石灰改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度特性研究

嚴(yán)赪強(qiáng) 白宇帆 徐永福 王偉志 王 浩

(1.上海鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，上海 200003；2.上海交通大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200240)

引言

長(zhǎng)三角地區(qū)存在大量軟土，隨著高鐵建設(shè)的發(fā)展，不可避免會(huì)遇到強(qiáng)度低、承載力弱、工程性質(zhì)差的軟土地層[1-2]，容易帶來(lái)各類(lèi)路基病害和交通隱患。目前，最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的改良方法主要石灰改良[3-6]，也可采用水泥[7-11]、添加纖維[12]、粉煤灰[13]、工業(yè)廢渣[14]等材料對(duì)土體進(jìn)行改良處理。石灰由于其成本低廉且易于獲得的特點(diǎn)，被廣泛用于各類(lèi)不良土體的加固處理。添加石灰后，石灰和土?xí)l(fā)生水解水化反應(yīng)、離子交換反應(yīng)、碳酸化作用、火山灰反應(yīng)等一系列物理化學(xué)作用，生成各類(lèi)膠結(jié)物質(zhì)，如水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、碳酸鈣、鈣礬石等[15-17]，改變了石灰土的微觀組成和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高石灰土的強(qiáng)度，起到改良固化效果。

已有許多學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究，賀建清發(fā)現(xiàn)摻入石灰能有效改善軟土的力學(xué)性質(zhì)，非飽和狀態(tài)下的石灰土強(qiáng)度并非一直隨著石灰摻量的增加而增大，而是存在一個(gè)最佳摻量，在此摻量下石灰土的強(qiáng)度最高[18]；LAMIS等對(duì)石灰改良處理后的粉土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)即使處于飽和狀態(tài)，石灰改良粉土仍能夠顯著提高土體的工程性質(zhì)，具有較低的塑性，良好的可加工性，較大的剛度和內(nèi)聚力，且脆性和滲透性方面的性能沒(méi)有損失[19]；郭愛(ài)國(guó)等依托實(shí)際高速公路工程，結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)中膨脹土的物理力學(xué)特性以及中膨脹土經(jīng)過(guò)石灰改性處理后的效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)石灰改性后的中膨脹土強(qiáng)度有很大提高，水穩(wěn)定性也較好，說(shuō)明經(jīng)石灰改良處理的中膨脹土可以作為高速公路路堤的填筑材料[20]；WANG等采用動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)石灰處理膨脹黏土進(jìn)行一系列室內(nèi)試驗(yàn)，討論含水率、圍壓、振動(dòng)頻率、固結(jié)比、循環(huán)次數(shù)等因素對(duì)石灰處理膨脹黏土的動(dòng)力學(xué)特性的影響[21]。不難看出，石灰改良土力學(xué)特性受到很多因素的影響，其中最為主要的影響參數(shù)包括干密度、齡期、石灰摻量、含水率等[22-23]。以下采取擊實(shí)試驗(yàn)，得到滬蘇湖高鐵上海段路基軟土及其石灰改良土的最大干密度ρdmax及最優(yōu)含水率wop，并通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)試驗(yàn)和不固結(jié)不排水(UU)三軸剪切試驗(yàn)得到石灰改良土的力學(xué)特性及其隨干密度、齡期、石灰摻量的變化，分析石灰改良土的強(qiáng)度特性。

1 強(qiáng)度試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用軟土取自上海滬蘇湖高速鐵路上海段，軟土的基本物性指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 軟土的基本物性指標(biāo)

在試驗(yàn)之前，首先需要確定土體的最大干密度與最優(yōu)含水率，對(duì)軟土和不同石灰摻量的石灰改良土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到其最優(yōu)含水率wop及最大干密度ρdmax。軟土和石灰土的標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖1。軟土和不同石灰摻量的石灰改良軟土的最優(yōu)含水率及最大干密度見(jiàn)表2。

圖1 軟土和石灰土的標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)曲線

表2 軟土和石灰土的最大干密度和最優(yōu)含水率

由表2可知，軟土的最大干密度為1.91 g/cm3，最優(yōu)含水率為14.91%，摻加石灰后，最大干密度變成了4%石灰摻量下的1.83 g/cm3、6%石灰摻量下的1.78 g/cm3和8%石灰摻量下的1.76 g/cm3，而最優(yōu)含水率變成了4%石灰摻量下的15.46%、6%石灰摻量下的15.71%和8%石灰摻量下的16.15%。由此可見(jiàn)，隨著石灰摻量的增加，石灰土的最優(yōu)含水率增大，最大干密度減小。這是由于添加石灰后，石灰發(fā)生水解水化反應(yīng)，土體中的一部分游離水轉(zhuǎn)化為結(jié)合水，為了提高土體壓實(shí)性，需要更多的自由水進(jìn)行潤(rùn)滑，導(dǎo)致其最優(yōu)含水率隨石灰摻量的增加而增大。石灰由于其吸水絮凝作用，會(huì)在石灰土中形成絮凝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致對(duì)石灰土進(jìn)行壓實(shí)需要更大的壓實(shí)功，因此，其最大干密度隨著石灰摻量的增加而減小。

