生石灰改良黃土的微觀機(jī)制試驗(yàn)研究

謝 瀟，王璐瑤，鄧樂娟，張國偉

生石灰改良黃土的微觀機(jī)制試驗(yàn)研究

謝 瀟1,2,3，王璐瑤1,2,3，鄧樂娟4，張國偉5

(1. 陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2. 自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075；3. 陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075；4. 西安市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，陜西 西安 710068；5. 中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

為探究石灰摻量對黃土強(qiáng)度的影響規(guī)律及其微觀機(jī)制，采用不同比例的生石灰對黃土進(jìn)行改良。開展了直剪試驗(yàn)、壓汞試驗(yàn)及掃描電鏡測試，定性和定量分析素黃土及不同石灰摻量改良黃土的強(qiáng)度特性和微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，并對石灰改良黃土的微觀機(jī)理進(jìn)行較為深入的分析。結(jié)果表明：石灰改良黃土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著石灰摻量的增大出現(xiàn)先增大再減小的變化規(guī)律，在石灰摻量約為8%時(shí)，其黏聚力和內(nèi)摩擦角達(dá)到最大值；石灰的摻入使黃土骨架顆粒之間及其表面附著的膠結(jié)物逐漸增多，孔隙被膠結(jié)物質(zhì)填充，土體中的不穩(wěn)定孔隙逐漸減少，整體性增強(qiáng)；但當(dāng)石灰摻量過大時(shí)，多余的石灰會(huì)堆積于團(tuán)粒之間，影響團(tuán)粒之間的膠結(jié)。石灰改良黃土強(qiáng)度提高的原因是石灰水化反應(yīng)生成的膠結(jié)物質(zhì)增強(qiáng)了土顆粒之間的膠結(jié)程度，增大顆粒間的相互摩擦，使土體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，提高土體強(qiáng)度；石灰摻量過高時(shí)，改良黃土抗剪強(qiáng)度降低是因?yàn)檫^量的石灰影響了土顆粒之間的膠結(jié)作用。研究成果既是對黃土強(qiáng)度特性及微觀結(jié)構(gòu)理論研究的豐富與充實(shí)，又可以為改良黃土工程設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)選取提供參考依據(jù)。

黃土；生石灰；微觀結(jié)構(gòu)；抗剪強(qiáng)度

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展，在水利、交通、市政等工程建設(shè)中遇到與特殊土工程性質(zhì)相關(guān)的問題也越來越多。通常情況下，原狀土不能滿足路基、地基等的強(qiáng)度和變形要求，需要對其進(jìn)行改良加固，而化學(xué)改良是解決這一問題最經(jīng)濟(jì)的方法[1]?；瘜W(xué)改良方法中，目前最常用的是石灰和水泥[2-3]。石灰來源廣泛、易于就近取材、造價(jià)較低且環(huán)境友好，在世界各地軟土等的工程性能改善方面都得到了廣泛應(yīng)用[4]。

迄今為止，石灰改良土方面的研究已取得很多重要成果。張玉等[5]對素黃土和粉煤灰–石灰改良黃土開展物理力學(xué)特性研究，探討改良及壓實(shí)黃土的應(yīng)力–應(yīng)變及強(qiáng)度的變化規(guī)律；楊愛武等[6]以石灰作為主劑對天津?yàn)I海軟土進(jìn)行改良，揭示了石灰固化土的宏觀力學(xué)性質(zhì)及其微觀機(jī)理；張?jiān)ゴǖ萚7]對石灰改良黃土進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度和滲透性測試，結(jié)合微結(jié)構(gòu)特征分析改良黃土滲透性改變的原因；王立峰等[8]在三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析了改良石灰土強(qiáng)度和變形破壞特征，并建立其本構(gòu)關(guān)系模型，驗(yàn)證了模型的可靠性和適用性；D. O. A. Osula[9]提出石灰和水泥改良紅土的改良效果受齡期的影響。石灰摻量較低時(shí)，石灰主要起穩(wěn)定作用，會(huì)使土的塑性、膨脹性降低，初步具有水穩(wěn)性，密實(shí)度和強(qiáng)度得到穩(wěn)定。隨著石灰摻量的增大，強(qiáng)度和穩(wěn)定性均提高。但石灰摻量超過一定數(shù)量后，過多的石灰將沉積在土孔隙中而不參加反應(yīng)，將導(dǎo)致石灰土強(qiáng)度降低[10]。從上述研究成果可見，石灰改良土的強(qiáng)度、變形、滲透性等都會(huì)發(fā)生明顯改善。但石灰摻量并非越多越好，而是存在一個(gè)最優(yōu)值。目前的研究主要集中在石灰對土性質(zhì)的改良效果上，在石灰摻量對土性影響的微觀機(jī)制方面有待深入研究。

