石灰改良紅層無側(cè)限抗壓強度試驗研究

周 宇， 李國玉，3， 武紅娟， 穆彥虎， 趙文斌， 毛云程

（1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院大興安嶺凍土工程與環(huán)境觀測試驗研究站，黑龍江 加格達奇 165000；4.西北民族大學(xué)，甘肅 蘭州 730030； 5.甘肅民航機場集團有限公司，甘肅 蘭州 730020）

0 引言

紅層是外觀以紅色為主色調(diào)的中、新生代的碎屑沉積巖層，以陸相沉積為主，巖性以砂巖、泥巖、頁巖為主，巖性組合以互層為特性［1］。我國紅層分布總面積約826 400 km2，在我國華北、華東、中南、西南、西北等地均有廣泛分布［2］。紅層形成時代較新，鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)物含量較高，以軟巖為主且軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育［2-4］，巖土體工程性質(zhì)較差，主要表現(xiàn)為強度低，水穩(wěn)定性差，易風化、崩解，具有一定的膨脹性和流變性［5-9］。直接使用紅層軟巖風化物作為填筑材料時，常會導(dǎo)致不均勻沉陷、承載力不足、路面鼓包和翻漿冒泥等工程病害［10-11］。但受制于工程造價、填料缺乏等原因，工程填筑一般都就地取材。因此，開展紅層改良研究十分必要。

國內(nèi)外學(xué)者在大量工程實踐和室內(nèi)研究的基礎(chǔ)上，提出諸多紅層改良措施，主要包括預(yù)崩解法、隔水保護法、壓實法、化學(xué)加固法等［12-15］。其中，通過摻加固化劑對紅層軟巖進行改良是工程中較為常見的處治方法。研究表明，傳統(tǒng)固化劑如水泥、石灰和粉煤灰等能夠大幅改善紅層的抗壓強度、擊實特性、浸水崩解特性、浸水后軟化系數(shù)和CBR 值等［16-20］，并在實際工程應(yīng)用中得到驗證［21-22］。此外，錢普舟等［23］、吳丹［24］還通過新型固化劑對紅層的工程性質(zhì)進行改良，也取得良好的效果。一般認為經(jīng)固化劑改良的紅層軟巖結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生改變，基本滿足建筑物的強度及穩(wěn)定性要求，然而在遭受周期性的降雨及蒸發(fā)、地下水位升降等干濕循環(huán)過程后，巖土體的工程性質(zhì)會發(fā)生顯著變化［25-26］。大量研究表明，紅層區(qū)邊坡、路基、壩基等的失穩(wěn)問題大多與水的影響有關(guān)［27-30］。就紅層而言，富含親水膨脹性礦物是其特殊水-巖作用的關(guān)鍵，在干濕循環(huán)過程中，土顆粒間不僅存在失水收縮的拉破壞，還存在吸水膨脹引起的壓剪破壞［31］。長期的干濕循環(huán)作用會引起土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，最終導(dǎo)致其抗壓強度［32-33］、抗剪強度［33-34］、水穩(wěn)性［35］等力學(xué)性能發(fā)生不同程度降低。然而，關(guān)于干濕循環(huán)作用對改良后紅層工程性質(zhì)的影響研究仍然較少

因所處環(huán)境和氣候條件的差異，不同地區(qū)紅層性質(zhì)差距很大。甘肅隴南成州機場地處隴南徽成盆地，第三系紅層軟巖分布廣泛［36］，氣候潮濕，降水量大，土體經(jīng)常遭受干濕循環(huán)作用。目前的研究多針對干濕循環(huán)對紅層結(jié)構(gòu)、強度、崩解性等方面的影響，而對改良后紅層在干濕循環(huán)作用下性質(zhì)變化的研究較少。無側(cè)限抗壓強度對評價土體的承載力及抗剪強度具有重要意義，是設(shè)計、施工中重要的力學(xué)參數(shù)。因此，本文依據(jù)成州機場實際工況，針對不同石灰摻量下的改良紅層試樣進行干濕循環(huán)試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗，分析干濕循環(huán)作用對隴南石灰改良紅層無側(cè)限抗壓強度特性的影響規(guī)律，以期為工程施工及病害防治提供依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 材料與試樣制備

