石灰改良路基填料的力學(xué)特性研究

中圖分類號(hào)：U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.010

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0036-04

0 引言

我國(guó)公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是國(guó)家實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要支柱，新建公路周邊地區(qū)缺乏優(yōu)質(zhì)填料，沿線多分布高液限土，具有抗壓強(qiáng)度低、路用性能差的特點(diǎn)。若將線路周邊高液限土改良后用作路基填料，既可擴(kuò)大路基填料選用范圍，還能緩解廣西地區(qū)優(yōu)質(zhì)填料缺乏的困境。

目前多采用石灰、水泥等膠結(jié)材料對(duì)路基填料進(jìn)行改良。項(xiàng)國(guó)圣、韓、劉濤、龔錦林等1-4研究了石灰對(duì)高液限黏土變形特性的影響，結(jié)果表明石灰改良可以有效限制土體的膨脹，主要原因是石灰水化使得土體中的蒙脫石被溶蝕，使改良填料不具膨脹性；鄭德平、崔晏寧、陳、劉維正等[5-8]對(duì)石灰改良路基沉降變形規(guī)律的研究表明在路基填料中摻入石灰可以有效提高路基填料的強(qiáng)度及抗變形能力，有效提高路基填料的水穩(wěn)定性，且隨著石灰摻量的增加，路基沉降變形逐漸減小，石灰改良路基填料的改良劑摻入比與被改良土體的礦物組成、含水率及養(yǎng)護(hù)溫度有關(guān)；寧哲思、楊杰、張曉東9-11研究了石灰改良路基的服役性能，結(jié)果表明石灰改良路基的工后沉降更小，發(fā)生翻漿冒泥及不均勻沉降的病害次數(shù)顯著小于未改良路基。但目前關(guān)于石灰改良廣西地區(qū)高液限填料的研究相對(duì)較少，對(duì)石灰改良路基沉降變形特性的研究鮮有報(bào)道。

基于此，本文通過(guò)三軸試驗(yàn)明確石灰摻量對(duì)改良填料力學(xué)特性的影響規(guī)律，采用數(shù)值仿真計(jì)算方法及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)明確不同含水率、不同石灰摻量路基的沉降變形特性。研究結(jié)果可為石灰改良路基的設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 研究方案

1.1 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)所用土體為廣西地區(qū)某高速公路的路基填料，取回后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的自然風(fēng)干，將風(fēng)干后的土體用于試驗(yàn)研究。采用擊實(shí)試驗(yàn)明確試驗(yàn)用土的擊實(shí)特性，擊實(shí)曲線如圖1所示，由圖1可知：試驗(yàn)用土的最大干密度為 ，最優(yōu)含水率為 18.2% 。采用篩分試驗(yàn)明確試驗(yàn)用土的級(jí)配曲線，級(jí)配曲線如圖2所示，由圖可知：試驗(yàn)用土的最大粒徑為 22m m ，不均勻系數(shù)為6，曲率系數(shù)為1.5，表明試驗(yàn)用土為級(jí)配良好且粒徑分布均勻的土。此外，試驗(yàn)用土的液限為 53.5% ，塑限為 22.3% ，屬于高液限黏土，顆粒比重為2.63。

采用石灰改良法對(duì)試驗(yàn)用土進(jìn)行改良，石灰改良土的塑性變化如圖3所示，未改良路基填料為高液限黏土，石灰改良后轉(zhuǎn)變?yōu)榈鸵合薹弁痢?/p>

將試驗(yàn)所用路基填料及石灰烘干后采用攪拌機(jī)拌和均勻，而后加入一定量的蒸餾水制成自標(biāo)含水率的土樣，燜料熟化1d后采用靜壓法制備試樣。靜壓加載速率為 。試樣制備完成后包裹塑料膜放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

為明確石灰摻量對(duì)路基填料強(qiáng)度特性的影響規(guī)律，對(duì)不同石灰摻量的改良路基填料進(jìn)行三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)方案如表1所示。

1.2數(shù)值仿真研究

為明確石灰改良對(duì)路基沉降變形特性的影響規(guī)律，采用PLAXIS3D軟件建立計(jì)算模型進(jìn)行研究，所建立的數(shù)值仿真計(jì)算模型如圖4所示，計(jì)算模型主要由上路床、下路床、上路堤、下路堤及基巖組成，各結(jié)構(gòu)層計(jì)算參數(shù)選取如表2所示。計(jì)算模型中地基的邊界條件為固定邊界，但路基結(jié)構(gòu)可以充許發(fā)生豎直和水平方向的位移，計(jì)算所用的強(qiáng)度準(zhǔn)則為摩爾一庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。

