石灰改良膨脹土力學性質的干濕循環效應

王敏

（湖南華達工程有限公司）

0 引言

膨脹土富含伊利石或蒙脫石等強親水性礦物成分，吸水或失水后容易顯著地產生收縮或者膨脹現象。膨脹土的水穩性或耐久性差，屬于不良土料，通常不能直接用作基礎填料。由于我國膨脹土區域大，廣泛分布于四川、云南、貴州、廣西和湖北等地，對于路基和地基等基礎填筑工程，如果將膨脹土棄之不用會提高經濟成本，因此，目前實際工程通常會對膨脹土進行改良，以滿足地基或路基的建筑要求[1]。

對于膨脹土等水穩性差的土料，通常采用化學方式進行改良[2]。最常用的化學改良方式為石灰改良和水泥改良[3]。化學改良通過化學反應在土中形成堅硬的骨架以抑制土的變形，從而達到改良土性的目的。相比水泥改良，石灰改良的經濟成本低，在基礎填料改良中的應用最廣。工程中膨脹土也多采用石灰進行改良[4-6]。石灰改良膨脹土的改良效果評價依據通常是強度和耐久性[7-10]。強度主要是指無側限抗壓強度[11]和三軸壓縮強度[12](或三軸抗剪強度)。耐久性主要是指長期泡水和干濕循環兩種條件下的耐久性[2,3]。目前工程中主要依據無側限抗壓強度和長期泡水條件下的耐久性判斷膨脹土的改良效果，這顯得片面，從而導致目前石灰改良膨脹土的應用普遍存在問題。例如，降水和地下水位變化會導致路基出現干濕循環變化。長期干濕循環作用下石灰改良膨脹土路基很容易出現裂縫，對于石灰改良膨脹土道路工程而言，這是常見的工程病害問題。目前對膨脹土改良效果的評價顯得片面的原因在于：一方面，無側限抗壓強度是圍壓為零時的強度，而工程中基礎工程的土料一般都是存在圍壓的。無側限抗壓強度是通過無側限抗壓強度試驗獲得。對于實際工程，相比無側限抗壓強度試驗，由三軸壓縮試驗獲得的強度參數更具參考價值。另一方面，膨脹土的干濕循環效應十分顯著[13,14]，現有研究表明，即便經過石灰改良，膨脹土仍有比較顯著的縮脹變形[15]。長期泡水條件下石灰改良膨脹土的耐久性通常能滿足要求[3,7]，但這并不意味著干濕循環作用下的耐久性也能滿足要求。因此，開展干濕循環作用下石灰改良土的力學性質研究具有重要的工程意義。

我國公路路基工程中的膨脹土路基通常采用石灰進行改良。針對石灰改良膨脹土路基工程，本實驗通過設計考慮干濕循環影響的石灰改良土三軸壓縮試驗，利用試驗研究干濕循環作用對石灰改良土內摩擦角、粘聚力和彈性模量等參數的影響，以評價石灰改良土的干濕循環效應，為石灰改良膨脹土的改良效果評價和改良技術發展等提拱參考。

1 干濕循環作用條件下的石灰改良膨脹土三軸壓縮試驗

1.1 試驗儀器

試驗設備為GDS 三軸壓縮試驗機。試樣為圓柱體，高度為100mm，直徑為50mm。儀器測量精度高，壓力分辨率為1kPa，體積分辨率為1mm3。加載方式有力控制和位移控制兩種模式。

1.2 試驗方案

1.2.1 制樣

膨脹土取自廣西南寧市，為灰白色，其比重為2.66，塑限為30.1%，液限為62.3%，自由膨脹率為65.1%。主要親水礦物成分為蒙脫石和伊利石。考慮到工程中石灰改良土中石灰的摻入質量百分比通常為3%～8%，本文在膨脹土中摻入4%的生石灰制作試樣。當石灰質量百分比為4%時，通過擊實試驗確定改良膨脹土的最大干密度為1.78g/cm3，最優含水率為17.5%。本實驗按照最大干密度1.78g/cm3、最優含水率17.5%和壓實度0.95 配置石灰膨脹土改良試樣。對試樣進行標準養護。

1.2.2 干濕循環試驗條件

目前國內外對土樣進行干循環處理沒有統一的試驗標準[2,3]。本實驗參考劉雨等[2,3]提出的方法對試樣進行干濕循環處理。當改良膨脹土樣的養護齡期達到28d時，讓試樣在室內自然風干，風干時間達到2d 時，將試樣浸沒在水槽中，讓試樣吸水飽和，飽和時間為2d。此過程為1 次干濕循環，時間包括風干2d 和飽水2d。設干濕循環次數用M 表示，對于本試驗，M=0,2,5,10,16。

1.2.3 試樣加載

利用GDS 試驗機對干濕循環處理后的試樣開展三軸壓縮試驗。試驗條件為固結排水。考慮到實際工程中路基土的圍壓通常不超過200kPa[12]，本試驗中的圍壓設為30kPa、60kPa 和120kPa。每個圍壓作用下的試驗一共需要5 個試樣，各試樣的干濕循環作次數分別為M=0,2,5,10,16。試樣等向固結后，在軸向進行加載。試樣軸向加載的控制模式為位移加載，軸向位移加載的速率為0.02mm/min。對試驗結果進行處理，得到抗剪強度參數：內摩擦角ψ 和粘聚力c，以及彈性參數：初始彈性模量E0。