試驗用土取自隴南成州機場跑道附近的紅層軟巖風化物。成州機場地處徽成盆地，上部土層主要為第四系黃土，其下為暗紅色泥質(zhì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及互層狀紅層，紅層礦物成分主要有石英石、石灰石、多水高嶺石以及無定形游離氧化鐵等［37-39］。根據(jù)土工試驗方法標準（GB/T 50123—1999）［40］及公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程（JTG E51—2009）［41］進行顆分、比重、液塑限、最優(yōu)含水率及最大干密度試驗，試驗結(jié)果如圖1、表1 所示。試驗選用熟石灰作為固化劑對紅層進行改良。該石灰產(chǎn)自天津市致遠化學(xué)試劑有限公司，為白色結(jié)晶性粉末，Ca（OH）2含量大于等于95%。

圖1 土樣顆分曲線Fig.1 Grain size distribution for sample

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標Table 1 Basic physical parameters of soils

為保證試驗用土物理性質(zhì)的均勻性，將土料平鋪使其自然風干，并充分拌勻，然后反復(fù)碾壓過篩（2 mm）。試樣均采用兩頭壓實法制備，分別按照0%、3%、5%和10%的摻量稱量熟石灰，將風干過篩后的紅層與石灰攪拌均勻，因試樣制備過程中有水分損失，按稍大于11%含水率來稱取蒸餾水，與灰、土攪拌均勻后放入密封袋靜置24 h，采用凍土工程國家重點實驗室自動制樣機，按照干密度為2.01 g·cm-3制備?39.1 mm×80 mm 圓柱形土樣。為保證壓實土樣的均勻性，壓實過程采用變形控制，垂向壓實速率為0.05 mm·min-1［42］。將制好的土樣在保濕條件下養(yǎng)護，齡期為28 d。

1.2 試驗內(nèi)容與方法

為盡可能模擬干濕循環(huán)作用過程，采用浴霸燈照射的方式模擬日照干燥土樣，通過調(diào)整浴霸燈與土樣間的距離保證每次干濕循環(huán)時的溫度一致。將素土和經(jīng)養(yǎng)護后的不同摻量石灰土試樣干燥至含水率基本不變（2%左右），然后在飽和器中抽真空3 h，浸水飽和12 h，飽和含水率為14%。將飽和后的土樣繼續(xù)干燥至含水率為11%，即完成一次干濕循環(huán)，一次完整干濕循環(huán)約48 h。有研究表明，在經(jīng)歷第一次干濕循環(huán)后土樣強度急劇下降，隨后對干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸趨于穩(wěn)定［43］?？紤]到目前研究的干濕循環(huán)次數(shù)均較少，為得到長期干濕循環(huán)作用下土體的強度，對不同摻量石灰土分別進行0、1、5、20次干濕循環(huán)。

為使土樣中水分分布均勻，將完成干濕循環(huán)作用的試樣用保鮮膜包好，靜置12 h。利用GDS 非飽和三軸儀測試試樣無側(cè)限抗壓強度，試驗過程中軸向應(yīng)變速率設(shè)定為0.5 mm·min-1，每2 s收集一次應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。為準確獲得土樣破壞時的原貌，試驗中用一層薄膜對土樣進行輕微的包裹，既不影響其受力，也不至土樣破壞時大塊脫落。試驗完成后，觀察并記錄試樣破壞形態(tài)。為控制變量，試驗采用的不摻灰紅層試樣與改良土樣采用相同規(guī)格和養(yǎng)護條件。每組試驗有3個平行樣。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同石灰摻量對紅層抗壓強度的影響

對未經(jīng)歷干濕循環(huán)的不同石灰摻量土樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖可知，在無側(cè)限壓縮應(yīng)力條件下，不同石灰摻量土樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均表現(xiàn)出一定的應(yīng)變軟化特性，其中素土的無側(cè)限抗壓強度較小，峰值強度不明顯，強度達到峰值后，曲線形態(tài)趨于平緩，強度降低速率逐漸減慢。隨著石灰摻量的增大，紅層抗壓強度逐漸增大，在變形發(fā)展初期，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)陡直的上升趨勢，隨著荷載的增大，土體由彈性變形轉(zhuǎn)向塑性屈服，最終導(dǎo)致破壞。峰值強度隨石灰摻量的增大而增大，其中石灰摻量為10%的改良土無側(cè)限抗壓強度最高，達685.67 kPa，是素土強度的4.60倍，石灰摻量為5%和3%的改良土抗壓強度也較高，分別是素土的4.17 倍和3.91 倍，可見摻入石灰能大幅提高紅層抗壓強度，含量越大改良效果越好（摻量≤10%）。

