石灰改良鹽漬土在高速公路路基中的試驗分析

高紅霞

（河北平山縣交通運輸局公路工程隊，河北平山 050400）

0 引言

我國鹽漬土占地面積大、分布廣泛，類型較多，對工程建設(shè)存在不同程度的影響[1]。當(dāng)鹽漬土中的可溶性鹽遇水溶解后，會引起鹽漬土的物理力學(xué)性能發(fā)生明顯變化，在很大程度上這種改變會降低抗壓強度。同時外界環(huán)境因素對鹽漬土的強度也有著很大的影響。因此，不能僅憑某個單一條件確定鹽漬土的物理力學(xué)性能指標(biāo)對鹽漬土體的強度和工程特性的影響。

鹽漬土土體的液限值和塑限值隨含鹽量增加而明顯降低，隨含水率的降低而明顯上升，這時的土體可能會表現(xiàn)為塑性或者液性，導(dǎo)致鹽漬土體的強度普遍低于一般土體。在干燥的環(huán)境條件下，鹽漬土體的強度往往偏高，承載力也要高于周圍普通土體。因此，鹽漬土的強度會隨環(huán)境條件的改變而發(fā)生變化，強度呈現(xiàn)波動性變化，引起每個剪切面承受的應(yīng)力不同，最終造成鹽漬土地基上的建筑物發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致土樣產(chǎn)生裂紋面[2]。鹽漬土中的鹽分會隨環(huán)境溫度和濕度的變化不斷溶解軟化，導(dǎo)致土壤發(fā)生膨脹，從根本上破壞了土體的穩(wěn)定性，繼而直接影響后期工程質(zhì)量。

有學(xué)者通過試驗得出鹽漬土改良前后的強度會隨改良劑的摻量發(fā)生變化，并對不同的改良方法提出了評價和建議。也有學(xué)者以石灰和水泥為固化劑，研究了養(yǎng)護齡期對改良土效果的影響。此外，還有學(xué)者通過電石灰等材料對改良土的物理力學(xué)性能進行了大量研究。柳艷華等[3]研究了石灰改良濱海鹽漬土的物理力學(xué)性質(zhì)及其影響因素。張登武等[4]利用水泥、石灰、粉煤灰對新建蘭新鐵路沿線鹽漬土進行改良試驗，得到了摻入各種改良劑的改良土物理、力學(xué)性能變化及其對工程的影響。王朝輝等[5]對西寧南繞城高速公路沿線鹽漬土分別摻入砂礫和石灰，進行物理和化學(xué)改良，通過室內(nèi)土工試驗，得到了砂礫、石灰的質(zhì)量配比。

本文研究對象為某高速公路路基鹽漬土，以石灰作為試驗改良劑，研究其路基性能和物理力學(xué)性能，為后期工程建設(shè)中地基的穩(wěn)定性提供試驗依據(jù)。

1 鹽漬土試樣與試驗方案

1.1 鹽漬土試樣性質(zhì)

取某高速公路路基鹽漬土樣若干份，如圖1所示。通過界限含水率試驗，采用搓條法測定鹽漬土土樣的稠度指標(biāo)（塑限、液限等）。通過輕型擊實試驗分析鹽漬土天然含水量和干密度之間的關(guān)系，并以此判斷土樣最大干密度和最佳含水量的關(guān)系，試驗結(jié)果如表1所示。

圖1 鹽漬土樣

表1 鹽漬土物理力學(xué)性質(zhì)

1.2 試驗方案

選用不同摻量的石灰作為鹽漬土改良劑，將其摻量值定為2%、4%、6%、8%、10%、12%，然后對不同石灰摻量下的改良土依次進行輕型擊實試驗、直剪試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗，最后測定其物理力學(xué)性能。

1.2.1 輕型擊實試驗

輕型擊實試驗是將擊錘按一定高度和一定錘擊次數(shù)對試樣進行錘擊做功，然后根據(jù)不同摻量下的石灰，確定土樣干密度和含水率關(guān)系以及最大干密度和最優(yōu)含水率之間的關(guān)系。

首先，將試驗土樣自然風(fēng)干或烘干處理，接著碾碎風(fēng)干后的試樣，將碾碎后的土樣放在孔徑不小于5mm篩子過濾篩選。從中選取25kg篩后試樣，并將試樣平均分成5等分，然后測定篩后土樣的天然含水率。再將土樣倒入擊實筒內(nèi)，分3層擊實。第一層錘擊36下，二、三層各錘擊37下，最終得出總擊實功為2 657.69kJ/m3。

