石灰改良紅黏土的試驗研究

曾軍

(湖南金沙路橋建設有限公司，湖南 長沙 410100)

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石灰改良紅黏土的試驗研究

曾軍

(湖南金沙路橋建設有限公司，湖南 長沙 410100)

基于對高速鐵路路基變形的嚴格要求，路基填料的改良越來越成為一個重要問題。依托實際工程，通過室內試驗和理論分析，研究石灰改良紅黏土的擊實特性和無側限抗壓強度。試驗結果表明：石灰能夠有效的改良紅黏土的力學性能，隨著石灰摻量對的增大，改良土的最優含水率在增加，而最大干密度在逐漸減小；無側限抗壓強度隨著石灰摻量的變大先增大然后變小，存在一個“最優石灰摻量”。結果表明：8%的石灰摻入量是最佳配合比；隨著石灰摻量的增大，峰值強度對于的應變在8%達到最小值。隨著石灰摻量的增大，脆性指數IB越來越小，試樣表現為脆性破壞，其延展性變差。

石灰；紅黏土；無側限抗壓強度；最優石灰摻量；脆性指數

在對高速公路和鐵路要求越來越高的今天，于填筑路基而言，往往需要采取一些相應的加固措施。現階段路基處理的方法有：夯實法、換土法、保濕法、化學改良法、生物改良法及物理改良法。其中化學改良法常采用在土體中摻入石灰、粉煤灰、水泥等無機結合料來提高土體的強度，降低土體的壓縮下和改善土體的變形特性。這種混合土以其穩定性好、抗凍性強、結構體本身自成板塊等特點，在工程中應用特別廣泛。在我國，石灰穩定土壤可以追溯到商朝，此后石灰常被用作處理城墻、寺廟的地基。近10年來，由于石灰的處理路基的效果明顯，能夠有效改善土體的工作性能，經濟有效，從而相應的研究也較為深入，目前研究主要集中在以下幾個區域：壓實度、最佳摻入比、最優含水率、養護時間和條件、土體的類型等。阮波等[1]通過試驗研究全風化泥質粉砂巖的物理力學性質、探討了對石灰改良土的液塑限的變化、擊實特性、水穩定性以及無側限抗壓強度的主要影響因素，提出了石灰摻入的最佳摻入比。陳寶等[2]對不同摻灰量的改良土進行了擊實實驗、液塑限和三軸剪切實驗，重點分析了隨著石灰的增加，石灰改良土的有效粘聚力先增加后減少，而有效內摩擦角一直在增大。查普生等[3]研究石灰-粉煤灰改良膨脹土的機理，分析其對膨脹率、膨脹量、膨脹力和線縮性減小趨勢的影響。陳濤等[4]通過對比研究了石灰、水泥和粉煤灰三種改良劑對于同一種膨脹土的試驗研究，確定了中、高膨脹土最佳石灰摻入比為6%。周葆春等[5]選用Duncan模型描述膨脹土破壞前表現的壓硬性、剪縮性與應變強化特性，標定了相應的模型參數，通過數值模擬與平行試驗對比了模型的可靠性與適用性。本試驗結合實際工程，通過試驗研究代表性的紅黏土在不同石灰摻量情況下的擊實狀況和無側限抗壓強度的變化趨勢，以期對高速鐵路的設計和施工提高參考。

1　試驗研究

1.1試驗材料

試驗所用土取自某高速公路的紅黏土，其物理力學指標如表1所示。石灰為深圳的市長隆科技有限公司生產的清源牌石灰，其化學性質見表2。

表1　紅黏土的物理力學性質

表2　石灰的物理力學性質

1.2試驗方案

采用石灰摻入比分別為0%，4%，6%，8%和10%進行試驗，試驗嚴格按照《鐵路工程土工試驗規程》(TB10102—2010)[6]進行。由于本試驗針對的是對路基填筑要求很高的高速鐵路，所以采用重型擊實標準對紅黏土進行擊實試驗。然后選擇石灰在不同摻入比下的最優含水量和最佳干密度進行配比進行無側限抗壓強度試驗，每組試樣制備6個，取其平均值作為最終強度，同時算出標準差，試驗允許標準差為10%，超出則重新進行制樣。