考慮到不同石灰摻量時(shí)石灰土的最優(yōu)含水率均在16%附近，以下力學(xué)試驗(yàn)的目標(biāo)含水率均取16%。

1.2 試樣制作

將土體風(fēng)干、敲碎、烘干后，稱(chēng)取一定質(zhì)量的干土，與一定摻量(L=4%、6%、8%)的生石灰粉末(過(guò)0.5 mm篩)充分拌合，噴灑蒸餾水至最優(yōu)含水率并充分?jǐn)嚢瑁o置24 h，使得土樣中的水分分布均勻。制樣時(shí)，根據(jù)目標(biāo)干密度和含水率計(jì)算單個(gè)土樣的質(zhì)量，然后分5等份在三瓣膜內(nèi)逐層擊實(shí)成樣(土樣尺寸高80 mm、直徑39.1 mm)，每層之間用小刀均勻刮抹以加強(qiáng)試樣的整體性和均勻性。脫模后，將試樣用塑料膜和袋子密封包好，并貼上標(biāo)簽，然后放入保濕缸中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖2。

圖2 試樣制備儀器示意

1.3 試驗(yàn)方法

(1)無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)芊奖憧旖莸販y(cè)量土體的單軸抗壓強(qiáng)度。為了減少土體本身的離散性和人為操作帶來(lái)的誤差，制作完全相同的3個(gè)平行試樣，養(yǎng)護(hù)到規(guī)定的齡期進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)通過(guò)圓柱體試樣施加軸向壓力，不施加任何側(cè)向壓力，直至試樣破壞為止。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式為

(1)

式中，F(xiàn)為破壞試件極限壓力；A為試樣橫截面積。

(2)三軸壓縮試驗(yàn)

在保持側(cè)向圍壓相同的情況下，通過(guò)施加垂直向軸壓σ1，通過(guò)不同的管路測(cè)量土體剪切過(guò)程中體變、孔隙水壓力、變形、軸力等數(shù)據(jù)，最終通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到相應(yīng)的圖表。三軸剪切儀主要由壓力室、加壓系統(tǒng)和量測(cè)與采集系統(tǒng)組成。試樣放置在壓力室內(nèi)，加壓系統(tǒng)用來(lái)提供圍壓、軸力、反壓；量測(cè)與采集系統(tǒng)包括位移傳感器和壓力傳感器等各類(lèi)傳感器；所有測(cè)量數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。

石灰改良土的不固結(jié)不排水(UU)三軸剪切試驗(yàn)的圍壓水平分別為100，200，400 kPa，三軸剪切速率為0.069 mm/min。具體的試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 不固結(jié)不排水(UU)三軸剪切試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干密度的關(guān)系見(jiàn)圖3。由圖3可知，同樣條件下，干密度越大，石灰土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大，且無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和干密度呈線性關(guān)系；同一干密度時(shí)，齡期越大，石灰土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。

圖3 不同齡期時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和干密度的關(guān)系(石灰摻量L=6%，含水率w=16%)

石灰含量相同土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系見(jiàn)圖4。由圖4可知，齡期越大，石灰土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大，且無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度早期增長(zhǎng)快，后期增長(zhǎng)慢，28 d前強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，28 d后強(qiáng)度增長(zhǎng)變慢。相同齡期土樣的干密度越大，石灰土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。

圖4 不同干密度時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和齡期的關(guān)系(石灰摻量L=6%，含水率w=16%)

干密度相同土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系見(jiàn)圖5。由圖5可知，同一齡期內(nèi)，石灰摻量越大，石灰土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。28 d前，不同石灰摻量的石灰土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比較接近，28 d以后，不同石灰摻量的石灰土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度差值較為明顯，表明石灰摻量對(duì)于石灰土后期的強(qiáng)度影響較早期更為明顯。

圖5 不同石灰摻量時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和齡期的關(guān)系(干密度ρd=1.6 g/cm3，含水率w=16%)

在含水率一定的情況下(w=16%)，石灰土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著干密度和齡期的增加而增加，且早期強(qiáng)度增長(zhǎng)快，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)慢。在石灰摻量范圍內(nèi)(L=4%、6%、8%)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著石灰摻量的增加而增加，且石灰摻量對(duì)于石灰土后期的強(qiáng)度形成貢獻(xiàn)更大。

2.2 不固結(jié)不排水(UU)三軸剪切試驗(yàn)

石灰土的三軸剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖6。隨著齡期的增長(zhǎng)，石灰土強(qiáng)度增加；齡期相同土樣，干密度越大，石灰土強(qiáng)度越高；石灰摻量越大，石灰土強(qiáng)度越高。且同一條件下，隨著圍壓的增大，石灰土的剪切強(qiáng)度越高，破壞應(yīng)變也越大。石灰土在三軸剪切條件下呈現(xiàn)脆性破壞和塑性破壞兩種特征，干密度、齡期、石灰摻量越大，石灰土的脆性破壞越明顯，見(jiàn)圖6(a)；圍壓越大，石灰土的塑性破壞越明顯，見(jiàn)圖6(b)，這是由于圍壓越大，對(duì)于石灰土的側(cè)向約束越強(qiáng)導(dǎo)致的。