2 試驗結果及分析

2.1 干濕循環對石灰改良膨脹土抗剪強度的影響

2.1.1 干濕循環對內摩擦角的影響

圖1 給出了石灰改良膨脹土樣的內摩擦角和干濕循環次數之間的關系曲線。從圖1 看出，隨著干濕次數M 從0 增加至16，內摩擦角ψ 從35.2°逐漸衰減至32.8°，減少了2.4°，衰減幅度為6.8%。這表明，隨著干濕循環次數的增加，石灰改良膨脹土樣的內摩擦角逐漸衰減。

2.1.2 干濕循環對粘聚力的影響

圖1 內摩擦角和干濕循環次數之間的關系

圖2 粘聚力和干濕循環次數之間的關系

由以上結果分析可知，干濕循環對粘聚力的影響比內摩擦角顯著。由于土的抗剪強度由內摩擦角和粘聚力這兩個特征參數確定，它隨內摩擦角和粘聚力的增大而增大，因此，干濕循環作用顯著降低石灰改良膨脹土樣的粘聚力，從而顯著降低土的抗剪強度。

2.2 干濕循環對石灰改良膨脹土彈性模量的影響

土的彈性模量的特征參數為初始彈性模量。圖3 給出了不同圍壓作用下初始彈性模量和干濕循環次數之間的關系曲線。根據圖3，當圍壓S=30kPa 時，隨著干濕次數M 從0 增加至16，初始彈性模量E0從139.2MPa逐漸衰減至112.5MPa，減少了29.8MPa，衰減幅度為21.4%；當圍壓S=60kPa 時，隨著干濕次數M 從0 增加至16，初始彈性模量E0從143.8MPa 逐漸衰減至115.7MPa，減少了28.1MPa，衰減幅度為19.5%；當圍壓S=120kPa 時，隨著干濕次數M 從0 增加至16，初始彈性模量E0從155.7MPa 逐漸衰減至131.8MPa，減少了23.9MPa，衰減幅度為15.4%。以上結果表明，隨著干濕循環次數的增加，石灰改良膨脹土樣的初始彈性模量顯著衰減。因此，干濕循環作用對石灰改良膨脹土的初始彈性模量有顯著的衰減作用。

圖3 初始彈性模量和干濕循環次數之間的關系

由以上結果分析還可知，當圍壓S 從30kPa 增加至100kPa，初始彈性模量的衰減幅度從21.4%降至15.4%，這表明，增加圍壓可以降低干濕循環作用對初始彈性模量的衰減作用。

2.3 干濕循環影響機理分析

膨脹土中石灰遇水發生離子交換、凝膠化等化學反應，使得膨脹土中出現凝膠網絡。凝膠網絡包裹膨脹土顆粒和填充孔隙，構成新的土骨架。相比原土骨架而言，改良土中的凝膠網絡骨架強度高，剛度強，能承載較大的力作用以及在一定程度抑制膨脹土顆粒的滑移和變形，從而達到提高膨脹土強度和改善膨脹土變形性能的目的。

由于石灰含量有限，即便經過改良，膨脹土中土顆粒團仍然能夠接觸到水。干濕循環作用下，膨脹土顆粒團不可避免地反復產生干縮和濕脹現象。土顆粒團的反復縮脹變形必然引起束縛土顆粒團的凝膠網絡骨架的反復變形。相比水泥改良土，通常石灰改良土的土骨架的抗疲勞穩定性較差，因此，石灰改良土普遍存在的主要缺點為：在反復荷載作用下容易產生疲勞變形。同樣，石灰改良膨脹土也存在這個缺點。因此，干濕循環作用下，石灰改良膨脹土骨架容易產生疲勞變形破壞，從而降低石灰改良膨脹土的抗剪強度和彈性模量。即干濕循環作用下石灰改良膨脹土的耐久性差。干濕循環作用是石灰改良膨脹土路基出現張裂破壞的主要原因之一。

從試驗結果可知，提高圍壓可以抑制干濕循環對彈性模量的衰減作用，這是因為，圍壓增加后，凝膠網絡骨架受到的束縛增大，從而增強了凝膠網絡骨架抵抗變形的能力。

3 結論

針對石灰改良膨脹土，通過對干濕循環試樣開展三軸壓縮試驗，研究內摩擦角、粘聚力和初始彈性模量隨干濕循環次數的變化規律，分析了干濕循環的影響機理，得到以下主要結論：

⑴干濕循環作用下石灰改良膨脹土的耐久性差。石灰改良膨脹土的內摩角、粘聚力和初始彈性模量隨干濕循環次數的增大而衰減。其中，粘聚力和初始彈性模量的衰減最顯著。

⑵提高圍壓有助于減少干濕循環對石灰改良膨脹土初始彈性模量的衰減作用。