灰對(duì)含水量降低幅度不大，仍不能使高液限土達(dá)到其最佳含水量狀態(tài)。

圖2 石灰摻量對(duì)高液限土天然含水量的影響

2.2.2 石灰摻量對(duì)液塑限的影響

液限、塑限是土的重要物理特性指標(biāo)，反映了土中水對(duì)土質(zhì)的影響，石灰改良土的液塑限試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4 所示。

從圖3 中可以看出，隨著石灰摻量的增加，土的液限指標(biāo)逐漸降低，3 個(gè)樣品分別降低了8.4%、6.4%、5.6%，當(dāng)石灰摻量較?。ㄐ∮?%）時(shí)，液限降低速度較快，當(dāng)摻量增大到6%后，液限的降低逐漸變緩。從圖4 中可以看出，土的塑性指數(shù)隨著石灰摻量的增加逐漸降低，降低幅度分別為5.7、5.7、6.2，且隨著摻量增加，降低速度逐漸變緩，與液限指標(biāo)變化保持一致。當(dāng)石灰摻量為6%時(shí)，樣品1 液塑限指標(biāo)滿足規(guī)范要求，樣品2 與樣品3 雖然液塑限指標(biāo)有所降低，但由于液限較高，經(jīng)過(guò)降低后仍不能滿足規(guī)范要求。

圖3 石灰摻量對(duì)高液限土液限的影響

圖4 石灰摻量對(duì)高液限土塑性指數(shù)的影響

2.2.3 石灰摻量對(duì)擊實(shí)的影響

對(duì)不同摻量改良土做擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5所示。從圖5 中可以看出，改良土的最大干密度隨著石灰摻量變化不大，在原最大干密度附近波動(dòng)，但土的最佳含水量隨著石灰摻量增加而逐漸增加，3 個(gè)樣品最佳含水量分別增加至29.2%、25.9%、27.5%，且隨著石灰摻量增加至6%以上，增長(zhǎng)速度逐漸放緩，通過(guò)與天然含水量對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石灰摻量增加至8%時(shí)，最佳含水量接近摻灰后現(xiàn)場(chǎng)含水量，有利于施工現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量的控制[5]。

圖5 石灰摻量對(duì)高液限土最大干密度的影響

圖6 石灰摻量對(duì)高液限土最佳含水量的影響

2.2.4 石灰摻量對(duì)CBR 強(qiáng)度的影響

對(duì)不同摻量的改良土做CBR 試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示，從圖7 中可以看出，高液限土經(jīng)過(guò)改良后，CBR 強(qiáng)度大幅增加，從 1.6%～3.1%增加至21.6%～22.3%之間，隨著石灰摻量的增加，CBR 強(qiáng)度增加速率逐漸放緩。摻入2%以上改良土CBR 強(qiáng)度均能滿足規(guī)范要求。

圖7 石灰摻量對(duì)高液限土CBR 強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

a）石灰改良高液限土能有效改善高液限土的物理力學(xué)特性，經(jīng)過(guò)改善，土的天然含水率、液塑限指標(biāo)降低，最佳含水量增加，使得土體能夠更易被壓實(shí)，承載能力大幅提高。

b）隨著石灰摻量的增加，土的各項(xiàng)指標(biāo)得到有效改善，當(dāng)增大到6%以上時(shí)，物理力學(xué)性能的改善會(huì)逐漸放緩?？紤]石灰摻量時(shí)，要綜合改良土性能與經(jīng)濟(jì)成本分析[6]。

c）當(dāng)高液限土液限在50%～60%之間，石灰摻量在6%以上時(shí)，經(jīng)過(guò)石灰改良，土體物理力學(xué)性能能夠滿足規(guī)范要求，當(dāng)高液限土液限在60%以上時(shí)，經(jīng)過(guò)改良土體液塑限雖然有所降低，仍不能滿足規(guī)范要求。

d）通過(guò)各個(gè)指標(biāo)對(duì)比，仁新高速沿線液限小于60%的高液限土，加入6%石灰摻量后，土體性能得到較好改善，能夠用于高速公路93 區(qū)以下路基填筑。