圖6 石灰土的破壞形式

根據(jù)莫爾圓可以確定石灰土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。不同試驗(yàn)情況下，石灰土的黏聚力和內(nèi)摩擦角分布見(jiàn)表4，石灰土的三軸剪切強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖7、圖8。由表4可知，干密度為1.6 g/cm3、石灰摻量為6%時(shí)，隨著齡期的增大，黏聚力由7 d的100 kPa增大到14d的122 kPa、28 d的155 kPa以及90d的260 kPa，內(nèi)摩擦角也由7 d的32.23°增大到14 d的32.76°、28 d的32.84°以及90 d的33.84°。

圖7 石灰土UU試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

表4 石灰土的黏聚力和內(nèi)摩擦角

石灰土的三軸剪切強(qiáng)度參數(shù)與干密度的關(guān)系見(jiàn)圖9。由圖9可知，齡期為14 d時(shí)，石灰摻量為6%時(shí)，隨著干密度的增大，黏聚力由1.4 g/cm3干密度時(shí)的40 kPa增大到1.5 g/cm3干密度時(shí)的65 kPa、1.6 g/cm3干密度時(shí)的122 kPa，內(nèi)摩擦角也由1.4 g/cm3干密度時(shí)的31.40°增大到1.5 g/cm3干密度時(shí)的32.84°、1.6 g/cm3干密度時(shí)的32.76°。

圖9 石灰土三軸剪切強(qiáng)度參數(shù)與干密度的關(guān)系(齡期 t=14 d，含水率w=16%，石灰摻量L=6%)

石灰土的三軸剪切強(qiáng)度參數(shù)與石灰摻量的關(guān)系見(jiàn)圖10。由圖10可知，干密度為1.6 g/cm3、齡期為28 d時(shí)，隨著石灰摻量的增大，黏聚力由4%石灰摻量時(shí)的155 kPa增大到6%石灰摻量時(shí)的155 kPa、8%石灰摻量時(shí)的170 kPa，內(nèi)摩擦角也由4%石灰摻量時(shí)的31.19°增大到6%石灰摻量時(shí)的32.76°、8%石灰摻量時(shí)的34.04°。

圖10 石灰土三軸剪切強(qiáng)度參數(shù)與石灰摻量的關(guān)系(干密度ρd=1.6 g/cm3，齡期t=14 d，含水率w=16%)

事實(shí)上，干密度越大，石灰土的壓密程度越好，孔隙率小，石灰土顆粒間的連結(jié)作用更緊密，其強(qiáng)度就越大。齡期越長(zhǎng)，石灰和土體發(fā)生的反應(yīng)時(shí)間就越長(zhǎng)，特別是到后期火山灰作用占主導(dǎo)，在土體內(nèi)部不斷生成強(qiáng)度較高的水化產(chǎn)物和膠凝物質(zhì)，填充孔隙的同時(shí)增加顆粒間的膠結(jié)作用，從而增加石灰土的強(qiáng)度。在L=4%、6%、8%時(shí)，隨著石灰摻量的增大，石灰和土體發(fā)生的反應(yīng)越充分，生成的膠結(jié)物的含量就越多，對(duì)土體內(nèi)部孔隙的填充效果越好，對(duì)土顆粒起到鑲嵌、包裹和膠結(jié)作用越強(qiáng)，從而增加石灰土的強(qiáng)度。干密度、齡期、石灰摻量的提高對(duì)石灰土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均有提升，但對(duì)于黏聚力的影響更大。

3 結(jié)論

(1)石灰改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著干密度、齡期、石灰摻量的增大而增大，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)有明顯時(shí)間效應(yīng)，表現(xiàn)為早期增長(zhǎng)快，后期增長(zhǎng)慢。在一定的石灰摻量范圍內(nèi)(L=4%、6%、8%)，石灰土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著石灰摻量的增加而增加，且石灰摻量對(duì)于石灰土后期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)更大。石灰土的單軸破壞模式為脆性破壞。

(2)通過(guò)不固結(jié)不排水(UU)三軸剪切試驗(yàn)得到不同圍壓下石灰改良土的剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線，并通過(guò)繪制莫爾圓和強(qiáng)度包絡(luò)線得到對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。結(jié)果顯示，石灰土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)隨著干密度、齡期和石灰摻量的增加而增大，且黏聚力的變化較內(nèi)摩擦角更為明顯；圍壓越大，石灰土剪切強(qiáng)度越大，破壞應(yīng)變也越大；石灰土的三軸剪切破壞模式包含脆性破壞和塑性破壞兩種形態(tài)，干密度、齡期、石灰摻量越大，石灰土脆性破壞特征越明顯，圍壓越大，石灰土的塑性破壞特征越明顯。