石灰改良紅層無側限抗壓強度試驗研究

周 宇， 李國玉，3， 武紅娟， 穆彥虎， 趙文斌， 毛云程

（1.中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000； 2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院西北生態環境資源研究院大興安嶺凍土工程與環境觀測試驗研究站，黑龍江 加格達奇 165000；4.西北民族大學，甘肅 蘭州 730030； 5.甘肅民航機場集團有限公司，甘肅 蘭州 730020）

0 引言

紅層是外觀以紅色為主色調的中、新生代的碎屑沉積巖層，以陸相沉積為主，巖性以砂巖、泥巖、頁巖為主，巖性組合以互層為特性［1］。我國紅層分布總面積約826 400 km2，在我國華北、華東、中南、西南、西北等地均有廣泛分布［2］。紅層形成時代較新，鈣質、泥質膠結物含量較高，以軟巖為主且軟弱結構面發育［2-4］，巖土體工程性質較差，主要表現為強度低，水穩定性差，易風化、崩解，具有一定的膨脹性和流變性［5-9］。直接使用紅層軟巖風化物作為填筑材料時，常會導致不均勻沉陷、承載力不足、路面鼓包和翻漿冒泥等工程病害［10-11］。但受制于工程造價、填料缺乏等原因，工程填筑一般都就地取材。因此，開展紅層改良研究十分必要。

國內外學者在大量工程實踐和室內研究的基礎上，提出諸多紅層改良措施，主要包括預崩解法、隔水保護法、壓實法、化學加固法等［12-15］。其中，通過摻加固化劑對紅層軟巖進行改良是工程中較為常見的處治方法。研究表明，傳統固化劑如水泥、石灰和粉煤灰等能夠大幅改善紅層的抗壓強度、擊實特性、浸水崩解特性、浸水后軟化系數和CBR 值等［16-20］，并在實際工程應用中得到驗證［21-22］。此外，錢普舟等［23］、吳丹［24］還通過新型固化劑對紅層的工程性質進行改良，也取得良好的效果。一般認為經固化劑改良的紅層軟巖結構狀態發生改變，基本滿足建筑物的強度及穩定性要求，然而在遭受周期性的降雨及蒸發、地下水位升降等干濕循環過程后，巖土體的工程性質會發生顯著變化［25-26］。大量研究表明，紅層區邊坡、路基、壩基等的失穩問題大多與水的影響有關［27-30］。就紅層而言，富含親水膨脹性礦物是其特殊水-巖作用的關鍵，在干濕循環過程中，土顆粒間不僅存在失水收縮的拉破壞，還存在吸水膨脹引起的壓剪破壞［31］。長期的干濕循環作用會引起土體結構發生改變，最終導致其抗壓強度［32-33］、抗剪強度［33-34］、水穩性［35］等力學性能發生不同程度降低。然而，關于干濕循環作用對改良后紅層工程性質的影響研究仍然較少

因所處環境和氣候條件的差異，不同地區紅層性質差距很大。甘肅隴南成州機場地處隴南徽成盆地，第三系紅層軟巖分布廣泛［36］，氣候潮濕，降水量大，土體經常遭受干濕循環作用。目前的研究多針對干濕循環對紅層結構、強度、崩解性等方面的影響，而對改良后紅層在干濕循環作用下性質變化的研究較少。無側限抗壓強度對評價土體的承載力及抗剪強度具有重要意義，是設計、施工中重要的力學參數。因此，本文依據成州機場實際工況，針對不同石灰摻量下的改良紅層試樣進行干濕循環試驗和無側限抗壓強度試驗，分析干濕循環作用對隴南石灰改良紅層無側限抗壓強度特性的影響規律，以期為工程施工及病害防治提供依據。