土的微觀結(jié)構(gòu)是研究其宏觀工程性質(zhì)的基礎(chǔ)[11-12]，研究不同石灰摻量對改良土微觀結(jié)構(gòu)的影響，及其與改良土工程性質(zhì)之間的聯(lián)系，有利于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)石灰改良土的機(jī)理，并且為石灰改良土的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。筆者以陜西省延安地區(qū)的黃土為研究對象，加入不同摻量石灰進(jìn)行改良，對比分析改良黃土的抗剪強(qiáng)度特性，并借助掃描電鏡和壓汞試驗(yàn)定性和定量分析了改良黃土的微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，以期探究石灰改良黃土的微觀作用機(jī)制，為黃土工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)黃土取自陜西省延安市寶塔區(qū)羊圈溝村，為黃色粉土，按照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]進(jìn)行土樣的基本物理指標(biāo)實(shí)驗(yàn)。測得其土粒比重為2.72，黏粒、粉粒、砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.71%、66.96%、29.33%，液限為27.3%，塑限為12.9%，屬于粉壤土。實(shí)驗(yàn)所用生石灰中氧化鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80%左右。

1.2 試驗(yàn)樣品制備

將土樣風(fēng)干過2 mm篩后，配制含水率為13%(接近塑限)，隨后在其中分別摻入2%、5%、8%、11%的石灰，控制干密度為1.5 g/cm3，利用液壓千斤頂壓實(shí)法進(jìn)行試驗(yàn)樣品的制備(圖1)，壓實(shí)樣品的尺寸為?61.8 mm×20 mm。將制好的土樣用保鮮膜包裹，置于保濕器中養(yǎng)護(hù)28 d，隨后對土樣分別進(jìn)行壓汞、掃描電鏡及直剪試驗(yàn)。其中，掃描電鏡試驗(yàn)的試樣取干燥土樣中間擾動(dòng)最小的部分，切成橫截面為5 mm×5 mm 的長方體，從中間掰開，將新鮮面作為觀察面，其表面采取鍍金處理。壓汞試樣是將土樣削成直徑1 cm以內(nèi)、長度不超過2.5 cm的柱子并進(jìn)行風(fēng)干脫水處理。

圖1 壓實(shí)樣品制備過程

1.3 試驗(yàn)方法

參考GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]，在樣品養(yǎng)護(hù)完成后，從土體直接剪切強(qiáng)度角度來研究石灰改良黃土的效果。每個(gè)石灰摻量選取4個(gè)環(huán)刀樣，利用直剪儀進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)方法為快剪試驗(yàn)，剪切速率設(shè)定為0.8 mm/min，分別施加豎向壓力50、100、200、400 kPa。待剪切盒與百分表接觸后開始計(jì)數(shù)，每隔10 s測記一次，當(dāng)百分表指針靜止不變或者發(fā)生回彈時(shí)，即認(rèn)為試樣發(fā)生剪切破壞，可終止試驗(yàn)。

選取較為平整的試樣斷面，利用FEI Quanta 400 FEG 型環(huán)境掃描電子顯微鏡系統(tǒng)進(jìn)行顯微觀察，拍攝放大倍數(shù)為2 000倍的顯微結(jié)構(gòu)照片。