圖2 軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系Fig.2 Relationship between axial stress and axial strain

計算應(yīng)力應(yīng)變曲線中的直線段斜率，得到不同摻灰量下紅層試樣的彈性模量變化曲線（圖3）。由圖可知，土樣在摻入石灰后彈性模量顯著增大，其中10%摻量的改良土彈性模量是素土的7.25倍，可見在力學(xué)性質(zhì)差的紅層軟巖中加入石灰具有明顯改良效果。對不同摻量下土體彈性模量試驗值進行擬合，發(fā)現(xiàn)彈性模量與石灰摻量呈指數(shù)關(guān)系。當石灰摻量較小時，土體彈性模量隨石灰摻量的增大而迅速增大，當石灰摻量繼續(xù)增大時，彈性模量增長幅度逐漸減小，曲線趨于平緩。

圖3 石灰摻量與彈性模量的關(guān)系Fig.3 Relationship between lime content and elasticity modulus

將土樣破壞時對應(yīng)的點記為失效應(yīng)變，繪制不同摻灰量下紅層試樣的失效應(yīng)變變化曲線如圖4所示。由圖可知，失效應(yīng)變隨石灰摻量的變化趨勢則與彈性模量相反。摻入石灰后，土體的失效應(yīng)變顯著降低，隨著石灰摻量的增大，失效應(yīng)變的降低幅度逐漸減小?？梢?，石灰在增加紅層軟巖強度和剛性的同時，也增加了其脆性，其失效應(yīng)變隨石灰摻量的增大而逐漸減小。

圖4 石灰摻量與失效應(yīng)變的關(guān)系Fig.4 Relationship between lime content and failure strain

2.2 干濕循環(huán)作用對紅層抗壓強度的影響

為了研究干濕循環(huán)作用對紅層無側(cè)限抗壓強度的影響，對經(jīng)歷0、1、5、20次干濕循環(huán)后的試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，整理無側(cè)限抗壓強度-干濕循環(huán)次數(shù)曲線如圖5 所示。由圖可知，不同石灰摻量下干濕循環(huán)作用對改良土無側(cè)限抗壓強度的影響不盡相同。當石灰摻量低于5%時，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，改良土的無側(cè)限抗壓強度不斷降低，其中素土在經(jīng)歷1次干濕循環(huán)后，土樣強度急劇衰減，隨后降幅逐漸減小，趨于穩(wěn)定。當石灰摻量高于5%時，改良土的無側(cè)限抗壓強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而不斷增加，在經(jīng)歷20 次干濕循環(huán)后，土樣強度得到顯著提升。當石灰摻量等于5%時，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土樣抗壓強度略微提升。素土和石灰摻量為3%的改良土在經(jīng)歷20次干濕循環(huán)后抗壓強度急劇衰減，降幅分別為60.03%和31.65%，而石灰摻量為5%和10%的改良土在經(jīng)歷20次干濕循環(huán)作用后抗壓強度增大，增幅分別為2.63%和82.36%，在一定程度上可以說明，當石灰摻量較低時，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，改良紅層強度越低，而當石灰摻量較高時，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，改良紅層強度越高。但高石灰摻量改良土在經(jīng)歷多次（20 次以上）干濕循環(huán)作用后抗壓強度的變化規(guī)律仍需進一步研究，才能更好地揭示干濕循環(huán)對石灰改良紅層特性影響的過程和機制。

圖5 無側(cè)限抗壓強度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between the unconfined compressive strength and number of drying-wetting cycles

整理不同干濕循環(huán)次數(shù)下單軸抗壓試驗數(shù)據(jù)，擬合得到石灰摻量CL與無側(cè)限抗壓強度qu的關(guān)系曲線，如圖6 所示。當土樣經(jīng)歷干濕循環(huán)作用較少（0 次、1 次、5 次）時，試樣無側(cè)限抗壓強度qu與石灰摻量CL呈指數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為

