干密度對(duì)石灰改良黃土滲透性及強(qiáng)度的影響研究

張 超

（甘肅省疏勒河流域水資源利用中心，甘肅 酒泉 735211）

0 引言

黃土在我國分布廣泛且具有膠結(jié)性弱、水敏性強(qiáng)和欠壓密等不良工程性質(zhì)[1]，遇水后其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，強(qiáng)度顯著降低，易引起地基沉陷、邊坡失穩(wěn)和建筑物開裂等問題，嚴(yán)重影響渠道、公路等工程構(gòu)筑物的使用安全的使用壽命。為了提高黃土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，通常采用水泥、粉煤灰和石灰等材料對(duì)其進(jìn)行改良。楊忠誠等[2]設(shè)計(jì)了不同配合比條件下改良黃土的物理力學(xué)試驗(yàn)，分析了水泥摻量與養(yǎng)護(hù)齡期等對(duì)改良黃土的壓縮系數(shù)、壓縮模量及強(qiáng)度的影響規(guī)律。鐘秀梅等[3]在不同干濕循環(huán)周期條件下開展改良黃土的動(dòng)三軸試驗(yàn)，分析了粉煤灰改良黃土的動(dòng)殘余變形和動(dòng)強(qiáng)度演化規(guī)律，提出了粉煤灰改良黃土的最優(yōu)配比。李萍等[4]研究發(fā)現(xiàn)，摻入石灰后，黃土的CBR 值對(duì)水的敏感性顯著減小。夏瓊等[5]依托于蘭新鐵路蘭武復(fù)線工程，通過改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了石灰、粉煤灰和水泥改良黃土的強(qiáng)度特性與水穩(wěn)性。李志清等[6]研究了石灰粉煤灰改良黃土的抗剪強(qiáng)度及崩解特性，并提出了黃土改良的最佳方案。梁志超等[7]針對(duì)非飽和黃土的增濕變形問題，進(jìn)行了石灰改良黃土的壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明干密度對(duì)石灰改良黃土的變形特征影響較大且石灰可有效地消除黃土的濕陷性。王翰越和蔣應(yīng)軍[8]通過凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究了石灰改良黃土路基填料的抗凍性能并提出了改良黃土合理的石灰摻量。周建基等[9]在飽和、非飽和2 種狀態(tài)下進(jìn)行了石灰改良黃土的固結(jié)試驗(yàn)，分析了石灰摻量對(duì)改良黃土的壓縮性能的影響。

以上成果為黃土改良的理論研究與工程應(yīng)用奠定了較好的基礎(chǔ)。文章以渠基黃土為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)不同干密度和石灰摻量條件下改良黃土的滲透試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究干密度和石灰摻量對(duì)黃土滲透性和強(qiáng)度的影響規(guī)律，以期為實(shí)際工程提供一定參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)所用黃土樣品取自某渠道綜合改造工程現(xiàn)場，取樣深度為0.5 m。土樣呈淺黃褐色，土質(zhì)均勻疏松，較為濕潤。根據(jù)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)[10]測試得到黃土的最大干密度和最優(yōu)含水率，擊實(shí)曲線如圖1 所示。采取液塑限聯(lián)合測定法測定土樣的液限、塑限，采用密度計(jì)法測試并統(tǒng)計(jì)土樣的顆粒粒徑分布情況如圖2 所示，得到土樣的基本物理指標(biāo)見表1。

表1 土樣基本物性指標(biāo)

圖1 土樣顆粒粒徑分布曲線

圖2 土樣擊實(shí)曲線

1.2 重塑黃土和石灰改良黃土的擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]將取回的土樣烘干、碾碎后過2 mm 篩，進(jìn)行重塑黃土和石灰改良黃土的擊實(shí)試驗(yàn)，研究石灰摻量對(duì)黃土擊實(shí)特性的影響。試驗(yàn)時(shí)設(shè)置石灰與黃土的質(zhì)量比分別為0%（重塑黃土）、3%、6%、9%、12%、15%，測試得到重塑黃土和石灰改良黃土的擊實(shí)曲線如圖3所示。