采用AutoPore V 9600全自動(dòng)壓汞儀(孔徑測量范圍0.003～1 100 μm)進(jìn)行土樣的孔隙分布(MIP)測試。

2 石灰改良黃土的強(qiáng)度特征

圖2為石灰改良黃土試樣的典型剪應(yīng)力–剪切位移曲線。從圖2可以看出，摻入石灰后，改良黃土的剪應(yīng)力–剪切位移曲線形狀發(fā)生明顯變化，曲線上出現(xiàn)明顯峰值點(diǎn)，并且在峰值點(diǎn)后仍有較高的殘余強(qiáng)度。說明石灰的摻入使改良土的脆性增強(qiáng)，改良土的強(qiáng)度也有明顯提高。由石灰改良黃土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(圖3)可以看出，隨著石灰摻量的增加，黃土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力及內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先增大再減小的變化規(guī)律，約在石灰摻量為8%時(shí)，參數(shù)及達(dá)到最大值，即266.68 kPa和37.89°，較素黃土提高了約5倍。

圖2 不同石灰摻量改良黃土試樣的剪應(yīng)力–剪切位移曲線

3 石灰改良黃土的孔隙分布特征

壓汞法的測試結(jié)果見表1。通過壓汞法的測試結(jié)果，可利用孔隙密度分布曲線和孔隙累積分布曲線來描述孔隙的分布情況[14]?？紫独鄯e分布曲線表述的是大于某孔徑的所有孔隙體積累加量與孔徑之間的關(guān)系。據(jù)壓汞儀的測試原理，測試得到的汞累積壓入體積表示大于某孔徑的所有孔隙體積累加量[15]。通過對孔隙累積分布曲線進(jìn)行求導(dǎo)，可得到某一孔徑對應(yīng)的分布密度，得到孔隙密度分布曲線[14]，該曲線反映了不同孔徑對應(yīng)的孔隙體積大小。對壓汞法測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到不同石灰摻量黃土的孔隙累積分布曲線及孔隙密度分布曲線如圖4—圖5所示。

圖3 不同石灰摻量改良黃土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化

從表1可以看出，由壓汞試驗(yàn)測得的孔隙率均小于土體的孔隙率，且當(dāng)石灰摻量較大(8%、11%)時(shí)，兩者相差較大。因土體內(nèi)部存在一些汞無法壓入的封閉孔隙以及微小孔隙等，壓汞試驗(yàn)推算得到的孔隙率應(yīng)略小于土體實(shí)際孔隙率[16]。加入石灰后，改良黃土的比表面積顯著增大，當(dāng)石灰摻量為2%～8%時(shí)，改良黃土比表面積的增加幅度較大。

表1 壓汞測試結(jié)果

從圖4的孔隙累積分布曲線可以看出，約在孔徑1～20 μm范圍內(nèi)，隨著孔徑的減小，汞的壓入量變化顯著，說明素黃土及石灰改良黃土的孔徑主要集中在該尺寸范圍內(nèi)，也即素黃土及石灰改良黃土的孔隙分布為單峰孔隙結(jié)構(gòu)。由圖4還可以看出，當(dāng)石灰摻量為2%及5%時(shí)，改良土與素黃土的孔隙累積分布曲線變化不大，而當(dāng)石灰摻量增大到8%及11%時(shí)，孔隙累積分布曲線明顯降低。

圖5為素黃土及石灰改良黃土的孔隙密度分布曲線，由圖5可以看出，其孔隙分布均為單峰孔隙結(jié)構(gòu)。隨著石灰摻量的增加，改良黃土的孔隙平均直徑減小，孔徑分布曲線的峰值點(diǎn)左移，峰值對應(yīng)的孔徑大小分別為8.9、7.2、7.2、6.0、3.1 μm，峰值對應(yīng)的孔徑分布密度分別為0.392 2、0.482 9、0.482 4、0.303 4、0.255 7 mL/g。當(dāng)石灰摻量為8%和11%時(shí)，峰值對應(yīng)的孔徑分布密度明顯降低。

