石灰改良高液土工程特性試驗研究

楊　戈，林　盛

（1.上海同科交通科技有限公司，上海市 2000092；2.同濟大學機場工程研究中心，上海市 200092；3.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海市　201804）

石灰改良高液土工程特性試驗研究

楊戈1，2，林盛3

（1.上海同科交通科技有限公司，上海市 2000092；2.同濟大學機場工程研究中心，上海市 200092；3.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海市201804）

現有針對高液限土摻灰改良工程特性的研究中，土樣制備大多采用干法，而不考慮濕法。展開室內試驗，通過控制不同石灰劑量和制樣方式，從界限含水率、擊實性能和CBR強度三個方面評價高液限土摻灰改良后工程特性。結果表明，相同石灰摻量下，濕化制樣得到的壓實最佳含水率遠大于干法制樣得到的結果。制樣方式對試驗結果有重要影響，建議在高液限土的相關試驗研究中采用濕法制樣。

高液限土；石灰改良；工程特性；濕法制樣

0　引言

高液限土在我國分布廣泛，尤其是在南方地區。高液限土具有高液限、高含水率、高細粒含量、不易壓實、水穩性差等特性。將其直接用于路基填料，極易引起路基病害頻發，如邊坡溜塌、路床翻漿、路基沉陷等，進而引起路面結構破壞，降低道路整體服務性能［1］。因此，現行路基設計規范［2］和路基施工規范［3］均對該類土的使用做了較嚴格的規定，要求高液限土不能直接用作路基填料，必須廢棄或經改良后方可使用。然而，很多高等級公路在修建過程中，難以避免的會穿越高液限土地區。如果簡單的把該類土體作棄方處理，不僅會帶來路基填料不足，破壞周邊生態環境，長距運土也會增加工程費用。通常的做法是對不滿足要求的高液限土進行處治。

石灰處治高液限土是行之有效的措施之一，國內已有不少科研人員對此進行了有益探索。此前的研究主要是通過室內試驗，研究石灰摻加對高液限土物理力學特性、路用性能等的影響［1］［4-7］，或通過現場修筑試驗段，并長期監測石灰改良高液限土路基的長期性能［8］［9］，以此來評價采用石灰處治高液限土的適用性，明確石灰處理機理［5］，確定最佳的石灰摻量及最優施工工藝等［8］。

但是，現有研究中，高液限土樣的制備大多是采用干法。值得注意的是，干法制樣下，土體經歷了“濕→干→濕”的過程，而實際施工過程中，土體濕度變化是“濕→干”的過程。對于一般路基填料，制樣方法不會帶來太大差異，但高液限土具有上述“三高”特性，制樣過程中的濕化路徑是否會對其工程特性造成影響，目前研究不多。本文擬通過室內試驗和理論分析，采用干法和濕法兩種制樣方式，主要從擊實性能和CBR強度兩個角度研究制樣方式對石灰改良高液限土工程特性的影響。

1　界限含水率試驗研究

為掌握不同石灰摻量對花崗巖殘積土界限含水率的變化情況，展開相應的試驗研究。試驗方法參照規范［10］中的液塑和塑限聯合測定法（T 0118-2007）。本文試驗土樣均取自江西某在建高速公路，系典型高液限花崗巖殘積土，以下不再贅述。土樣基本物性參數見表1，土體顆粒級配分布見圖1。石灰摻量分別取0%、2%、4%、6%和8%（占干土的質量百分比），拌合均勻，悶料24 h。試驗結果見圖2。

表1　花崗巖殘積土基本物性參數

圖1　顆粒級配曲線

圖2　界限含水率隨石灰摻量的變化關系

由圖2可知，摻加石灰后，花崗巖殘積土的液塑限均發生了變化。隨著石灰摻量從0%增加到8%，液限從64.8%下降至56%，下降幅度達8.8%，但仍高于50%。塑性指數并不隨石灰摻量的增加而單調變化：當石灰摻量在0%～6%時，塑性指數隨著摻量的增加而減小，由32.2%降至22.8%；當石灰摻量超過6%后，塑性指數反而有所增大。柳厚詳在其研究中也發現上述類似規律［1］。從石灰摻量對高液限土界限含水率的影響來看，6%摻量是一個轉折點。

2　擊實性能試驗研究

高液限土一般具有較高天然含水率，和較好的持水性，施工中很難通過晾曬達到最佳壓實含水率。此外，我國南部省份位于潮濕多雨的亞熱帶季風氣候，降雨集中連續，特定的自然環境也增加了控制壓實含水率的難度。為提高壓實質量，保證路基結構的長期使用性能，在路床及鄰近層位必須采取改良方案。通過室內擊實試驗，分析摻加石灰對高液限土擊實性能的改良效果，比較干法、濕法制樣對試驗結果的影響。

