石灰改良強(qiáng)風(fēng)化云母片巖路基填料試驗(yàn)研究

關(guān)宏濤 胡寶明 黃成龍 丁云賀 張金龍 申萬霆 李永靖* 文成章

（1、中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102601 2、遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000）

近年來，隨著高速公路建設(shè)的不斷發(fā)展，不可避免的經(jīng)過大量強(qiáng)風(fēng)化云母片巖地質(zhì)區(qū)域。強(qiáng)風(fēng)化云母片巖顆粒小、具有級配單一、水穩(wěn)性差等特點(diǎn)，用于填筑路基則會(huì)面臨無法碾壓、成型困難等難題。一些學(xué)者對強(qiáng)風(fēng)化云母片巖改良展開了研究。魏遠(yuǎn)等[1]利用水泥改善石英云母片巖，將其用于填筑路基，但成本較高。洪巖[2]通過增加碾壓次數(shù)并嚴(yán)格控制含水率，成功利用風(fēng)化云母片巖填筑路基，但必須采用特殊設(shè)備。還有一些研究成果是針對強(qiáng)風(fēng)化云母片巖的物理力學(xué)性質(zhì)展開的深入研究，但并未實(shí)際應(yīng)用于路基填筑工程。學(xué)者對于石灰進(jìn)行土體改良的研究成果更為豐富，潘國強(qiáng)等[3]對石灰改良填料填筑路床的可行性進(jìn)行了研究，分析了不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下干密度的變化規(guī)律。周葆春等[4]研究了石灰改良膨脹土的作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)改良土破壞形式均為脆性破壞。邊加敏等[5]摻入石灰改良膨脹土，提出以膨脹性作為填筑的控制指標(biāo)。以上分析可知，石灰改良強(qiáng)風(fēng)化云母片巖的研究并未大量展開。本文針對強(qiáng)風(fēng)化云母片巖進(jìn)行石灰改良研究并應(yīng)用于工程實(shí)踐，以期為類似工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料基本性質(zhì)

栆潛高速公路沿線分布大量云母片巖，為了減少大量遠(yuǎn)程借土，基于環(huán)境保護(hù)和節(jié)約成本考慮，對云母片巖加以改良用于路基填筑。云母片巖試驗(yàn)材料物理性質(zhì)指標(biāo)與顆粒級配特性如表1、表2 所示，試驗(yàn)用石灰成分化學(xué)組成如表3 所示。

表1 云母片巖物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 云母片巖粒徑分布

表3 生石灰的化學(xué)組成

2 石灰改良土擊實(shí)試驗(yàn)和CBR 試驗(yàn)

2.1 石灰改良土擊實(shí)試驗(yàn)分析

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430-2020）規(guī)定：對土樣進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)，按設(shè)計(jì)的含水率進(jìn)行配置，并悶料保養(yǎng)24h，保證水分?jǐn)U散均勻。采用多功能電動(dòng)擊實(shí)儀，分3 層加入擊實(shí)筒中，每層采用擊實(shí)儀分別擊實(shí)98 次。按照摻入0%（即素土，下同）、4%、6%、8%的灰劑量分別制備5 組試件，每組3 個(gè)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出擊實(shí)試驗(yàn)曲線如圖1 所示。

圖1 云母片巖改良前后擊實(shí)曲線

由圖1 可以看出，隨著摻加石灰劑量的增大，測得強(qiáng)風(fēng)化云母片巖改良土試樣的最佳含水率分別為18.9%、19.7%、20%，呈遞增趨勢，測得改良土樣的最大干密度分別為1.78%、1.75%、1.71%，呈遞減趨勢。隨著摻灰量的增加，改良土的最佳含水量得到提高，但最大干密度降低，原因在于石灰與云母片巖拌合之后，石灰的水化反應(yīng)消耗了一定量的水分，摻灰量越大，水化反應(yīng)需要的水分越多，導(dǎo)致最佳含水量隨摻灰比的增大而增大。在同一灰劑量情況下，含水率較低時(shí)，土顆粒之間水膜較薄，摩阻力較大，擊實(shí)效果較差，導(dǎo)致干密度較小。隨著含水率升高，土顆粒間水膜增厚，起到了一定的潤滑作用，摩阻力減小，擊實(shí)效果較好，導(dǎo)致干密度增大。當(dāng)達(dá)到最優(yōu)含水率時(shí)，擊實(shí)效果最好，改良土的干密度最大。隨著含水率的進(jìn)一步升高，土中自由水增加，擊實(shí)時(shí)自由水不能及時(shí)排出，擊實(shí)效果降低，導(dǎo)致干密度逐漸減少。隨著灰劑量的增大，包裹在土顆粒周圍的石灰水化產(chǎn)物越多，土體的孔隙率增大，這是導(dǎo)致改良土體干密度降低的主要原因。

2.2 石灰改良土CBR 試驗(yàn)