圖4 不同摻量石灰改良黃土的孔隙累積分布曲線

圖5 不同摻量石灰改良黃土的孔隙密度分布曲線

為更進(jìn)一步分析石灰摻量對改良黃土孔隙分布情況的影響，根據(jù)馬富麗等[17]的分類標(biāo)準(zhǔn)，將黃土孔隙根據(jù)孔徑大小分為微孔隙(<2 μm)、小孔隙(2～5 μm)、中孔隙(5～20 μm)、大孔隙(>20 μm)4類，得到不同石灰摻量時(shí)改良黃土的各類孔隙占比變化，如圖6所示。分析圖6可發(fā)現(xiàn)，素黃土及石灰改良黃土的大孔隙占比極少，且其占比基本沒有變化。隨著石灰摻量的增加，改良黃土中的中孔隙減小，素黃土中孔隙占比為43.77%，而當(dāng)石灰摻量達(dá)到11%時(shí)，改良黃土中的中孔隙占比僅為5.49%，較素黃土減小了約87%；改良黃土中的微孔隙和小孔隙占比增加，相較于素黃土，改良黃土中的微孔隙增加了17%～84%，小孔隙增加了28%～75%。這是因?yàn)槭覔饺朦S土中，發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，生成膠凝狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，附著在顆粒表面或者填充部分孔隙，使中孔隙變成微小孔隙，導(dǎo)致改良黃土中的中孔隙占比減少，微小孔隙占比增加，孔徑分布趨于均勻。有研究發(fā)現(xiàn)[18]，材料的孔隙分布與其比表面積關(guān)系密切，不同孔徑對比表面積的貢獻(xiàn)不同，比表面積越大，孔徑分布越窄，小孔隙和微孔隙越多，平均孔徑越小。石灰改良黃土的比表面積和孔徑分布也符合這一研究結(jié)果。

圖6 不同摻量石灰改良黃土的各類孔隙百分占比變化

4 掃描電鏡結(jié)果分析

素黃土和不同石灰摻量改良黃土在放大2 000倍時(shí)的顯微結(jié)構(gòu)照片如圖7所示。由圖7可知，素黃土的骨架顆粒以單粒為主，顆粒之間的界限清晰，其骨架主體為粗粉粒，有少量的膠結(jié)物附著在土骨架顆粒之上，極少數(shù)位于孔隙中；素黃土可以觀察到較多的鑲嵌孔隙，且有一些結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定的支架孔隙，孔隙內(nèi)的膠結(jié)物填充少，孔隙連通性好。

隨著石灰的摻入，改良黃土的微結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。當(dāng)石灰摻量較少時(shí)(2%)，這種變化尚不太明顯，此時(shí)改良黃土土顆粒的輪廓仍比較清晰，孔隙連通性較好，骨架顆粒之間及其表面附著的膠結(jié)物略有增多，架空孔隙減少。當(dāng)石灰摻量增大到5%以上時(shí)，骨架顆粒的輪廓變得模糊；當(dāng)石灰摻量達(dá)到8%以上時(shí)，很難清楚地看到顆粒輪廓。從摻入石灰后的改良黃土微結(jié)構(gòu)圖片可以看出，土顆粒表面附著大量膠結(jié)物質(zhì)，土顆粒被生石灰水化形成的膠結(jié)物質(zhì)包裹，土體孔隙也多被膠結(jié)物質(zhì)填充，架空孔隙逐漸消失，膠結(jié)物孔隙逐漸增多，同時(shí)孔隙的連通性逐漸變差。因而，當(dāng)石灰摻量達(dá)到8%及11%時(shí)，由壓汞法測得的孔隙率與土體實(shí)際孔隙率相差較多(表1)。對比石灰摻量為8%和11% 的改良黃土微結(jié)構(gòu)圖片可以看出，當(dāng)石灰摻量增大到11%時(shí)，石灰水化形成的膠結(jié)物團(tuán)聚程度增加，堆積于土顆粒表面及骨架顆粒中間，其厚度較大，有些甚至影響了土顆粒之間的膠結(jié)作用。