1.2.2 直剪試驗

直剪試驗是為了確定土樣在承受不同荷載情況下，剪切面的形態(tài)變化情況?？辜魪姸扔煽辜魠?shù)——內(nèi)摩擦角μ和黏聚力c之間的關(guān)系確定。在不固結(jié)不排水的條件下對鹽漬土試樣進行剪切，試驗采用應(yīng)變控制方式測定剪切位移，繼而得到剪應(yīng)力和剪切位移之間的關(guān)系。再運用庫侖定律，計算出土的抗剪強度參數(shù)，最后得出隨石灰摻量的不同，土樣黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化情況。

1.2.3 無側(cè)限抗壓強度

無側(cè)限抗壓強度試驗是測定黏性土的不排水抗剪強度。將土樣在無側(cè)向限制的情況下施加垂直向下的荷載，此時的破壞包線幾乎為一條直線。然后通過摻加不同摻量的石灰，測定軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變之間的關(guān)系以及抗壓強度和破壞應(yīng)變之間的關(guān)系，從而得出兩條折線的交點，即為無側(cè)限抗壓強度。

2 試驗結(jié)果

2.1 輕型擊實試驗

輕型擊實試驗?zāi)康氖峭ㄟ^對不同含水量的土樣展開錘擊，測定相應(yīng)的干容重，獲得最大干密度和最佳含水量，從而確定土的壓實性能，指導(dǎo)后期施工參考。圖2為不同石灰摻量下，土樣干密度和含水量之間的關(guān)系。圖3反映不同石灰摻量下，土樣最大干密度與最佳含水量之間關(guān)系的影響。

圖2 不同石灰摻量的鹽漬土干密度與含水量關(guān)系

圖3 不同石灰摻量鹽漬最大土干密度與最佳含水量

由圖2可知，土樣干密度隨石灰摻量的增加而降低，土樣干密度隨含水量的增加，呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢。此時，每條曲線都出現(xiàn)一個峰值，此值即為對應(yīng)土樣的最佳含水量。由圖3可知，加入石灰后，最大干密度值均小于未加入石灰時的值，而最大干密度跟石灰摻量的大小成反比；最佳含水量跟石灰摻量的大小成正比關(guān)系，并且摻加石灰后的最佳含水率均高于未摻加石灰時的最佳含水率。石灰摻量達(dá)到一定值時，兩條折線相交，交點坐標(biāo)值即為土樣的最佳含水量和最大干密度。試驗結(jié)果說明，在較大的含水率范圍內(nèi)，加入石灰可以達(dá)到工程要求的壓實度。

2.2 直剪試驗

直剪試驗的目的是測定石灰改良鹽漬土的抗剪強度，通過施加垂直壓力作用，得出不同石灰摻量下改良土樣的剪切應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系，從而得到鹽漬土改良土樣的抗剪強度。

根據(jù)直剪試驗數(shù)據(jù)，得出如圖4所示的抗剪參數(shù)關(guān)系。由圖可得，當(dāng)內(nèi)摩擦角μ一定時，黏聚力隨石灰摻量的增大而增大，同時摻入石灰的黏聚力均大于未加入石灰時的黏聚力，說明改良劑的摻入能直接提高土的黏聚力；當(dāng)黏聚力c一定時，內(nèi)摩擦角μ隨石灰摻量的增加而緩慢下降；當(dāng)石灰摻量一定時，黏聚力斜率為正并逐漸增大，內(nèi)摩擦曲線斜降低，摻量達(dá)4%～6%之間時出現(xiàn)交點，此交點即為極限抗剪強度。

圖4 不同石灰摻量下鹽漬土的黏聚力與內(nèi)摩擦角變化

2.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

無側(cè)限抗壓強度試驗是在土樣不受側(cè)向力作用時，以只施加垂直壓力的方式來測定不同石灰摻量下的壓實性，確定在無側(cè)限壓縮狀態(tài)下改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和石灰摻量的關(guān)系。