1 試驗材料及方法

1.1 材料與試樣制備

試驗用土取自隴南成州機場跑道附近的紅層軟巖風化物。成州機場地處徽成盆地，上部土層主要為第四系黃土，其下為暗紅色泥質砂巖、粉砂巖、砂質泥巖及互層狀紅層，紅層礦物成分主要有石英石、石灰石、多水高嶺石以及無定形游離氧化鐵等［37-39］。根據土工試驗方法標準（GB/T 50123—1999）［40］及公路工程無機結合料穩定材料試驗規程（JTG E51—2009）［41］進行顆分、比重、液塑限、最優含水率及最大干密度試驗，試驗結果如圖1、表1 所示。試驗選用熟石灰作為固化劑對紅層進行改良。該石灰產自天津市致遠化學試劑有限公司，為白色結晶性粉末，Ca（OH）2含量大于等于95%。

圖1 土樣顆分曲線Fig.1 Grain size distribution for sample

表1 土樣基本物理性質指標Table 1 Basic physical parameters of soils

為保證試驗用土物理性質的均勻性，將土料平鋪使其自然風干，并充分拌勻，然后反復碾壓過篩（2 mm）。試樣均采用兩頭壓實法制備，分別按照0%、3%、5%和10%的摻量稱量熟石灰，將風干過篩后的紅層與石灰攪拌均勻，因試樣制備過程中有水分損失，按稍大于11%含水率來稱取蒸餾水，與灰、土攪拌均勻后放入密封袋靜置24 h，采用凍土工程國家重點實驗室自動制樣機，按照干密度為2.01 g·cm-3制備?39.1 mm×80 mm 圓柱形土樣。為保證壓實土樣的均勻性，壓實過程采用變形控制，垂向壓實速率為0.05 mm·min-1［42］。將制好的土樣在保濕條件下養護，齡期為28 d。

1.2 試驗內容與方法

為盡可能模擬干濕循環作用過程，采用浴霸燈照射的方式模擬日照干燥土樣，通過調整浴霸燈與土樣間的距離保證每次干濕循環時的溫度一致。將素土和經養護后的不同摻量石灰土試樣干燥至含水率基本不變（2%左右），然后在飽和器中抽真空3 h，浸水飽和12 h，飽和含水率為14%。將飽和后的土樣繼續干燥至含水率為11%，即完成一次干濕循環，一次完整干濕循環約48 h。有研究表明，在經歷第一次干濕循環后土樣強度急劇下降，隨后對干濕循環次數的增加逐漸趨于穩定［43］。考慮到目前研究的干濕循環次數均較少，為得到長期干濕循環作用下土體的強度，對不同摻量石灰土分別進行0、1、5、20次干濕循環。

為使土樣中水分分布均勻，將完成干濕循環作用的試樣用保鮮膜包好，靜置12 h。利用GDS 非飽和三軸儀測試試樣無側限抗壓強度，試驗過程中軸向應變速率設定為0.5 mm·min-1，每2 s收集一次應力應變數據。為準確獲得土樣破壞時的原貌，試驗中用一層薄膜對土樣進行輕微的包裹，既不影響其受力，也不至土樣破壞時大塊脫落。試驗完成后，觀察并記錄試樣破壞形態。為控制變量，試驗采用的不摻灰紅層試樣與改良土樣采用相同規格和養護條件。每組試驗有3個平行樣。

2 結果與討論

2.1 不同石灰摻量對紅層抗壓強度的影響

對未經歷干濕循環的不同石灰摻量土樣進行無側限抗壓強度試驗，得到應力-應變曲線如圖2所示。由圖可知，在無側限壓縮應力條件下，不同石灰摻量土樣的應力-應變關系均表現出一定的應變軟化特性，其中素土的無側限抗壓強度較小，峰值強度不明顯，強度達到峰值后，曲線形態趨于平緩，強度降低速率逐漸減慢。隨著石灰摻量的增大，紅層抗壓強度逐漸增大，在變形發展初期，應力應變曲線呈現陡直的上升趨勢，隨著荷載的增大，土體由彈性變形轉向塑性屈服，最終導致破壞。峰值強度隨石灰摻量的增大而增大，其中石灰摻量為10%的改良土無側限抗壓強度最高，達685.67 kPa，是素土強度的4.60倍，石灰摻量為5%和3%的改良土抗壓強度也較高，分別是素土的4.17 倍和3.91 倍，可見摻入石灰能大幅提高紅層抗壓強度，含量越大改良效果越好（摻量≤10%）。

