不同碳酸鈣摻量壓實黃土的力學性能試驗研究

邊瑞，劉海松*，王海曼，黃綿松，劉魁

(1.長安大學地質工程與測繪學院，西安 710054；2.寧夏首創海綿城市建設發展有限公司，固原 756000；3.信息產業部電子綜合勘察研究院，西安 710054)

黃土廣泛分布在中國西北、黃河中游的陜西、山西等地區[1]。近年來，中國為促進西部經濟的發展，加大了西部地區交通基礎設施建設的力度，大量的公路、鐵路等建設在黃土路基之上。由于黃土在自重應力或者是上覆外加荷載的作用下，遇水增濕后會產生濕陷，并且天然黃土的強度很難滿足工程需要，因此在濕陷性黃土地區路基沉陷、路面變形開裂、路基邊坡失穩等災害頻繁發生[2]。濕陷性黃土是一種具有危害性的不良路基填料，換填黃土會大大增加施工量和工程成本，因此研究人員一直致力于黃土的改良，通過向黃土中摻雜水泥、石灰、粉煤灰等傳統無機材料來改善其工程性質，使之變成強度和變形均可靠的路基填料[3-5]。

葛菲等[6]研究發現，水泥和硅微粉兩種材料共同改良黃土的效果較摻加單一材料更為顯著。杜丹[7]根據固結試驗結果得出黃土中加入石灰可以顯著改善壓縮性，較好地減小路基沉降。殷鶴等[8]研究表明，經外電場處理后的石灰和硫酸鈉混合改性材料，可以消除黃土濕陷性，有效控制工后不均勻沉降。白漢營等[9]認為納米石墨粉改變紅黏土的孔隙結構和顆粒膠結來改良其力學性質。唐皓等[10]研究表明，棕櫚纖維加筋土的抗剪強度明顯增大。近年來，中國提出深化改革開放、加快生產方式轉型升級、促進可持續發展，大力倡導綠色環保的新型生產理念，通過添加水泥、石灰、粉煤灰、礦渣等方法會造成環境污染，違背新時代新型生產方式。因此，需要尋找一種廉價環保的地基處理材料，使之能廣泛應用于黃土路基中。石灰巖廣泛分布于黃土地區，富含大量的碳酸鈣，石灰巖經粉碎后即可得到碳酸鈣粉末，不需要高溫煅燒，大大減少二氧化碳的排放，可以有效保護生態環境，并且制作工藝簡單、成本低，積極響應了國家新型生產理念。

目前已有學者通過向黃土中摻入碳酸鈣粉末進行室內試驗來探究改良后土體力學性能的變化。Chen等[11]研究了碳酸鈣改良紅黏土，發現隨著碳酸鈣摻量的增加，紅黏土的黏聚力下降，內摩擦角先減小后增大。徐龍飛等[12]對不同碳酸鈣含量的黃土試樣進行常規三軸試驗,研究了碳酸鈣含量變化對黃土強度特性的影響，認為碳酸鈣含量與黃土抗剪強度指標值的大小呈正相關關系。郭玉文等[13]通過團粒分析方法研究碳酸鈣與黃土中團粒的形成有直接關系，碳酸鈣是黃土中團粒的主要膠結物。盧雪清[14]研究發現，碳酸鈣與黃土強度呈正相關，碳酸鈣含量越大，黃土抗剪強度指標黏聚力和內摩擦角越大。王緒民等[15]研究表明，鹽酸溶液浸泡黃土后，土體力學特性的變化規律，發現黃土中的碳酸鈣膠結物對黃土力學性狀的影響很大。高明明等[16]通過室內直剪試驗發現鈣質結核含量對黃土的強度、變形等特性的影響很大。李艷霞[17]分析認為碳酸鈣的含量及其賦存狀態對黃土的剪切變形及強度有很大的影響，碳酸鈣含量減少，試樣的強度下降。還有研究人員對黃土中碳酸鈣的分布形式也進行了詳細研究[18-20]。