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)所得的不同灰劑量情況下的最佳含水率和最大干密度，分別制備摻入灰劑量0%、4%、6%、8%的4 組試件，每組3 個(gè)，浸水測膨脹量，隨后進(jìn)行CBR 貫入試驗(yàn)。繪制p-l（單位壓力與貫入量）關(guān)系曲線如圖2所示，CBR 值與摻灰比的關(guān)系曲線如圖3 所示，膨脹量、CBR 值與壓實(shí)度的關(guān)系曲線，如圖4 和圖5 所示。

圖2 云母片巖改良前后單位壓力與貫入量關(guān)系曲線

圖3 CBR 值與石灰摻入量關(guān)系曲線

由圖2 可知，在相同貫入量的情況下，摻6%石灰的改良土所需的單位壓力最大，說明該區(qū)域云母片巖的最佳摻灰率為6%。由圖3 可知，未摻灰素土的承載比為2.9%，不滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對CBR 值最低3%的要求。摻4%、6%、8%石灰改良土的承載比明顯增大，分別為3.3%、3.6%、3.4%。這主要是因?yàn)橥令w粒與石灰發(fā)生凝聚與絮聚作用，土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，由改良前小顆粒變成改良后大顆粒，而大顆粒土起到土體骨架支撐作用，土的壓實(shí)性能得到改善。由圖3 可知，摻灰率為6%時(shí)，CBR 值最大。

3 石灰改良土水穩(wěn)性試驗(yàn)及三軸壓縮試驗(yàn)

3.1 石灰改良土水穩(wěn)性試驗(yàn)

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，控制壓實(shí)度為94%，按最佳含水率制備試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，云母片巖素土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為110kPa，以水穩(wěn)系數(shù)K（浸水試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比）評價(jià)改良土試件養(yǎng)護(hù)28d 后浸水1d、3d、5d 的水穩(wěn)性。不同石灰摻量不同養(yǎng)護(hù)齡期下改良土強(qiáng)度變化規(guī)律如圖4 所示，隨石灰摻量的增加改良土強(qiáng)度先增大后減小，說明摻灰比并非越高越好，石灰摻量過高反而會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低。不同石灰摻量條件下改良土水穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，在浸水作用下改良土強(qiáng)度顯著降低，改良土浸水5d 后水穩(wěn)系數(shù)均大于0.6，改良土水穩(wěn)系數(shù)在6%石灰摻量下達(dá)到最高，此時(shí)強(qiáng)度損失最低，工程特性最佳。

圖4 不同石灰摻量下改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖5 不同浸水時(shí)間下改良土強(qiáng)度變化規(guī)律

3.2 石灰改良土三軸壓縮試驗(yàn)

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，在最佳含水率條件下，控制壓實(shí)度為94%，進(jìn)行圍壓分別為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa 的三軸壓縮試驗(yàn)，不同石灰摻量下峰值偏應(yīng)力與圍壓的變化規(guī)律如圖6 所示。同一石灰摻量下，隨著圍壓的增大，峰值偏應(yīng)力呈遞增趨勢；同一圍壓條件下，石灰摻量越多，峰值偏應(yīng)力越大。這是因?yàn)閲鷫禾峁﹤?cè)向約束并限制其橫向變形，圍壓越大側(cè)向變形越小，因此使其抗壓強(qiáng)度得到提高；石灰水化產(chǎn)物膠結(jié)包裹土顆粒形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，石灰摻量越高土體結(jié)構(gòu)越緊密，抗壓能力越強(qiáng)。c、φ 值是分析材料抗剪強(qiáng)度的兩個(gè)重要指標(biāo)，三軸試驗(yàn)獲得不同石灰摻量下的c、φ 值如圖7 所示，可知隨著石灰摻量的增大，黏聚力c 呈遞增趨勢，內(nèi)摩擦角φ 整體變化不大。這是由于石灰水化生成的膠凝物質(zhì)，致密了孔隙結(jié)構(gòu)，顆粒間黏結(jié)作用增強(qiáng)，因此黏聚力增大。

圖6 峰值偏應(yīng)力與圍壓關(guān)系曲線

圖7 不同石灰摻量下c、φ 值變化曲線

4 結(jié)論

4.1 擊實(shí)試驗(yàn)和CBR 試驗(yàn)表明，石灰改良土的最大干密度隨摻灰比的提高呈減小趨勢，石灰改良土的最佳含水率隨摻灰比的提高呈增大趨勢。采用石灰改良后云母片巖的力學(xué)性能得到明顯提高，CBR 值隨摻灰比的升高先增大后減小，另外提高壓實(shí)度能有效抑制填料的膨脹性，同時(shí)提高承載力。

4.2 水穩(wěn)性試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)表明，采用石灰改良后云母片巖水穩(wěn)性能得到改善，且石灰摻量6%時(shí)工程特性最佳；隨著石灰摻量的增加，黏聚力c 逐漸增大，內(nèi)摩擦角φ 變化不大。