圖7 素黃土及石灰改良黃土顯微結(jié)構(gòu)

5 石灰改良黃土的微觀機(jī)制分析

土的工程性質(zhì)與其礦物成分、結(jié)構(gòu)、顆粒組成等因素密切相關(guān)[19-22]。加入生石灰后，生石灰在土中與水、CO2及土中的硅酸鹽礦物等發(fā)生反應(yīng)，改變土的顆粒、孔隙大小分布情況及土顆粒之間的連接方式[23-24]，使改良黃土的工程性質(zhì)發(fā)生了變化。

由掃描電鏡及壓汞測試的結(jié)果可知，隨著生石灰摻量的增大，土體中一些大中孔隙逐漸被膠結(jié)物質(zhì)填充及包裹，不穩(wěn)定的架空孔隙逐漸減少，大、中孔隙占比減少而小孔隙和微孔隙占比逐漸增加，土顆粒之間的排列趨于緊密，且由于石灰水化反應(yīng)生成的膠結(jié)物質(zhì)附著于土顆粒表面及填充在孔隙之間，使土顆粒之間的膠結(jié)程度增強(qiáng)[25]，提高了土的板體性，土的脆性增強(qiáng)。同時(shí)，由于膠結(jié)物的附著，土顆粒表面變得更加粗糙，增大了顆粒間的相互摩擦，使土體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，增強(qiáng)了土體的強(qiáng)度[5]。但當(dāng)黃土中的石灰摻量達(dá)到11%時(shí)，由于石灰摻量過多，一定程度上影響了土顆粒之間的膠結(jié)作用，反而使得改良黃土的抗剪強(qiáng)度略有降低。談云志等[26]利用偏高嶺土與石灰協(xié)同處置團(tuán)狀紅黏土，通過不同摻量處置土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及掃描電鏡測試也得出過量偏高嶺土?xí)绊憟F(tuán)粒的膠結(jié)，起到消極作用，導(dǎo)致處置土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而降低的結(jié)論。

6 結(jié)論

a. 石灰的摻入提高了黃土的抗剪強(qiáng)度，但其并非隨著石灰摻量的增加一直增大，而是在某個(gè)摻入量時(shí)強(qiáng)度達(dá)到峰值。當(dāng)石灰摻量達(dá)到8%左右時(shí)，改良黃土的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大，此時(shí)黏聚力較素黃土提高約5倍。

b. 摻入石灰會(huì)對改良黃土的孔隙分布特征產(chǎn)生影響，隨著石灰摻量的增加，改良黃土中的中孔隙減小，微孔隙和小孔隙占比增加，且比表面積顯著增大。改良黃土中的中孔隙占比較素黃土最多減小了約87%；相較于素黃土，改良黃土中的微孔隙增加17%～84%，小孔隙增加28%～75%。

c.石灰摻入黃土中發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，改變土顆粒之間的連接方式。素黃土顆粒骨架界限較為明顯，但膠結(jié)連接少。當(dāng)石灰摻量從2%增大到8%時(shí)，骨架顆粒之間及其表面附著的結(jié)晶膠結(jié)產(chǎn)物逐漸增多，土顆粒之間的孔隙被膠結(jié)物質(zhì)填充，土體中不穩(wěn)定孔隙逐漸減少，整體性增強(qiáng)。

d.石灰改良土強(qiáng)度提高的原因是石灰水化反應(yīng)生成的膠結(jié)物質(zhì)增強(qiáng)了土顆粒之間的膠結(jié)程度，提高土的板體性，使土的脆性增強(qiáng)。由于膠結(jié)物的附著，土顆粒表面變得更加粗糙，增大了顆粒間的相互摩擦，使土體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，增強(qiáng)了土體強(qiáng)度。但石灰摻量過大會(huì)影響土顆粒之間的膠結(jié)作用，反而使得改良黃土的抗剪強(qiáng)度略有降低。

[1] LATIFI N，RASHID A S A，SIDDIQUA S，et al. Strength measurement and textural characteristics of tropical residual soil stabilised with liquid polymer[J]. Measurement，2016，91：46–54.