如圖5為應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖中可分析，當(dāng)軸向應(yīng)變ε不變時，軸向應(yīng)力σ隨石灰摻量的增加呈先增大后減少趨勢，石灰摻量為8%時達(dá)到最大值；當(dāng)軸向應(yīng)力σ一定時，軸向應(yīng)變隨石灰摻量的增大而減少，此時出現(xiàn)明顯的脆性破壞；當(dāng)石灰摻量為8%時，極限應(yīng)力達(dá)到最大值。通常情況下，無側(cè)限試驗測定大致可分為5個階段：第一階段為孔隙壓密階段；第二階段為彈性變形階段，此階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為近似直線；第三階段為非線性彈性變形階段，此階段應(yīng)力較應(yīng)變增長緩慢；第四階段為塑性屈服階段，當(dāng)在非彈性變形階段繼續(xù)施加荷載時，試樣表面會出現(xiàn)微裂紋，隨著荷載加大，裂紋面也會擴張，而當(dāng)施加荷載達(dá)到極限時，破壞應(yīng)力達(dá)到峰值，此時的土樣將被破壞；第五階段為破壞后階段，當(dāng)繼續(xù)施加荷載時，此時破壞應(yīng)力開始急速下降，斜率變?yōu)樨?fù)值。

未摻加石灰鹽漬土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中破壞應(yīng)力相對較小，破壞應(yīng)變較大，這階段的破壞形式主要表現(xiàn)為塑性破壞；當(dāng)在土樣中加入石灰后，改良土應(yīng)力-應(yīng)變曲線變陡，破壞應(yīng)力會隨摻量變大，破壞應(yīng)變變小，主要表現(xiàn)為脆性破壞。

圖5 不同石灰摻量改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖6可知，未加入石灰時，其抗壓強度為133.15kPa；當(dāng)加入石灰后，呈現(xiàn)波形曲線關(guān)系。其中當(dāng)石灰摻量為8%時，改良土的無側(cè)限抗壓強度達(dá)到波峰，所對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強度最大值為315.81kPa。由此得出結(jié)論：土樣中加入石灰改良后，土樣的屈服強度會有一定幅度的提高。

由圖7可知，土樣未摻入石灰時的破壞應(yīng)變最大值為5.8%；當(dāng)摻入石灰后，改良土破壞應(yīng)變呈現(xiàn)先減小后增大再減小的不規(guī)律性變化；當(dāng)石灰摻量為8%時，對應(yīng)破壞應(yīng)變達(dá)到峰值，為5.25%。

圖6 不同石灰摻量改良土的無側(cè)限抗壓強度

圖7 不同石灰摻量改良土的破壞應(yīng)變

土樣破壞有剪切破壞和劈裂破壞，兩種破壞模式均會導(dǎo)致土樣表面出現(xiàn)裂紋?？箟簭姸容^低的試樣破壞時其形態(tài)易發(fā)生顯著變化，如試件底部出現(xiàn)小裂縫、中間部位膨脹鼓起、破裂面傾角平緩等；而抗壓強度較高的試樣，破壞模式通常為劈裂破壞，土樣整體破壞，形成上下貫穿的裂縫，表面微細(xì)裂紋較多。

3 結(jié)論

本文在不同石灰摻量條件下，對改良鹽漬土分別進行重型擊實試驗、直剪試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗，通過曲線、圖表分析，對其物理力學(xué)性能進行研究，得到以下結(jié)論：

（1）改良劑的摻加會降低土樣的最大干密度，改良劑摻量越大，最大干密度越?。幌喾?，改良劑的加入會提高土樣最佳含水率，且改良劑摻量越大，含水率越高。

（2）當(dāng)內(nèi)摩擦角μ一定時，黏聚力隨石灰摻量的增大而增大，同時摻入石灰的黏聚力值均大于未加入石灰時的黏聚力；當(dāng)黏聚力c一定時，內(nèi)摩擦角μ隨石灰摻量的增加而緩慢下降，改良劑的摻入能直接提高土的黏聚力。

（3）軸向應(yīng)力σ隨石灰摻量的增加呈先增大后減少趨勢，石灰摻量為8%時達(dá)到最大值；軸向應(yīng)變隨石灰摻量的增加而減少，土樣破壞應(yīng)力隨石灰的摻入明顯增大，而破壞應(yīng)變減小，此時出現(xiàn)明顯的脆性破壞；當(dāng)石灰摻量為8%時，極限應(yīng)力達(dá)到最大值。

（4）綜合直剪試驗和無側(cè)限抗壓試驗結(jié)果，路基鹽漬土改良的最優(yōu)石灰摻量為8%。