為明確石灰摻量及填料含水率改良對(duì)路基沉降變形特性的影響規(guī)律，對(duì)不同含水率及不同石灰摻量的改良路基變形規(guī)律進(jìn)行分析，以明確石灰改良對(duì)路基沉降變形規(guī)律的影響。見(jiàn)表3。

1.3工后沉降監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

為明確石灰改良對(duì)路基變形特性的影響規(guī)律，對(duì)石灰改良路基及未改良路基的工后沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以明確石灰改良對(duì)路基沉降變形的影響規(guī)律。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同摻量石灰改良路基填料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。由圖5可知：未改良路基填料在飽和狀態(tài)下應(yīng)力一應(yīng)變曲線呈硬化型，試樣在軸向受壓過(guò)程中逐漸產(chǎn)生側(cè)向鼓脹，破壞模式為延性破壞。但石灰改良路基填料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線呈軟化型，試樣在達(dá)到峰值應(yīng)力后產(chǎn)生貫通裂縫，破壞模式為脆性破壞。

不同摻量石灰改良路基的摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度線如圖6所示。由圖6可知：石灰改良試樣的峰值抗壓強(qiáng)度可以采用摩爾一庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行表征，且石灰改良試樣的峰值強(qiáng)度顯著高于未改良試樣的峰值強(qiáng)度。隨著石灰摻量的增加，石灰改良填料的峰值強(qiáng)度顯著增大，石灰摻量從 6% 增加至 9% 時(shí)，石灰改良試樣的峰值強(qiáng)度增加最顯著，當(dāng)石灰摻量繼續(xù)增加至 12% 時(shí)，改良試樣的峰值強(qiáng)度增加不顯著。

黏聚力隨石灰摻量的變化如圖7所示。由圖7可知：石灰改良可以有效提高路基填料的黏聚力，即便只摻入 3% 石灰對(duì)路基填料進(jìn)行改良，黏聚力就達(dá)到了未改良填料的2.5倍以上，且隨著石灰摻量的增加，石灰改良填料的黏聚力呈線性增大趨勢(shì)。這主要是由于摻入石灰越多，石灰水化生成的膠結(jié)產(chǎn)物越多，相鄰?fù)令w粒被膠結(jié)得越緊密，故石灰摻量越高，改良填料的黏聚力越高。

內(nèi)摩擦角隨石灰摻量的變化如圖8所示。由圖8可知：摻入石灰后路基填料的內(nèi)摩擦角提高了 68% 以上。摻入石灰可以有效提高路基填料的內(nèi)摩擦角，主要原因在于未改良路基填料具有顯著的水敏感性，路基填料遇水后土顆粒之間的咬合和摩擦顯著減弱，強(qiáng)度急劇下降；但摻入石灰改良后，石灰改良填料具有較好的水穩(wěn)定性，土顆粒之間的咬合和摩擦并不會(huì)顯著減弱，加之石灰水化生成膠結(jié)產(chǎn)物膠結(jié)相鄰?fù)令w粒，故石灰改良填料的內(nèi)摩擦角顯著增大。

不同初始含水率狀態(tài)對(duì)改良路基沉降規(guī)律的影響如圖10所示。由圖10可知：路基中心處的沉降變形要高于路肩處的沉降變形，且隨著路基初始含水率 w 的增加，沿路基橫斷面各處的沉降位移都在增加。主要原因是初始含水率增加導(dǎo)致填料的彈性模量、峰值強(qiáng)度等逐漸減小，抗變形能力逐漸減弱，故隨著初始含水率增加，路基沉降變形逐漸增大。此外，當(dāng)路基初始含水率處于干側(cè)狀態(tài)時(shí)（初始含水率小于最優(yōu)初始含水率），隨著初始含水率增加，路基沉降增加并不顯著；但路基初始含水率處于濕側(cè)狀態(tài)時(shí)（初始含水率大于最優(yōu)初始含水率），隨著初始含水率增加，路基沉降變形顯著增大，故填筑路基時(shí)改良填料的初始含水率應(yīng)小于最優(yōu)初始含水率。

3數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果與分析

不同石灰摻量的改良路基沉降變形演化規(guī)律如圖9所示。由圖9可知：摻入石灰可以有效減少路基的沉降變形，當(dāng)石灰摻量從 3% 增加至 6% 時(shí)，沉降減小了 ，但石灰摻量從 9% 增加至 12% 時(shí)，路基沉降僅減小了 0.6m m ，故石灰對(duì)路基沉降變形的抑制作用隨摻量增大而逐漸減小。