圖2 軸向應力與軸向應變的關系Fig.2 Relationship between axial stress and axial strain

計算應力應變曲線中的直線段斜率，得到不同摻灰量下紅層試樣的彈性模量變化曲線（圖3）。由圖可知，土樣在摻入石灰后彈性模量顯著增大，其中10%摻量的改良土彈性模量是素土的7.25倍，可見在力學性質差的紅層軟巖中加入石灰具有明顯改良效果。對不同摻量下土體彈性模量試驗值進行擬合，發現彈性模量與石灰摻量呈指數關系。當石灰摻量較小時，土體彈性模量隨石灰摻量的增大而迅速增大，當石灰摻量繼續增大時，彈性模量增長幅度逐漸減小，曲線趨于平緩。

圖3 石灰摻量與彈性模量的關系Fig.3 Relationship between lime content and elasticity modulus

將土樣破壞時對應的點記為失效應變，繪制不同摻灰量下紅層試樣的失效應變變化曲線如圖4所示。由圖可知，失效應變隨石灰摻量的變化趨勢則與彈性模量相反。摻入石灰后，土體的失效應變顯著降低，隨著石灰摻量的增大，失效應變的降低幅度逐漸減小。可見，石灰在增加紅層軟巖強度和剛性的同時，也增加了其脆性，其失效應變隨石灰摻量的增大而逐漸減小。

圖4 石灰摻量與失效應變的關系Fig.4 Relationship between lime content and failure strain

2.2 干濕循環作用對紅層抗壓強度的影響

為了研究干濕循環作用對紅層無側限抗壓強度的影響，對經歷0、1、5、20次干濕循環后的試樣進行無側限抗壓強度試驗，整理無側限抗壓強度-干濕循環次數曲線如圖5 所示。由圖可知，不同石灰摻量下干濕循環作用對改良土無側限抗壓強度的影響不盡相同。當石灰摻量低于5%時，隨著干濕循環次數的增加，改良土的無側限抗壓強度不斷降低，其中素土在經歷1次干濕循環后，土樣強度急劇衰減，隨后降幅逐漸減小，趨于穩定。當石灰摻量高于5%時，改良土的無側限抗壓強度隨著干濕循環次數的增加而不斷增加，在經歷20 次干濕循環后，土樣強度得到顯著提升。當石灰摻量等于5%時，隨著干濕循環次數的增加，土樣抗壓強度略微提升。素土和石灰摻量為3%的改良土在經歷20次干濕循環后抗壓強度急劇衰減，降幅分別為60.03%和31.65%，而石灰摻量為5%和10%的改良土在經歷20次干濕循環作用后抗壓強度增大，增幅分別為2.63%和82.36%，在一定程度上可以說明，當石灰摻量較低時，隨著干濕循環次數的增加，改良紅層強度越低，而當石灰摻量較高時，隨著干濕循環次數的增加，改良紅層強度越高。但高石灰摻量改良土在經歷多次（20 次以上）干濕循環作用后抗壓強度的變化規律仍需進一步研究，才能更好地揭示干濕循環對石灰改良紅層特性影響的過程和機制。

圖5 無側限抗壓強度與干濕循環次數的關系Fig.5 Relationship between the unconfined compressive strength and number of drying-wetting cycles

整理不同干濕循環次數下單軸抗壓試驗數據，擬合得到石灰摻量CL與無側限抗壓強度qu的關系曲線，如圖6 所示。當土樣經歷干濕循環作用較少（0 次、1 次、5 次）時，試樣無側限抗壓強度qu與石灰摻量CL呈指數關系，關系式為