盡管前人已經探討過碳酸鈣含量變化對黃土力學性能的影響方面，但是未考慮基于壓實度的改變，摻入不同含量的碳酸鈣對黃土抗剪強度和濕陷性的綜合影響。為此，通過不同壓實度下不同碳酸鈣摻量的黃土剪切試驗和濕陷性試驗，以期揭示碳酸鈣在黃土力學中的作用機理，評估碳酸鈣作為一種新型黃土地基改良材料的可行性，可為黃土地區工程建設“綠色環保”的新時代新型生產方式提供一定的理論支持。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗選用延安市洛川國家地質公園黃土塬頂2～3 m深度范圍內的馬蘭黃土，具有代表性及可對比性。通過重型擊實試驗確定的0、5%、10%、20%和25%碳酸鈣摻入量黃土的最大干密度分別為1.70、1.67、1.63、1.61、1.59 g/cm3，最優含水率分別為18.8%、20.6%、22.7%、23.9%和24.5%；黃土采用液塑限聯合測定儀測定的塑限為18.1%，液限為27.5%。試驗土樣的粒徑累積曲線如圖1所示。試驗選用天津市北辰方正試劑廠生產的白色結晶性碳酸鈣粉末，表1為碳酸鈣的基本性質，純度大于99.0%，溶于酸，不溶于水。

圖1 顆粒分布曲線

表1 碳酸鈣的基本性質

1.2 試驗方法

1.2.1 試樣制備

考慮到黃土中含有一定量的碳酸鈣，因此在進行試樣制備之前采用酸處理法[21]先消除黃土中原有碳酸鈣的影響。具體處理時參考文獻[14]，用80%的冰乙酸配置pH=4.0的乙酸溶液浸泡黃土，然后用純水淋濾酸處理后的黃土試樣中乙酸溶液，完全烘干后按0、5%、10%、20%和25%的質量比將碳酸鈣粉末摻入黃土中，充分攪拌均勻后再用小噴壺對混合樣邊噴純水邊攪拌，噴至最優含水率18.8%，將配好的土樣放在保濕器中靜置24 h以上，不同摻量碳酸鈣和黃土拌和樣根據實驗計劃分別制備成壓實度為81%、87%和93%的壓實試樣。

1.2.2 直接剪切試驗

直剪試驗采用南京土壤儀器廠有限公司生產的ZJ型應變控制式四聯直剪儀(圖2)，試樣的規格為Φ61.8 mm×20 mm，每一碳酸鈣摻量和壓實度下制備8個試樣，共120個試樣，分為兩組進行剪切試驗，取平均值以消除偶然誤差。若兩組試驗結果相差超過5%則增加一組試驗，直至連續兩次試驗結果誤差在5%以內。剪切速率為0.8 mm/min，分別在100、200、300、400 kPa壓力下進行。

圖2 直接剪切試驗試樣與儀器

1.2.3 濕陷試驗

采用南京土壤儀器廠有限公司生產的三聯WG型單桿高壓固結儀(圖3)，進行碳酸鈣改良黃土試樣的雙線法濕陷性試驗，碳酸鈣和黃土摻合試樣的規格為Φ61.8 mm×20 mm，每一碳酸鈣摻量和壓實度下制備4個試樣，共60個試樣，分為兩組進行濕陷性平行試驗，試驗結果的準確性控制方法具體參照直剪試驗，濕陷加壓等級分為9級，分別為12.5、25、50、100、200、300、400、600、800 kPa。在施加第一級垂直壓力后每隔一小時測定一次試樣的變形讀數，直到試樣變形趨于穩定后，再施加下一級垂直壓力，試樣濕陷穩定標準為連續兩個小時的變形不大于1 mm。

圖3 濕陷性試驗試樣與儀器

2 直接剪切試驗

2.1 碳酸鈣含量對改良黃土剪切強度的影響

取中間壓實度87%，不同碳酸鈣摻量改良黃土的試驗數據繪制剪應力-剪切位移關系曲線(圖4)。容易得知，當碳酸鈣摻量超過10%后，剪應力出現明顯的峰值，達峰值后土樣被剪壞而導致剪應力降低，剪應力-剪切位移曲線呈應變軟化型，但是殘余強度較高；當碳酸鈣摻量小于10%時，剪應力隨剪切位移先線性增大后緩慢增長并趨于穩定，呈應變硬化型；壓實度為81%、93%時的應力-應變曲線變化規律與壓實度為87%時一致。表明不論上覆荷載大小，對改良黃土剪切強度的提升主要由碳酸鈣的摻入量決定，摻入量越大改良黃土的剪應力越高，也就是說摻入碳酸鈣可以顯著增大黃土的峰值剪應力，提高土體的剪切強度，同時也使得黃土試樣的脆性增大。