圖3 不同石灰摻量下土樣的擊實(shí)曲線圖

根據(jù)圖3 和圖4 可知，重塑黃土的最優(yōu)含水率為14.79%，最大干密度為1.82 g∕cm3。摻入石灰后，土樣的擊實(shí)曲線發(fā)生了明顯的變化。隨著石灰產(chǎn)摻量的增加，改良黃土的最大干密度逐漸減小，最優(yōu)含水率逐漸增加。當(dāng)石灰摻量從0%增加至15%時(shí)，黃土的干密度從1.82 g∕cm3減小至1.68 g∕cm3，減小了7.7%；最優(yōu)含水率從14.79%增大至19.29%，增大了30.4%。原因是石灰密度相比于黃土較小，摻入黃土后導(dǎo)致其干密度隨石灰摻量增加而減小。同時(shí)，石灰顆粒吸附水的能力強(qiáng)于黃土顆粒并吸水后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致改良黃土的最優(yōu)含水率隨石灰摻量增加而增大。另外，當(dāng)石灰摻量大于9%時(shí)，改良黃土的最優(yōu)含水率基本不再發(fā)生變化，這是因?yàn)槭覔搅窟^多時(shí)石灰與黃土的反應(yīng)不充分而導(dǎo)致的。

圖4 土樣擊實(shí)特性隨石灰摻量變化規(guī)律

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試樣制備

為了分別研究干密度和石灰摻量對(duì)改良黃土滲透性和強(qiáng)度的影響，采用TST-55 型滲透試驗(yàn)儀，開展重塑黃土和改良黃土的室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)；采用應(yīng)變控制式三軸儀進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速率為0.1 mm∕min。根據(jù)2.2 節(jié)中擊實(shí)試驗(yàn)得到的重塑黃土和改良黃土的擊實(shí)參數(shù)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案

根據(jù)表2 中設(shè)置的條件，制備不同工況的黃土試樣，開展?jié)B透試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。重塑黃土試樣制備時(shí)，設(shè)置含水率為14.79%，干密度為1.65g∕cm3，加水拌勻后將土樣裝入塑料袋并密封24 h后，制備不同試驗(yàn)所需的重塑黃土試樣。改良黃土試樣制備時(shí)，按照表2中設(shè)置含水率與石灰摻入比例，將石灰摻入黃土后拌勻，然后制備滲透試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所需試樣，試驗(yàn)前需將試樣養(yǎng)護(hù)14 d。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 石灰摻量及干密度對(duì)改良黃土滲透特性影響

為了研究石灰的摻量和干密度對(duì)改良黃土滲透性的影響，將土樣制成直徑61.8 mm，高40 mm 的圓柱形試樣，采用TST-55型滲透儀進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，得到滲透系數(shù)隨石灰的摻量和制樣干密度的變化曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 滲透系數(shù)隨石灰摻量的變化規(guī)律

圖6 滲透系數(shù)隨干密度的變化規(guī)律

由圖5可知，改良黃土的滲透系數(shù)隨石灰摻量的增加先增大后減小，但均小于重塑黃土（石灰摻量0%）的滲透系數(shù)，表明石灰對(duì)黃土滲透系數(shù)影響較大，能夠明顯改善黃土的滲透性。在干密度為1.65 g∕cm3的條件下，重塑黃土的滲透系數(shù)為13.16×10-7cm∕s，摻入石灰后改良黃土的滲透系數(shù)降低至5.54×10-7～8.15×10-7cm∕s。相比于重塑黃土，當(dāng)石灰摻入量分別為3%、6%、9%時(shí)，滲透系數(shù)分別降低了40.07%、56.84%、59.26%。分析其原因是，石灰比重及顆粒粒徑較小，摻入黃土后能夠充填黃土孔隙，減小滲水通道。同時(shí)，石灰遇水后反應(yīng)生成Ca（OH）2，隨后與空氣中的CO2發(fā)生碳酸化反應(yīng)，生成CaCO3膠結(jié)物[11]，填充土體孔隙并吸附于土顆粒表面，使得土體孔隙減小，膠結(jié)物將會(huì)不斷充填孔隙并有效地堵塞水分滲流通道，使得土體內(nèi)部孔隙的連通性降低，導(dǎo)致改良黃土滲透系數(shù)減小。石灰摻量繼續(xù)增加，改良黃土的滲透系數(shù)開始增大，石灰摻量為15%時(shí)改良黃土的滲透系數(shù)增加至7.15×10-7cm∕s，但仍小于重塑黃土的滲透系數(shù)。原因是，土體中水分含量有限，過量的石灰并不能完全發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致土體的黏結(jié)性變差，滲透系數(shù)有所增加。