圖6 石灰摻量與無側限抗壓強度的關系Fig.6 Relationship between lime content and the unconfined compressive strength

式中：a、b為常數，可通過試驗獲得。

隨著干濕循環次數的增加，曲線的切線斜率逐漸減小。當干濕循環作用達到20次時，試樣無側限抗壓強度qu與石灰摻量CL呈線性關系，關系式為

式中：a、b為常數，可通過試驗獲得。

由此可見，當干濕循環次數較少時，土體中摻入少量石灰即可獲得較大的強度增長，而隨著摻灰量的繼續增加強度增長幅度不大；當干濕循環次數較大時，土體無側限抗壓強度隨石灰摻量的增加而不斷增大。因此，考慮改良土耐久性情況下，干濕循環作用對石灰改良紅層最佳摻量的確定有很大影響。

以上分析表明，干濕循環作用對不同摻灰量紅層試樣抗壓強度的影響明顯不同。當摻灰量較少時，土體在干旱條件體積縮小，引起土顆粒的集聚和排列發生變化，原生隱微裂隙擴張和加深，部分短小裂隙貫通，發展形成長大裂隙，為土中水分蒸發和地表水下滲提供了良好通道，土體的整體性與均一性得到破壞［44］；濕潤條件下，水分沿裂隙滲入土體，紅層中蒙脫石及其混層礦物具有較強的親水性及弱膨脹性，吸水后膨脹軟化，強度降低。掃描電鏡、超聲波測速等微細觀試驗表明，反復干濕循環作用下，不斷脹縮交替導致土體結構重新調整，顆粒之間距離增大，膠結變弱，黏聚力下降，最終導致土體強度大幅降低［45-47］。與此不同的是，當摻灰量較大時，隨著干濕循環次數的增大，石灰土的強度顯著增大，這與石灰土強度形成機制有關。一般認為熟石灰改良土強度的形成主要源于離子交換作用、碳化作用和灰結作用等，無論哪種強度形成機理，都需要水分參與或水分為強度形成的條件［48-49］。顯然，常規的保溫保濕養護并不能滿足高石灰摻量石灰土的強度形成條件，仍有部分石灰未參與反應。隨著干濕循環的進行，水分與土顆粒充分接觸，尚未反應完全的熟石灰繼續進行離子交換作用、碳化作用和灰結作用等，使得石灰土的強度隨干濕循環次數的增加而不斷增加。但20 次以上干濕循環作用后強度的變化規律尚不明確，可以推測，隨著干濕循環次數的增加，石灰反應完全后土體強度將逐漸減小。該結論對石灰改良紅層的設計與施工有一定的指示意義。

2.3 土樣破壞形態

土樣的破壞形態與其強度特性密切相關。在本次試驗過程中，土樣在無側限壓縮條件下的破壞形態主要有三種；一種是脆性剪切破壞，在荷載作用下有明顯的剪切帶形成，試樣破壞集中在剪切帶發展部位，而其他部位結構性破壞程度相對較小；另一種是多縫錐形破壞，土體受各向異性的影響，在無側限壓縮條件下，形成多條剪切帶，最終形成多縫錐形破壞面；第三種是塑性鼓脹破壞，在外部荷載作用下未形成明顯的剪切帶，在無側限壓縮過程中土樣逐漸向側向鼓脹，土樣并不沿某個特定破壞面發生相對位移，而是呈現出中間大，兩端小的鼓脹型。

圖7 為不同石灰摻量下未經歷干濕循環作用土體的破壞形態，結合應力應變曲線（圖2）可知，素土與石灰土的破壞形態有明顯差別。素土為塑性鼓脹破壞，裂縫數量較多，抗壓強度小，且抗壓強度與殘余強度差距不大，強度達到峰值后，應力應變曲線趨于平緩。石灰土則為脆性剪切破壞，未經歷干濕循環條件下，3%和5%摻量改良土的破壞形態與應力應變曲線均類似，試樣均形成了近（45°+φ/2）傾角的破壞面，抗壓強度與彈性模量均顯著提高。10%石灰摻量紅層雖然仍沿一個傾斜剪切面破壞，但側面已形成多條交叉裂縫，土體破壞需要更多的能量。