2.1試驗變量設置

試驗方法參照規范［10］中的重型小筒擊實法（T 0131-2007）。試驗土樣制備過程中，采用干法和濕法兩種不同方式。干法制樣，是將土樣風干后，再添加達到目標含水率所需的水分，摻加預訂石灰劑量，拌勻后悶料一夜備用。濕法制樣，是將高自然含水率下的土樣，風干至目標含水率，摻加預訂石灰劑量，拌勻悶料一夜備用。顯而易見，干法制樣下，土體經歷了“濕→干→濕”的變化過程，而濕法制樣下，土體只經歷“濕→干”的階段。實際操作中，為提高試驗效率，采用烘箱低溫風干，設置溫度不超過45℃。石灰摻量分別控制在0%、4%和6%。2.2試驗結果分析

試驗結果見圖3～圖5，除特別說明外，本文石灰土的含水率均指摻入石灰前素土的實測含水率。

圖3　不同劑量石灰土擊實曲線（干法）

圖4　不同劑量石灰土擊實曲線（濕法）

圖5　石灰土ωopt和dmax隨石灰摻量變化圖

（1）制樣方法對干密度的影響

觀察圖 3、圖 4可知，相同制樣方法下，擊實曲線都隨石灰摻量的增加而逐漸向圖形右下方偏移。結合圖5發現，隨著石灰摻量的增加，石灰土最大干密度顯著減小，該規律與其他文獻中提及的研究結果相似［5，6］。

干法制樣下，石灰土最大干密度從0%摻灰量對應的1.672 g/cm3，降至6%摻灰量對應的1.614 g/cm3；濕法制樣下，石灰土最大干密度從0%摻灰量對應的1.660 g/cm3，降至6%摻灰量對應的1.636 g/cm3。而且，當石灰劑量不超過4%時，濕法制樣得到的石灰土最大干密度略小于干法制樣得到的石灰土；當石灰劑量超過4%時，干法制樣石灰土的最大干密度隨石灰摻量的增加而減小，而濕法制樣得到的石灰土最大干秘密基本保持不變。

從濕法制樣的擊實試驗結果看，石灰摻量超過4%后，繼續增加石灰摻量并不能有效提高石灰土干密度。因此，單從該角度考慮，建議石灰摻量選用4%。

（2）制樣方法對含水率的影響

最佳含水率變化與最大干密度呈現相反趨勢，見圖5。就干法而言，石灰土的最佳含水率從0%石灰摻量下的19.2%，增至6%石灰摻量下的21.4%；就濕法而言，石灰土的最佳含水率從0%石灰摻量下的21.4%，增至6%石灰摻量下的25.3%，而且當石灰摻量超過4%時，繼續摻加石灰對最佳含水率的影響減弱。同時，相同石灰摻量下，濕法得到的最佳含水率顯著高于干法得到的結果。

從最佳含水率試驗結果來看，摻加石灰改良高液限土，可以有效解決碾壓施工中面臨的土體含水率控制難題。以取樣點所在施工現場為例，該標段高液限花崗巖殘積土的天然含水率為29.0%，如果不用石灰改良，則施工前需要將填料含水率防曬至20%左右。而如果采用4%劑量的石灰改良，以更符合真實狀態的濕法制樣擊實試驗結果來看，施工含水率僅需控制在25%左右。因此，根據濕法制樣得到的最佳含水率隨石灰摻量變化結果看，建議石灰摻量選用4%。

（3）制樣方法引發差異的機理分析

高液限土中含有大量的黏土礦物（高嶺石、伊利石、蒙脫石），該類礦物的結晶結構主要由硅氧四面體和氫氧化鋁八面體兩個基本單元組成，在同晶置換和水化解離作用下，土顆粒表面表現出很強的吸附能力［5］。和其他土相比，該現象使土粒結合水膜增厚，也在高液限土體結構內部形成了特定的微觀結構。

干法制樣的風干過程，高液限土體內部的水分喪失到極低水平，該過程一定程度上對土體造成了“損傷”，破壞了上述特定微觀結構。該結構是不可逆的，增加含水率也不能恢復至原有狀態。因而，相同含水率下，干法制備的土樣內部的自由水比例會大于濕法制備的土樣。這就可以解釋，相同石灰摻量下，濕法制樣的最佳含水率要高于干法制樣。