圖4 剪應力-剪切位移關系曲線

2.2 壓實度對不同碳酸鈣含量改良黃土抗剪強度的影響

分別繪制不同壓實度、不同碳酸鈣摻量下改良黃土的抗剪強度-垂直壓力關系曲線(圖5)。不難發現，在相同壓實度時，各級上覆荷載下改良黃土的抗剪強度均隨著碳酸鈣含量的增加而增大，碳酸鈣摻量為25%時最大，但25%碳酸鈣摻量時抗剪強度增長幅度較小；在相同碳酸鈣摻量下，改良黃土的抗剪強度隨壓實度的增大而增大，93%壓實度時抗剪強度最大。分析發現，相同壓實度時，垂直壓力越大，碳酸鈣摻量對改良黃土抗剪強度的增強效應越明顯。以壓實度為87%試樣為例，200 kPa垂直壓力作用下，含25%碳酸鈣試樣的抗剪強度為118.8 kPa，較0、5%、10%和20%含量碳酸鈣試樣的抗剪強度67.6 kPa、76.5 kPa、90.7 kPa和113.5 kPa分別提高了75.7%、55.3%、31.0%和4.7%；在300 kPa垂直壓力作用下，含25%碳酸鈣含量試樣的抗剪強度為147.3 kPa，較0、5%、10%和20%碳酸鈣含量試樣的抗剪強度89.6、98.8、114.4、141.5 kPa，分別提高了64.4%、49.1%、28.8%和4.1%。壓實度為81%、93%與87%時的增強效應一致。

圖5 抗剪強度-垂直壓力曲線

2.3 碳酸鈣含量對不同壓實度改良黃土抗剪強度指標的影響

由2.1節和2.2節的分析已經明確，摻入碳酸鈣改良黃土可以有效增大其抗剪強度，而且摻入量是最為決定性的因素，為了探討碳酸鈣摻入量提高黃土的抗剪強度的機理，又繪制了不同壓實度、不同碳酸鈣摻入量黃土的內摩擦角和黏聚力變化曲線(圖6)。

圖6 改良黃土黏聚力和內摩擦角隨碳酸鈣摻量的變化

分析圖6發現，內摩擦角與碳酸鈣的摻量呈正相關，81%、87%和93%壓實度下內摩擦角隨碳酸鈣摻量的增加而不斷增大。表明當改良黃土被壓實到一定程度后，摻入碳酸鈣可以有效增加黃土顆粒之間的摩擦；20%碳酸鈣摻量、93%壓實度下，改良黃土的黏聚力和內摩擦角均達到最大值，與不含碳酸鈣的壓實黃土相比，增大了近1倍。

分析認為，這種現象可以從摻入碳酸鈣后改變土顆粒的排布方面進行解釋：0碳酸鈣摻量試樣在外力作用下土顆粒容易發生滑移和旋轉運動[圖7(a)、圖7(b)]，當向黃土中摻入碳酸鈣后，土顆粒和碳酸鈣顆粒咬合互鎖，顆粒表面接觸更為緊密，剪切運動需要克服顆粒間的嵌鎖阻力，土顆粒在更大的法向作用力下發生破碎[圖7(c)]；當碳酸鈣摻量逐漸增加時，一方面顆粒咬合作用不斷增大，土體變為密實結構，試樣的脆性增大，試驗抗剪強度指標值黏聚力也越大；另一方面，壓實度增大也使得試樣顆粒間的接觸更為緊密、間距逐漸減小，同時使得試樣在剪切過程中克服顆粒間的摩擦力做功增大，試樣的抗剪強度指標內摩擦角也增大。

N為垂直壓力，kPa；S為剪應力，kPa；F、Fr分別為垂直壓力和剪應力的合力

3 濕陷試驗

將3種壓實度、不同碳酸鈣摻入量的改良黃土濕陷系數與不同上覆荷載的數據整理，繪制了不同壓實度時垂直壓力與改良黃土的濕陷系數關系曲線(圖8)，得出如下結論。

(1)低壓實度81%時，隨著垂直壓力的增大改良黃土的濕陷系數會出現峰值，而且峰值均大于0.015，其對應的垂直壓力大小與碳酸鈣的摻入量正相關；但是碳酸鈣的摻入會消除黃土的濕陷性，即使小摻入量(5%)改良黃土的濕陷系數也小于0.015；而且因碳酸鈣的含量增加，試樣的濕陷曲線整體右移，反映出碳酸鈣摻入量的加大可以使得改良黃土的濕陷起始壓力增大。