圖6 石灰摻量與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系Fig.6 Relationship between lime content and the unconfined compressive strength

式中：a、b為常數(shù)，可通過試驗獲得。

隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，曲線的切線斜率逐漸減小。當干濕循環(huán)作用達到20次時，試樣無側(cè)限抗壓強度qu與石灰摻量CL呈線性關(guān)系，關(guān)系式為

式中：a、b為常數(shù)，可通過試驗獲得。

由此可見，當干濕循環(huán)次數(shù)較少時，土體中摻入少量石灰即可獲得較大的強度增長，而隨著摻灰量的繼續(xù)增加強度增長幅度不大；當干濕循環(huán)次數(shù)較大時，土體無側(cè)限抗壓強度隨石灰摻量的增加而不斷增大。因此，考慮改良土耐久性情況下，干濕循環(huán)作用對石灰改良紅層最佳摻量的確定有很大影響。

以上分析表明，干濕循環(huán)作用對不同摻灰量紅層試樣抗壓強度的影響明顯不同。當摻灰量較少時，土體在干旱條件體積縮小，引起土顆粒的集聚和排列發(fā)生變化，原生隱微裂隙擴張和加深，部分短小裂隙貫通，發(fā)展形成長大裂隙，為土中水分蒸發(fā)和地表水下滲提供了良好通道，土體的整體性與均一性得到破壞［44］；濕潤條件下，水分沿裂隙滲入土體，紅層中蒙脫石及其混層礦物具有較強的親水性及弱膨脹性，吸水后膨脹軟化，強度降低。掃描電鏡、超聲波測速等微細觀試驗表明，反復(fù)干濕循環(huán)作用下，不斷脹縮交替導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，顆粒之間距離增大，膠結(jié)變?nèi)?，黏聚力下降，最終導(dǎo)致土體強度大幅降低［45-47］。與此不同的是，當摻灰量較大時，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大，石灰土的強度顯著增大，這與石灰土強度形成機制有關(guān)。一般認為熟石灰改良土強度的形成主要源于離子交換作用、碳化作用和灰結(jié)作用等，無論哪種強度形成機理，都需要水分參與或水分為強度形成的條件［48-49］。顯然，常規(guī)的保溫保濕養(yǎng)護并不能滿足高石灰摻量石灰土的強度形成條件，仍有部分石灰未參與反應(yīng)。隨著干濕循環(huán)的進行，水分與土顆粒充分接觸，尚未反應(yīng)完全的熟石灰繼續(xù)進行離子交換作用、碳化作用和灰結(jié)作用等，使得石灰土的強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而不斷增加。但20 次以上干濕循環(huán)作用后強度的變化規(guī)律尚不明確，可以推測，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，石灰反應(yīng)完全后土體強度將逐漸減小。該結(jié)論對石灰改良紅層的設(shè)計與施工有一定的指示意義。

2.3 土樣破壞形態(tài)

土樣的破壞形態(tài)與其強度特性密切相關(guān)。在本次試驗過程中，土樣在無側(cè)限壓縮條件下的破壞形態(tài)主要有三種；一種是脆性剪切破壞，在荷載作用下有明顯的剪切帶形成，試樣破壞集中在剪切帶發(fā)展部位，而其他部位結(jié)構(gòu)性破壞程度相對較小；另一種是多縫錐形破壞，土體受各向異性的影響，在無側(cè)限壓縮條件下，形成多條剪切帶，最終形成多縫錐形破壞面；第三種是塑性鼓脹破壞，在外部荷載作用下未形成明顯的剪切帶，在無側(cè)限壓縮過程中土樣逐漸向側(cè)向鼓脹，土樣并不沿某個特定破壞面發(fā)生相對位移，而是呈現(xiàn)出中間大，兩端小的鼓脹型。

圖7 為不同石灰摻量下未經(jīng)歷干濕循環(huán)作用土體的破壞形態(tài)，結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖2）可知，素土與石灰土的破壞形態(tài)有明顯差別。素土為塑性鼓脹破壞，裂縫數(shù)量較多，抗壓強度小，且抗壓強度與殘余強度差距不大，強度達到峰值后，應(yīng)力應(yīng)變曲線趨于平緩。石灰土則為脆性剪切破壞，未經(jīng)歷干濕循環(huán)條件下，3%和5%摻量改良土的破壞形態(tài)與應(yīng)力應(yīng)變曲線均類似，試樣均形成了近（45°+φ/2）傾角的破壞面，抗壓強度與彈性模量均顯著提高。10%石灰摻量紅層雖然仍沿一個傾斜剪切面破壞，但側(cè)面已形成多條交叉裂縫，土體破壞需要更多的能量。