圖6所示為石灰摻入量為6%時(shí)，改良黃土的滲透系數(shù)隨干密度的變化規(guī)律?？芍?，隨著干密度增大，改良黃土的滲透系數(shù)逐漸減小。當(dāng)干密度從1.48 g∕cm3增加至1.73 g∕cm3時(shí)，石灰摻量6%時(shí)滲透系數(shù)從41.2×10-7cm∕s 降低至3.52×10-7cm∕s，減小了91.46%。原因是，干密度增大時(shí)，改良黃土密實(shí)度明顯增加，土顆粒空間排列發(fā)生變化，土體結(jié)構(gòu)由疏松逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅埽紫堵手饾u減小，土中滲水通道減小，導(dǎo)致改良黃土的滲透系數(shù)隨干密度增大而顯著減小。同時(shí)，觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干密度從1.48 g∕cm3增加至1.78 g∕cm3時(shí)，改良黃土的滲透系數(shù)從41.2×10-7cm∕s 降低至12.8×10-7cm∕s，減小了28.4×10-7cm∕s；當(dāng)干密度從1.63 g∕cm3增加至1.73 g∕cm3時(shí)，其滲透系數(shù)從5.63×10-7cm∕s 降低至3.52×10-7cm∕s，減小了2.11×10-7cm∕s。表明干密度對(duì)改良黃土滲透性的影響主要集中在較低干密度范圍，尤其干密度從1.48 g∕cm3增加至1.53 g∕cm3時(shí)影響最顯著，當(dāng)干密度繼續(xù)增加時(shí)，滲透系數(shù)逐漸保持穩(wěn)定。原因是，在較低干密度范圍內(nèi)，改良黃土顆粒結(jié)構(gòu)排列較為疏松[12]，內(nèi)部孔隙連通性好，使得土體滲透系數(shù)較大。隨著干密度增大，土體受到壓實(shí)作用的影響愈顯著，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，土體中原有的孔隙和水分?jǐn)U散通道進(jìn)一步縮小，滲透系數(shù)變化幅度逐漸穩(wěn)定。

2.2 石灰摻量及干密度對(duì)改良黃土強(qiáng)度的影響規(guī)律

為了研究石灰摻量和制樣干密度對(duì)改良黃土強(qiáng)度特性的影響，根據(jù)表2中設(shè)置的條件，將土樣制成直徑31.9 mm，高80 mm 的圓柱形試樣，采用應(yīng)變控制式三軸儀進(jìn)行改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)控制加載速率為0.1 mm∕min。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到石灰摻量和干密度對(duì)改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律分別如圖7、圖8所示。

圖7 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰摻量變化圖

圖8 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干密度變化圖

由圖7可知，石灰摻量對(duì)改良黃土的輕度特性具有較為顯著的影響，隨著石灰摻量的增加，其強(qiáng)度明顯增大。重塑黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為169.53 kPa，石灰摻量為3%時(shí)增長至為533.21 kPa，增大了2.15倍。當(dāng)石灰摻量分別為9%、15%時(shí)，改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為836.29 kPa、925.34 kPa，相比于重塑黃土分別提高了3.93、4.46倍，表明摻入石灰可以顯著提高黃土的強(qiáng)度。原因是，重塑黃土試樣顆粒間的膠結(jié)程度較低，存在較多的大孔隙，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較小。石灰加入后，遇水后反應(yīng)生成Ca（OH）2，Ca（OH）2隨后解離，產(chǎn)生Ca+與土顆粒表面吸附的陽離子發(fā)生離子交換反應(yīng)，使得土顆粒表面原有的雙電層結(jié)構(gòu)變薄，土顆粒之間的間距減小。同時(shí)Ca（OH）2與空氣中的CO2反應(yīng)生成CaCO3膠結(jié)物，吸附于土顆粒之間，膠結(jié)土顆粒形成更穩(wěn)定的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，使得土體的宏觀強(qiáng)度不斷提高。隨著石灰摻量繼續(xù)增加，水化反應(yīng)、離子交換反應(yīng)以及膠凝反應(yīng)不斷進(jìn)行，膠結(jié)物持續(xù)膠結(jié)顆粒、填充土體孔隙，使得土體結(jié)構(gòu)越來越密實(shí)，有效地提高黃土強(qiáng)度。但是，土體中水分含量有限，石灰摻量過多時(shí)水化反應(yīng)、離子交換反應(yīng)以及膠凝反應(yīng)[11]等不能充分發(fā)生，使得改良黃土強(qiáng)度增幅逐漸減小，表現(xiàn)為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長率隨石灰產(chǎn)量的增加而逐漸減小。