圖7 破壞后的試樣（未經干濕循環）Fig.7 Damaged soil samples（after 0 drying-wetting cycle）

圖8 為20 次干濕循環作用后不同石灰摻量紅層試樣的無側限壓縮破壞形態。結合應力應變曲線（圖9）可知，素土在經歷干濕循環作用后仍為塑性鼓脹破壞，破壞形態與干濕循環作用前相似，但強度大幅降低，橫向變形較大，表面形成縱橫交錯的裂紋。3%摻量的改良土仍以沿一條剪切帶破壞為主，但已形成多條貫通的剪切帶，初步具有多縫錐形破壞面形態。隨著石灰摻量的增大，土體抗壓強度和彈性模量顯著增加，微裂紋增多，石灰土則由干濕循環作用前的脆性剪切破壞變為多縫錐形破壞。

圖8 破壞后的試樣（20次干濕循環）Fig.8 Damaged soil samples（after 20 drying-wetting cycles）

圖9 軸向應力與軸向應變的關系（20次干濕循環）Fig.9 Relationship between axial stress and axial strain（after 20 drying-wetting cycles）

試樣破壞形態的不同與紅層自身結構及石灰土加固機制有關。素土本身塑性較強，顆粒間連結力較弱，在經歷干濕循環作用后連結力降低，在無側限荷載作用下，土顆粒間容易發生錯動，產生塑性的側向變形。素土中摻入石灰后，土顆粒間連結增強，由松散粒狀結構逐漸轉變為膠結土顆粒，強度增大，脆性增強，試樣沿近（45°+φ/2）傾角的剪切面破壞。隨著干濕循環次的增多，土樣中石灰全部參與反應，在土顆粒間形成較強的連結，各向異性增強，當裂紋擴展遇到較強顆粒連結時，能夠有效的約束裂紋發展，使裂紋擴張和發展的方向不斷改變，因此土樣的破壞不再沿著某一固定的剪切面，而是形成了具有多條裂縫的錐形破壞面。

3 結論

通過對不同石灰摻量下改良紅層試樣進行干濕循環試驗，研究了石灰摻量和干濕循環作用對改良紅層無側限抗壓強度影響規律，得出以下主要結論：

（1）在未經歷干濕循環作用時，摻入石灰能夠顯著提高紅層的抗壓強度，石灰改良紅層的無側限抗壓強度及彈性模量均隨石灰摻量的增大而增大，而失效應變則隨石灰摻量的增大而減小。

（2）不同含灰量下，石灰改良紅層的無側限抗壓強度對干濕循環作用的響應不同。當石灰摻量低于5%時，隨著干濕循環次數的增加，改良土的無側限抗壓強度不斷降低；當石灰摻量高于5%時，改良土的無側限抗壓強度隨著干濕循環次數的增加而顯著增加。當石灰摻量等于5%時，干濕循環作用對改良土的無側限抗壓強度影響不大，隨著干濕循環次數的增加，土樣抗壓強度略微提升。

（3）未改良紅層塑性較大，顆粒間連結力較弱，試樣均為塑性鼓脹破壞。摻入石灰后，紅層強度增大，脆性增強，呈脆性剪切破壞。隨著干濕循環次數的增多，改良土樣各向異性增強，石灰改良紅層呈多縫錐形破壞。

（4）在常規的保濕養護條件下，石灰摻量較低的改良紅層中石灰反應完全，干濕循環作用對石灰改良紅層產生不可逆轉的弱化作用，強度不斷降低。而石灰摻量較高時，改良土中仍有部分石灰未反應完全，干濕循環作用促使石灰繼續發生反應，土體強度增大。