[2] 楊愛武，閆澍旺，杜東菊，等. 堿性環(huán)境對固化天津海積軟土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2010，31(9)：2930–2934.

YANG Aiwu，YAN Shuwang，DU Dongju，et al. Experimental study of alkaline environment effects on the strength of cement soil of Tianjin marine soft soil[J]. Rock and Soil Mechanics，2010，31(9)：2930–2934.

[3] DHAR S，HUSSAIN M. The strength and microstructural behavior of lime stabilized subgrade soil in road construction[J]. International Journal of Geotechnical Engineering，2021，15(4)：471–483.

[4] 王章瓊，白俊龍，葉張顏. 過量石灰對細(xì)粒土改良效果“負(fù)效應(yīng)”機(jī)理的宏–細(xì)觀試驗(yàn)研究[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，42(3)：316–320.

WANG Zhangqiong，BAI Junlong，YE Zhangyan. Mechanism of negative effect of excessive lime addition on improvement of fine grained soil by macro-microscopic test[J].Journal of Wuhan Institute of Technology，2020，42(3)：316–320.

[5] 張玉，何暉，曾志英，等. 粉煤灰–石灰改良黃土與壓實(shí)黃土強(qiáng)度特性對比分析[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21(8)：3265–3273.

ZHANG Yu，HE Hui，ZENG Zhiying，et al. Comparison of strength characteristics of fly ash-lime improved loess and compacted loess[J]. Science Technology and Engineering，2021，21(8)：3265–3273.

[6] 楊愛武，王韜，許再良. 石灰及其外加劑固化天津?yàn)I海軟土的試驗(yàn)研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2015，23(5)：996–1004.

YANG Aiwu，WANG Tao，XU Zailiang. Experimental study on lime and its additional agent to cure Tianjin marine soft soil[J].Journal of Engineering Geology，2015，23(5)：996–1004.

[7] 張?jiān)ゴ?，姚永國，周? 長齡期改良黃土抗剪強(qiáng)度與滲透性試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2017，38(增刊2)：170–176.

ZHANG Yuchuan，YAO Yongguo，ZHOU Hong. Experimental study of shear strength and permeability of improved loess with long age[J].Rock and Soil Mechanics，2017，38(Sup.2)：170–176.

[8] 王立峰，謝錫榮，王甜. 石灰改良土的力學(xué)特性及本構(gòu)模型研究[J]. 科技通報(bào)，2019，35(11)：187–192.

WANG Lifeng，XIE Xirong，WANG Tian. Study on mechanical properties and constitutive model of remolding lime soil[J]. Bulletin of Science and Technology，2019，35(11)：187–192.

[9] OSULA D O A. A comparative evaluation of cement and lime modification of laterite[J]. Engineering Geology，1996，42(1)：71–81.

[10] 楊廣慶，管振祥. 高速鐵路路基改良填料的試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23(6)：682–685.

YANG Guangqing，GUAN Zhenxiang. Experimental study on improved soil for high-speed railway subgrade[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2001，23(6)：682–685.

[11] CUI Zhendong，JIA Yajie. Analysis of electron microscope images of soil pore structure for the study of land subsidence in centrifuge model tests of high-rise building groups[J]. Engineering Geology，2013，164：107–116.