因路基填料中摻入 9% 石灰可以有效提高填料的強(qiáng)度及抗變形能力，有效減弱路基沉降變形發(fā)展，故以 9% 石灰改良為例，明確初始含水率對(duì)石灰改良路基沉降變形的影響。

4 工后沉降發(fā)展規(guī)律與分析

未改良路基與石灰改良路基的沉降變形發(fā)展規(guī)律如圖11所示。由圖11可知：靜置半年后，未改良路基的沉降達(dá)到 44m m ，而石灰改良土路基的沉降僅為 經(jīng)石灰改良后，路基沉降變形減小了 25% 。此外，當(dāng)施工結(jié)束后，石灰改良路基在第180d后就進(jìn)入了變形穩(wěn)定階段（沉降變形速率 ，而未改良路基在第260d時(shí)才進(jìn)入變形穩(wěn)定階段，故石灰改良路基沉降變形更早趨于穩(wěn)定。

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)三軸試驗(yàn)、數(shù)值仿真計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，明確了石灰改良對(duì)路基填料強(qiáng)度及路基沉降變形特性的影響規(guī)律，主要得到了以下結(jié)論：

（1）未改良路基填料在飽和狀態(tài)下應(yīng)力一應(yīng)變表現(xiàn) 為硬化型，破壞模式為延性破壞；而石灰改良路基填料應(yīng) 力一應(yīng)變則表現(xiàn)為軟化型，破壞模式為脆性破壞。

（2）石灰改良路基填料的黏聚力達(dá)到未改良填料的2.5倍以上，內(nèi)摩擦角提高了 68% 以上，主要是因?yàn)槭宜闪四z結(jié)產(chǎn)物，增強(qiáng)了土顆粒之間的聯(lián)結(jié)。

（3）石灰改良路基沉降變形隨著初始含水率的增加而增大，當(dāng)初始含水率小于最優(yōu)含水率時(shí)，路基沉降變形發(fā)展并不顯著，當(dāng)初始含水率超過(guò)最優(yōu)含水率時(shí)，路基沉降變形顯著增大，故填筑路基時(shí)路基填料的含水率應(yīng)小于最優(yōu)含水率。

（4）路基填料中摻入 9% 石灰可以有效提高填料強(qiáng)度，改良路基沉降變形量較未改良路基減小 25% ，且石灰改良路基沉降更早趨于穩(wěn)定，故可采用 9% 石灰對(duì)路基填料進(jìn)行改良后填筑路基。

參考文獻(xiàn)

[1]項(xiàng)國(guó)圣，葛磊，謝勝華，等.鋼渣和石灰改良膨脹土的工程特性研

究[J]安徽建筑大學(xué)學(xué)報(bào) 2023，31（1）：30-34.

[2]韓贊，宋正民，穆彥虎，等.石灰改良膨脹土的力學(xué)特性受養(yǎng)生周期的影響試驗(yàn)研究J建筑結(jié)構(gòu) 2022，52（Ω）：2194-2201

[3]劉濤.石灰改良膨脹土填料力學(xué)特性及施工含水率研究[J]合成材料老化與應(yīng)用，2022，51（6）：93-95

[4]龔錦林，柳厚祥，王真.石灰改良膨脹土壓縮特性及力學(xué)特性研究[J].交通科學(xué)與工程，2022，38（4）：35-40

[5]鄭德平.高液限黏土工程特性及改良試驗(yàn)研究[J].路基工程，2022（1）：66-71.

[6]崔晏寧.過(guò)濕冰水堆積土路基填料改良方案比選與驗(yàn)證[J].路基工程，2022（5）：167-171.

[7陳，張?zhí)毂耄w旭東，等.浸水環(huán)境下石灰改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究LJ」.建材技術(shù)與應(yīng)用，2023（5）：31-34.

[8]劉維正，徐陽(yáng)，蔡雨，等.濕化作用下重載鐵路改良膨脹土動(dòng)力響應(yīng)與累積變形試驗(yàn)研究LJ」.鐵道學(xué)報(bào)，2023，45（2）：127-138

[9]寧哲思.道路路基病害體成因及修復(fù)探討[J].上海公路，2024（2）：30-34.

[10]楊杰.公路路基沉陷病害分類及處治對(duì)策分析[J].交通世界，2024（13）：82-84.

[11]張曉東.公路路基路面病害成因及治理措施[J].交通科技與管理，2024，5（2）：132-134.