土體結(jié)構(gòu)與其強(qiáng)度特性密切相關(guān)。由圖8可知，當(dāng)石灰摻量一定時(shí)，改良黃土的無側(cè)向抗壓強(qiáng)度隨其干密度的增加呈線性增長趨勢。石灰摻量為6%，改良黃土的干密度為1.48 g∕cm3時(shí)，干密度增加至1.53 g∕cm3時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大了45.8%，達(dá)到470.60 kPa；當(dāng)干密度為1.63 g∕cm3、1.73 g∕cm3時(shí)，改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為649.65 kPa、971.81 kPa，分別提高了101.34%、198.69%，表明干密度對(duì)改良黃土強(qiáng)度的影響顯著。分析其原因是，一方面，石灰摻入后與黃土發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生膠結(jié)物，進(jìn)一步黏結(jié)土體顆粒的同時(shí)填充土體孔隙，土體結(jié)構(gòu)變得更加致密使得改良黃土強(qiáng)度不斷增大；另一方面，與干密度對(duì)滲透系數(shù)的影響類似，干密度較小時(shí)，土體結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率較大，當(dāng)干密度逐漸增大時(shí)，其壓實(shí)度顯著提高。隨著擊實(shí)作用的加強(qiáng)，干密度逐漸增大導(dǎo)致土體內(nèi)部顆粒間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，土顆粒重新排列，土體內(nèi)部孔隙在擊實(shí)作用的影響下逐漸被壓縮，土體骨架被進(jìn)一步壓實(shí)，其結(jié)構(gòu)密實(shí)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了較大程度的提升，改良黃土抗變形及抵抗破壞的能力大幅增強(qiáng)，表現(xiàn)為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增大。

3 結(jié)論

在不同石灰摻量和干密度條件下開展石灰改良黃土的滲透試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分別研究了2種因素對(duì)改良黃土的強(qiáng)度及滲透性的影響效果，基于試驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論：

（1）摻入石灰后，黃土的擊實(shí)特性發(fā)生了明顯變化。隨著石灰產(chǎn)摻量的增加，改良黃土的最大干密度逐漸減小，最優(yōu)含水率逐漸增加。當(dāng)石灰摻量從0%增加至15%時(shí)，黃土的最大干密度減小7.7%了，最優(yōu)含水率增大了30.4%。

（2）石灰摻入后能夠顯著提高黃土的強(qiáng)度，改善其滲透性。隨著石灰摻量的增加，改良黃土的強(qiáng)度明顯增大，滲透系數(shù)先增大后減小且均小于重塑黃土的滲透系數(shù)。干密度一定時(shí)，相比于重塑黃土，改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了2.15～4.46倍，滲透系數(shù)降低了40.07%～59.26%。

（3）干密度與改良黃土的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。當(dāng)石灰摻量一定時(shí)，隨著改良黃土的干密度逐漸增大，改良黃土密實(shí)度明顯增加，無側(cè)向抗壓強(qiáng)度增加呈線性增長趨勢，但滲透系數(shù)逐漸減小。同時(shí)，干密度對(duì)改良黃土滲透性的影響主要集中在較低干密度范圍，尤其干密度從1.48 g·cm-3增加至1.53 g·cm-3時(shí)影響最顯著。