[12] 羅浩，伍法權(quán)，常金源，等. 馬蘭黃土孔隙結(jié)構(gòu)特征：以趙家岸地區(qū)黃土為例[J/OL]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2021：1–7[2021-10-22]. https：//doi.org/10.13544/j.cnki.jeg.2014–0392

LUO Hao，WU Faquan，CHANG Jinyuan，et al. Pore characteristics of Malan Loess：A case study of Zhaojia’an area loess[J/OL]. Journal of Engineering Geology，2021：1–7[2021-10-22]. https：//doi.org/10.13544/j.cnki.jeg.2014–0392

[13] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國家市場監(jiān)督管理總局. 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50123—2019[S]. 北京：中國計(jì)劃出版社，2019.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China，State Administration of Market Supervision and Administration. GB/T 50123—2019 Standard for geotechnical testing method[S]. Beijing：China Planning Press，2019.

[14] 談云志，喻波，劉曉玲，等. 壓實(shí)紅黏土失水收縮過程的孔隙演化規(guī)律[J]. 巖土力學(xué)，2015，36(2)：369–375.

TAN Yunzhi，YU Bo，LIU Xiaoling，et al. Pore size evolution of compacted laterite under desiccation shrinkage process effects[J]. Rock and Soil Mechanics，2015，36(2)：369–375.

[15] 井彥林，王昊，陶春亮，等. 非飽和黃土的接觸角與孔隙特征試驗(yàn)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(5)：157–162.

JING Yanlin，WANG Hao，TAO Chunliang，et al. Experimental study on contact angle and pore characteristics of unsaturated loess[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(5)：157–162.

[16] WAI N C W，HAMED S，BELAL H S K，et al. Water retention and volumetric characteristics of intact and re-compacted loess[J]. Canadian Geotechnical Journal，2015，53(8)：1258–1269.

[17] 馬富麗，白曉紅，王梅. 黃土微觀結(jié)構(gòu)與濕陷性的定量分析[C]//首屆中國中西部地區(qū)土木建筑學(xué)術(shù)年會(huì)論文集：建設(shè)工程安全理論與應(yīng)用. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2011：402–409.

MA Fuli，BAI Xiaohong，WANG Mei. Quantitative analysis of microstructure and collapsibility of loess[C]//First Annual Conference on Civil Architecture in Midwestern China. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2011：402–409.

[18] 劉煜，孟令縣. 多孔氧化鈣孔結(jié)構(gòu)特征的數(shù)學(xué)描述與分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22(7)：145–149.

LIU Yu，MENG Lingxian. The mathematical description and analysis on the characteristics of pore structure of porous calcium oxide[J]. Proceedings of the CSEE，2002，22(7)：145–149.

[19] 王淑云，魯曉兵，時(shí)忠民. 顆粒級配和結(jié)構(gòu)對粉砂力學(xué)性質(zhì)的影響[J]. 巖土力學(xué)，2005，26(7)：1029–1032.

WANG Shuyun，LU Xiaobing，SHI Zhongmin. Effects of grain size distribution and structure on mechanical behavior of silty sands[J]. Rock and Soil Mechanics，2005，26(7)：1029–1032.

[20] 房營光. 土體力學(xué)特性尺度效應(yīng)的三軸抗剪試驗(yàn)分析[J]. 水利學(xué)報(bào)，2014，45(6)：742–748.

FANG Yingguang. Experimental investigation on the size effect of soil mechanic characteristics by tri-axial shear test[J]. Journal of Hydraulic Engineering，2014，45(6)：742–748.

[21] 梁建勛. 礦物成分及粒徑對土力學(xué)特性影響的試驗(yàn)與研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2020.

LIANG Jianxun. Experiment and research on the influence of mineral composition and particle size on soil mechanical properties[D]. Guangzhou：South China University of Technology，2020.

[22] 粟華忠，和法國，鄧津，等. 蘭州新區(qū)黃土微觀參數(shù)與剪切強(qiáng)度、關(guān)聯(lián)擬合分析[J]. 地震工程學(xué)報(bào)，2020，42(2)：521–528.

SU Huazhong，HE Faguo，DENG Jin，et al. Relationship between microscopic parameters and shear strength，of loess in Lanzhou new district[J]. China Earthquake Engineering Journal， 2020，42(2)：521–528.

[23] 徐實(shí)，楊有海，耿煊，等. 石灰改性黃土的強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，25(6)：97–100.