1.3試樣制備

1.3.1擊實試驗

取代表性的紅黏土通過5mm篩。前一天，按烘干法測定土的風干含水率，配制6份試樣，每份試樣先按比例加好石灰，按預定的不同的含水率，依次相差1%-2%,其中各有兩份小于最優含水率和大于最優含水率，將混合料與水按所設計的比例充分攪拌。分三次擊實，每次擊94下，測定其含水率。

1.3.2無側限抗壓強度試驗

選取代表性的土樣風干、碾碎、過2mm篩，壓實度為0.94，試樣尺寸為直徑50mm和高度50mm的圓柱體。按照擊實試驗的最優含水率計算出所需水的質量，稱量水、土和石灰等材料的質量，并拌合均勻。混合料分2層擊實，上下層適當刮毛，以增大上下層之間土樣摩擦咬合作用。脫膜標號后放入保濕缸內套上保鮮袋內進行養護7d，如圖1所示。

圖1　試樣的養護Fig.1 Maintenance of sample

2　試驗結果及分析

2.1擊實試驗

在相同的落錘和擊數條件下，表3反應了在不同石灰摻量情況下的改良土的擊實試驗結果，圖1為擊實特性與石灰摻量的關系曲線。

表3　不同石灰摻量下改良土的擊實試驗

圖2　不同石灰摻量下改良土的擊實曲線Fig.2 Compaction curves of lime-stabilized soil

從圖中可以發現：隨著石灰參量的增加，石灰土的最大干密度在逐漸降低，而最優含水率在逐漸增大。這是因為石灰的相對體積質量比紅黏土的相對體積小，在沒有養護時存在一定程度的膠結作用，形成新的膠結物質，改變了石灰土的壓實性能，所以最大干密度在降低；同時由于土顆粒和石灰之間的的離子交換作用，導致土顆粒周圍的雙電子層密度與厚度發生改變，石灰與水還會發生化學反應，消耗了其中一部分水，所以最優含水率量在一直增大。

2.2無側限抗壓強度試驗

2.2.1試驗結果

無側限抗壓強度試驗側限抗壓采用WDW-50型微機控制電子萬能試驗機，試驗過程中應變速率控制在10mm/min，記錄每個試樣破壞時的最大壓力，最后換算成無側限抗壓強度。不同石灰摻量的改良紅黏土7d齡期的試驗結果如表4所示。

表4　試驗結果

由表4可以看出，經過石灰改良的紅黏土的無側限抗壓強度較未改良的紅黏土的明顯提高很多。在壓實度為0.94的情況下，在石灰摻量較低時，石灰改良紅黏土隨著石灰摻量的增大而增大，在摻入比達到8%時達到最大；而后強度隨著石灰摻量的增大而減小，這說明石灰改良紅黏土存在一個最優的摻量。這是因為當石灰較低時，石灰與土中大量存在的Si、Al或者與二者同時作用，形成強度較高和粘結性較強的膠結物質，這種物質對于土體整體強度的提高具有很大作用。但是當石灰超過一定的摻量以后，過多的石灰將沉積在土中的空隙中而不參加反應，導致石灰在土體中存在潛在的滑動帶，其石灰本身沒有什么黏聚力，從而影響強度。從而在本次試驗中，8%的石灰摻量是“最優石灰摻量”。在實際工程中，石灰改良紅黏土的無側限抗壓強度存在一個峰值點，過多或者過少的摻入石灰均不利用工程的實用性和經濟性。

2.2.2石灰摻入量對改良土強度特性的影響

從表5、圖3和圖4中可以發現隨著石灰摻量的增加，殘余強度也是先增大而后減小的趨勢，但峰值強度對應的應變卻是先減小而后增大，最低點是在石灰摻量為8%時，也就是前文提到的“最優石灰摻量”。 試樣在不同石灰摻量的條件下，脆性指數較峰值強度對應的應變而言更能反映延展性。脆性指數<1，取值變小時說明試樣表現為脆性破壞。從圖4看到，隨著石灰摻量的增大，IB越來越小，試樣越來越表現為脆性破壞。