圖7 破壞后的試樣（未經(jīng)干濕循環(huán)）Fig.7 Damaged soil samples（after 0 drying-wetting cycle）

圖8 為20 次干濕循環(huán)作用后不同石灰摻量紅層試樣的無側(cè)限壓縮破壞形態(tài)。結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖9）可知，素土在經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后仍為塑性鼓脹破壞，破壞形態(tài)與干濕循環(huán)作用前相似，但強度大幅降低，橫向變形較大，表面形成縱橫交錯的裂紋。3%摻量的改良土仍以沿一條剪切帶破壞為主，但已形成多條貫通的剪切帶，初步具有多縫錐形破壞面形態(tài)。隨著石灰摻量的增大，土體抗壓強度和彈性模量顯著增加，微裂紋增多，石灰土則由干濕循環(huán)作用前的脆性剪切破壞變?yōu)槎嗫p錐形破壞。

圖8 破壞后的試樣（20次干濕循環(huán)）Fig.8 Damaged soil samples（after 20 drying-wetting cycles）

圖9 軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系（20次干濕循環(huán)）Fig.9 Relationship between axial stress and axial strain（after 20 drying-wetting cycles）

試樣破壞形態(tài)的不同與紅層自身結(jié)構(gòu)及石灰土加固機制有關(guān)。素土本身塑性較強，顆粒間連結(jié)力較弱，在經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后連結(jié)力降低，在無側(cè)限荷載作用下，土顆粒間容易發(fā)生錯動，產(chǎn)生塑性的側(cè)向變形。素土中摻入石灰后，土顆粒間連結(jié)增強，由松散粒狀結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟z結(jié)土顆粒，強度增大，脆性增強，試樣沿近（45°+φ/2）傾角的剪切面破壞。隨著干濕循環(huán)次的增多，土樣中石灰全部參與反應(yīng)，在土顆粒間形成較強的連結(jié)，各向異性增強，當裂紋擴展遇到較強顆粒連結(jié)時，能夠有效的約束裂紋發(fā)展，使裂紋擴張和發(fā)展的方向不斷改變，因此土樣的破壞不再沿著某一固定的剪切面，而是形成了具有多條裂縫的錐形破壞面。

3 結(jié)論

通過對不同石灰摻量下改良紅層試樣進行干濕循環(huán)試驗，研究了石灰摻量和干濕循環(huán)作用對改良紅層無側(cè)限抗壓強度影響規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

（1）在未經(jīng)歷干濕循環(huán)作用時，摻入石灰能夠顯著提高紅層的抗壓強度，石灰改良紅層的無側(cè)限抗壓強度及彈性模量均隨石灰摻量的增大而增大，而失效應(yīng)變則隨石灰摻量的增大而減小。

（2）不同含灰量下，石灰改良紅層的無側(cè)限抗壓強度對干濕循環(huán)作用的響應(yīng)不同。當石灰摻量低于5%時，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，改良土的無側(cè)限抗壓強度不斷降低；當石灰摻量高于5%時，改良土的無側(cè)限抗壓強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而顯著增加。當石灰摻量等于5%時，干濕循環(huán)作用對改良土的無側(cè)限抗壓強度影響不大，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土樣抗壓強度略微提升。

（3）未改良紅層塑性較大，顆粒間連結(jié)力較弱，試樣均為塑性鼓脹破壞。摻入石灰后，紅層強度增大，脆性增強，呈脆性剪切破壞。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，改良土樣各向異性增強，石灰改良紅層呈多縫錐形破壞。

（4）在常規(guī)的保濕養(yǎng)護條件下，石灰摻量較低的改良紅層中石灰反應(yīng)完全，干濕循環(huán)作用對石灰改良紅層產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的弱化作用，強度不斷降低。而石灰摻量較高時，改良土中仍有部分石灰未反應(yīng)完全，干濕循環(huán)作用促使石灰繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，土體強度增大。