(2)中等壓實度87%時，碳酸鈣摻入量小于5%的改良黃土濕陷系數仍會隨著垂直壓力的增大出現峰值，其對應的垂直壓力比壓實度81%的同碳酸鈣摻入量改良黃土的要大；碳酸鈣摻入量大于10%后，基本不再出現濕陷系數峰值。

(3)高壓實度93%時，各碳酸鈣摻入量的改良黃土濕陷性基本全部消除，不再出現峰值。也就是說，摻入碳酸鈣對黃土進行改良可以不同程度的消除黃土濕陷性，摻入量越大越利于消除濕陷性，但是濕陷性的消除程度與改良黃土的壓實程度正相關，壓實度越大越利于消除濕陷性，當碳酸鈣摻入20%以上、壓實度大于93%后，即使達到 800 kPa的上覆荷載黃土的濕陷系數遠遠小于0.015。

改良黃土壓實度相同時，紡錘形的碳酸鈣顆粒比黃土顆粒大，當碳酸鈣摻入黃土中時，碳酸鈣顆粒嵌入黃土顆粒中，破壞了黃土顆粒的原始結構，導致黃土顆粒的排列十分松散，分布不規則，結構不密實，孔隙之間多互相連通，孔隙空間大，顆粒間接觸的主要方式為點接觸，面接觸較少[圖9(a)、圖9(b)]，從而導致最大濕陷系數隨著碳酸鈣含量的增加而增加；當碳酸鈣含量增加到10%以上時，黃土顆粒填充于碳酸鈣顆粒形成的孔隙中，碳酸鈣充當主要骨架[圖9(c)、圖9(d)]，當垂直壓力作用在試樣時由碳酸鈣骨架來承擔，并且由于碳酸鈣是一種難溶物質，常溫下在水中不會大規模的溶解，較黃土顆粒原本的骨架結構強度增大，在相同工況下可承擔更大的外力而不發生濕陷變形，這是摻入碳酸鈣可以消除黃土濕陷性的內在機理。

圖9 黃土顆粒與碳酸鈣顆粒填充示意圖

當然，相同碳酸鈣摻入量改良黃土，因壓實度的不同，黃土顆粒及碳酸鈣顆粒的排列會有所不同。小壓實度情況下，改良黃土粒間的接觸方式仍與重塑黃土的相似，在遇水及荷載，點接觸的顆粒相對位置改變而產生濕陷變形；而大壓實度情況下，改良黃土粒間的接觸以面接觸為主，而且因大的壓實作用使得粒間孔隙更小，遇水及荷載，顆粒間的位移及孔隙壓縮空間都很有限，因而濕陷變形也非常小。這正是在大壓實度93%時，各碳酸鈣摻入量的改良黃土濕陷性基本全部消除的內在機理。

4 結論

通過直接剪切和濕陷性試驗，研究了不同壓實度下碳酸鈣摻量變化對洛川黃土的抗剪強度和濕陷性的影響，得出以下主要結論。

(1)改良黃土試樣的脆性隨碳酸鈣摻量增加而增大，當碳酸鈣含量較低時，試樣剪應力-剪切位移曲線為應變硬化型，碳酸鈣摻量達到20%時，曲線為應變軟化型。

(2)相同壓實度時，摻入碳酸鈣改良黃土的抗剪強度隨著碳酸鈣含量的增加而增大，碳酸鈣摻量為25%時最大，但較20%增長幅度較小；當碳酸鈣摻量相同時，壓實度越高，改良黃土的抗剪強度越大，93%壓實度時抗剪強度最大。

(3)摻入碳酸鈣對黃土進行改良可以不同程度的消除黃土濕陷性，摻入量越大越利于消除濕陷性；但是濕陷性的消除程度與改良黃土的壓實程度正相關，壓實度越大越利于消除濕陷性，當碳酸鈣摻入20%、壓實度大于93%后，即使達到800 kPa的上覆荷載黃土的濕陷系數遠遠小于0.015，綜合考慮實際工程應用中基于強度和成本等要求，建議使用碳酸鈣改良黃土時的摻量為20%、工程壓實度為93%。

(4)摻入碳酸鈣結合不同壓實度改良黃土，可以提高其抗剪強度也可以有效消除黃土的濕陷性，能作為一種有效的黃土改良材料。