3　 CBR試驗研究

CBR值是評價材料是否適用于做路基填料的重要指標之一，路基設計規范［2］中規定對于高等級公路，上、下路堤填料的CBR值應分別大于4%、3%。為探究摻加石灰對高液限花崗巖殘積土作為路基填料力學性能的影響，進行室內CBR試驗。

（1）試驗變量設置

試驗方法參照規范［10］中土的承載比試驗（T 0134-1993）的相關規定執行。土樣制備采用干、濕兩種方法；試件分三層擊實，共三組試件，每組擊實次數分別為30次、50次和98次；石灰劑量分別控制在0%、4%和6%。

（2）試驗結果分析

試驗結果見圖 6～圖 8。不經石灰改良，干法制樣下，96%壓實度對應的CBR值僅4.2，濕法制樣也才5.4。由圖6和圖7可知，試樣的制備條件對石灰土強度有很大的影響：干法條件下，CBR值隨著石灰摻量的增加而變大；濕法條件下，CBR值先隨著石灰摻量的增加而變大，當摻量超過4%后，CBR值反而減小。但無論何種制樣方法，相同石灰劑量下，CBR值均隨著壓實度的提高而變大。為便于比較制樣方法對石灰土CBR值的影響，計算CBR變化因子，公式如下：

圖6　不同摻量石灰土CBR變化（干法）

圖7　不同摻量石灰土CBR變化（濕法）

圖8　不同制樣方法對石灰土CBR的影響

按式（1）計算石灰土相應CBR變化因子，結果見圖8。不同壓實度下，當石灰摻量不超過4%時，濕法制得的石灰土CBR值均大于干法制樣結果；當石灰劑量超過4%時，濕法制得的石灰土強度反而不如干法制樣結果。

摻加石灰對高液限土強度的增強機理主要包括Ca2+的絮凝作用、Ca（OH）2的碳酸化反應和結晶反應［5］。4%石灰摻量下，干法和濕法制備的石灰土中，石灰均能得到充分反應，形成相應強度，但濕法保留了高液限土固有結構強度，表現為濕法的CBR值較大。當石灰摻量繼續增大時，濕法制得的土樣沒有足夠的自由水供石灰反應，富余的石灰含量反而不利于土體結構強度。因此，從濕法制樣的石灰土CBR試驗結果看，建議石灰摻量選用4%。

4　結語

（1）添加石灰后，石灰土的最大干密度顯著減小：干法制樣下，石灰土最大干密度隨著石灰摻量的增加而單調遞減；濕法制樣下，石灰土最大干密度先隨石灰摻量的增加而減小，超過4%摻量后基本保持不變。

（2）高液限土經摻石灰改良后，其最佳成型含水率較未經改良土體有所提高。其中，濕法制得土體的最佳含水率又顯著高于相應干法制樣的結果。

（3）干法制樣下，石灰土的CBR值隨著石灰劑量的增加而變大；濕法制樣下，石灰土的CBR值隨著石灰劑量的增加，呈現先增大后減小的趨勢，在4%摻量下達到最大值。

（4）制樣方式對評價高液限土摻灰改良效果的試驗結果有重要影響，建議采用更符合施工真實情況的濕法制樣。

［1］柳厚詳，宋軍，張起森，等.石灰改良高液限土路用性能的試驗研究［J］.吉林化工學院學報，2004，21（1）:55-58.

［2］JTG D30-2015，公路路基設計規范［S］.

［3］JTGF10-2006，公路路基施工技術規范［S］.

［4］錢國超，馮凌云.高液限黏性土的工程特性試驗研究［J］.中國公路學報，1998，11（增刊）:15-21.

［5］楊和平，李宏泉.石灰改良處治高液限土的路用特性試驗研究［J］.公路工程，2013（4）:227-229，268.

［6］張亞杰，洪寶寧，劉鑫.高液限土摻灰改良的試驗研究［J］.水利與建筑工程學報，2014（1）:6-10.

［7］趙學峰，尚云東.生石灰改良高液限土路用性能的試驗研究［J］.路基工程，2009（5）:153-155.

［8］趙朝陽.石灰改良高液限土試驗研究 ［J］.公路工程，2010（2）: 70-73，88.

［9］張國炳，余概寧.高液限土的改良技術研究［J］.公路交通科技，2005（11）:75-78.

［10］JTG E40-2007，公路土工試驗規程［S］.

TU5

A

1009-7716（2016）06-0292-04

2016-04-19

楊戈（1980-），男，湖南寧鄉人，博士后，總經理，從事技術咨詢與科學研究工作。