表5　改良土的強度特性

圖3　峰值強度對應的應變曲線Fig.3 Corresponding of strain curve peak intensity

圖4　脆性指數變化曲線Fig.4 Change curve of brittleness index

2.2.3石灰摻入量對改良土的應力-應變關系的影響

應力-應變關系反應了試樣在受到荷載作用后，改良紅黏土試樣內部各部分之間產生的相互力的作用，以及由此產生的相應的變形。圖5和圖6反映了未加入石灰的紅黏土和加入石灰后的改良紅黏土的應力-應變關系。

由于加入石灰的改良土的曲線大致相同，所以選取具有代表性的石灰摻量為6%的改良土。從上圖中對比發現：加入石灰和未加入石灰的紅黏土的應力-應變關系曲線是明顯不同。加入石灰的紅黏土在應變為4.5時達到峰值強度，而且在上升階段具有明顯的直線段；達到峰值強度后，隨著應變的繼續增加，其強度下降也十分迅速，最后隨著應變的增加而應力保持不變，具有一定的殘余強度，其抗壓試驗變化過程類似于混凝土抗壓強度試驗。破壞后的試樣大部分呈兩個倒三角錐形式。未加石灰的紅黏土強度上升較慢，達到峰值強度后期強度為立刻下降，而是存在一個緩沖期。隨著應變的持續增加，強度最后緩慢將至穩定值，而且其殘余強度除以峰值強度的比例遠遠大于改良土的，其延展性要好很多，破壞時存在顯著的剪切面。

圖5　素紅黏土的應力-應變曲線Fig.5 Curves of stress versus strain of soil

圖6　加入6%石灰的改良土的應力-應變曲線Fig.6 Curves of stress versus strain of lime-stabilizedsoil

3　結論

1)石灰能夠改善紅黏土的力學性能，紅黏土隨著石灰摻量的增加，其最優含水率在增加，而最大干密度在逐漸減小。

2)石灰改良紅黏土存在一個最佳的配合比，超過這個摻量后無側限抗壓強度反而下降。根據試驗結果分析，筆者認為石灰摻量為8%比較合適。

3)隨著石灰摻量的增大，峰值強度對于的應變在8%達到最小值。脆性指數IB越來越小，試樣表現為脆性破壞，其延展性變差。

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Experimental study on improvement of red clay with lime

ZENGJun

(Hunan, Jinshaluqiao Construction Co. Ltd, Changsha 410100，China)

Thecharacteristicsofimprovedsoilplayanimportantroleforhigh-speedrailwaybecauseofthestrictrequirementsoftheembankment.Relyingontheactualrailwayproject,aseriesofsamplesofredclaywerepreparedandsubjectedtothecompactiontestandunconfinedcompressivestrength(UCS)testinthisstudy.Theresultsindicatethatlimecanimprovethemechanicalpropertiesofredclayeffectively.Asthelimecontentincreases,theoptimumwatercontentincreases,however,themaximumdrydensitydecreases.TheUCSincreasesbeforelimecontentof8%andafterthelimecontentof8%.TheUCSislargestwhenthelimecontentisclosetothe“optimallimecontent”.Meanwhile,peakintensityforstrainbecomestheminimumwhenthelimecontentis8%.Asthelimecontentincreases,brittlenessindexbecomesdecreasing,andthefailuremodechangesfromplastictobrittle.Theresultsoflimestabilizedsoilassubgradefillingmaterialcanbeusedasreferenceforothersimilarengineeringapplications.

lime;redclay;UCS;theoptimaldosageoflime;brittlenessindex

2015-09-11

曾軍(1980-)，男，湖南岳陽人，從事巖土工程方面的研究；E-mail:1527938446@qq.com

TU411

A

1672-7029(2016)07-1289-05