XU Shi，YANG Youhai，GENG Xuan，et al. Experimental study on strength property of lime improved loess[J]. Journal of Lanzhou Jiaotong University(Natural Sciences)，2006，25(6)：97–100.

[24] 王章瓊，高云，沈雷，等. 石灰改性紅砂巖殘積土工程性質(zhì)試驗(yàn)研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2018，26(2)：416–421.

WANG Zhangqiong，GAO Yun，SHEN Lei，et al. Engineering properties of lime-modified red sandstone residual soil[J]. Journal of Engineering Geology，2018，26(2)：416–421.

[25] 祝艷波，李紅飛，巨之通，等. 黃土抗剪強(qiáng)度與耐崩解性能綜合改良試驗(yàn)研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：221–233.

ZHU Yanbo，LI Hongfei，JU Zhitong，et al. Improvement of shear strength and anti-disintegration performance of compacted loess[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：221–233.

[26] 談云志，占少虎，胡焱，等. 石灰–紅黏土互損行為與偏高嶺土減損機(jī)制[J]. 巖土力學(xué)，2021，42(1)：104–112.

TAN Yunzhi，ZHAN Shaohu，HU Yan，et al. Behavior of lime-laterite interaction and anti-erosion mechanism of Metakaolin[J]. Rock and Soil Mechanics，2021，42(1)：104–112.

Study on the microscopic mechanism of the loess improved by quicklime

XIE Xiao1,2,3, WANG Luyao1,2,3, DENG Lejuan4, ZHANG Guowei5

(1. Institute of Land Engineering and Technology, Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co., Ltd., Xi’an 710075, China; 2. Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering, Ministry of Natural Resources, Xi’an 710075, China; 3. Shaanxi Provincial Land Consolidation Engineering Technology Research Center, Xi’an 710075, China; 4. Xi’an Geological Environmental Monitoring Station, Xi’an 710068, China; 5. China Coal Xi’an Design Engineering Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

To investigate the influence of lime content on loess strength and its microscopic mechanism, different proportions of lime were used to improve loess. Through direct shear test, mercury intrusion porosimetry and scanning electron microscopy, the strength characteristics and microstructure changes of compacted loess and modified loess with different lime contents were analyzed qualitatively and quantitatively, and the microscopic mechanism of lime-improved loess was analyzed in depth. The results show that the shear strength parameters of lime-improved loess increases first and then decreases with the increase of lime contents. The cohesive forceand internal friction angle reach the maximum when the lime content is about 8%. The incorporation of lime gradually increases the cements between and on the surface of the skeleton particles. As the pores are filled with cements, the unstable pores gradually decrease, and the integrity is enhanced. But with too large lime content, the excess lime will accumulate between the agglomerates, which will affect the cementation. The reason for the increasing strength of lime-improved loess is that the cementing material generated by the lime hydration reaction enhances the degree of cementation between soil particles, resulting in a larger friction between the particles, a more stable soil structure, and greater soil strength. However, the excessive lime will reduce the cementation between soil particles, thus reducing the shear strength of the improved loess. The research results not only enrich the theoretical research on the strength characteristics and microstructure of loess, but also provide reference for the selection of engineering design parameters of improved loess.

loess; quicklime; microstructure; shear strength

語音講解

U213.1

A

1001-1986(2021)06-0193-07

2021-04-30；

2021-09-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42072311)

謝瀟，1992年生，女，陜西西安人，碩士，工程師，從事非飽和土及土的微觀結(jié)構(gòu)研究. E-mail：xiexiao@chd.edu.cn

謝瀟，王璐瑤，鄧樂娟，等. 生石灰改良黃土的微觀機(jī)制試驗(yàn)研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(6)：193–199. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.023

XIE Xiao，WANG Luyao，DENG Lejuan，et al. Study on the microscopic mechanism of the loess improved by quicklime[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：193–199. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.023

移動(dòng)閱讀

(責(zé)任編輯 周建軍)