石灰改良強風化云母片巖路基填料試驗研究

關宏濤 胡寶明 黃成龍 丁云賀 張金龍 申萬霆 李永靖* 文成章

（1、中建鐵路投資建設集團有限公司，北京 102601 2、遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000）

近年來，隨著高速公路建設的不斷發展，不可避免的經過大量強風化云母片巖地質區域。強風化云母片巖顆粒小、具有級配單一、水穩性差等特點，用于填筑路基則會面臨無法碾壓、成型困難等難題。一些學者對強風化云母片巖改良展開了研究。魏遠等[1]利用水泥改善石英云母片巖，將其用于填筑路基，但成本較高。洪巖[2]通過增加碾壓次數并嚴格控制含水率，成功利用風化云母片巖填筑路基，但必須采用特殊設備。還有一些研究成果是針對強風化云母片巖的物理力學性質展開的深入研究，但并未實際應用于路基填筑工程。學者對于石灰進行土體改良的研究成果更為豐富，潘國強等[3]對石灰改良填料填筑路床的可行性進行了研究，分析了不同養護時間下干密度的變化規律。周葆春等[4]研究了石灰改良膨脹土的作用機理，發現改良土破壞形式均為脆性破壞。邊加敏等[5]摻入石灰改良膨脹土，提出以膨脹性作為填筑的控制指標。以上分析可知，石灰改良強風化云母片巖的研究并未大量展開。本文針對強風化云母片巖進行石灰改良研究并應用于工程實踐，以期為類似工程提供借鑒經驗。

1 試驗材料基本性質

栆潛高速公路沿線分布大量云母片巖，為了減少大量遠程借土，基于環境保護和節約成本考慮，對云母片巖加以改良用于路基填筑。云母片巖試驗材料物理性質指標與顆粒級配特性如表1、表2 所示，試驗用石灰成分化學組成如表3 所示。

表1 云母片巖物理性質指標

表2 云母片巖粒徑分布

表3 生石灰的化學組成

2 石灰改良土擊實試驗和CBR 試驗

2.1 石灰改良土擊實試驗分析

根據《公路土工試驗規程》（JTG 3430-2020）規定：對土樣進行重型擊實試驗時，按設計的含水率進行配置，并悶料保養24h，保證水分擴散均勻。采用多功能電動擊實儀，分3 層加入擊實筒中，每層采用擊實儀分別擊實98 次。按照摻入0%（即素土，下同）、4%、6%、8%的灰劑量分別制備5 組試件，每組3 個，根據試驗結果繪制出擊實試驗曲線如圖1 所示。

圖1 云母片巖改良前后擊實曲線

由圖1 可以看出，隨著摻加石灰劑量的增大，測得強風化云母片巖改良土試樣的最佳含水率分別為18.9%、19.7%、20%，呈遞增趨勢，測得改良土樣的最大干密度分別為1.78%、1.75%、1.71%，呈遞減趨勢。隨著摻灰量的增加，改良土的最佳含水量得到提高，但最大干密度降低，原因在于石灰與云母片巖拌合之后，石灰的水化反應消耗了一定量的水分，摻灰量越大，水化反應需要的水分越多，導致最佳含水量隨摻灰比的增大而增大。在同一灰劑量情況下，含水率較低時，土顆粒之間水膜較薄，摩阻力較大，擊實效果較差，導致干密度較小。隨著含水率升高，土顆粒間水膜增厚，起到了一定的潤滑作用，摩阻力減小，擊實效果較好，導致干密度增大。當達到最優含水率時，擊實效果最好，改良土的干密度最大。隨著含水率的進一步升高，土中自由水增加，擊實時自由水不能及時排出，擊實效果降低，導致干密度逐漸減少。隨著灰劑量的增大，包裹在土顆粒周圍的石灰水化產物越多，土體的孔隙率增大，這是導致改良土體干密度降低的主要原因。

2.2 石灰改良土CBR 試驗

根據擊實試驗所得的不同灰劑量情況下的最佳含水率和最大干密度，分別制備摻入灰劑量0%、4%、6%、8%的4 組試件，每組3 個，浸水測膨脹量，隨后進行CBR 貫入試驗。繪制p-l（單位壓力與貫入量）關系曲線如圖2所示，CBR 值與摻灰比的關系曲線如圖3 所示，膨脹量、CBR 值與壓實度的關系曲線，如圖4 和圖5 所示。

圖2 云母片巖改良前后單位壓力與貫入量關系曲線

圖3 CBR 值與石灰摻入量關系曲線

由圖2 可知，在相同貫入量的情況下，摻6%石灰的改良土所需的單位壓力最大，說明該區域云母片巖的最佳摻灰率為6%。由圖3 可知，未摻灰素土的承載比為2.9%，不滿足《公路路基設計規范》對CBR 值最低3%的要求。摻4%、6%、8%石灰改良土的承載比明顯增大，分別為3.3%、3.6%、3.4%。這主要是因為土顆粒與石灰發生凝聚與絮聚作用，土體結構產生變化，由改良前小顆粒變成改良后大顆粒，而大顆粒土起到土體骨架支撐作用，土的壓實性能得到改善。由圖3 可知，摻灰率為6%時，CBR 值最大。

3 石灰改良土水穩性試驗及三軸壓縮試驗

3.1 石灰改良土水穩性試驗

根據擊實試驗結果，控制壓實度為94%，按最佳含水率制備試件進行無側限抗壓強度試驗，云母片巖素土無側限抗壓強度為110kPa，以水穩系數K（浸水試樣無側限抗壓強度與標準養護試樣無側限抗壓強度之比）評價改良土試件養護28d 后浸水1d、3d、5d 的水穩性。不同石灰摻量不同養護齡期下改良土強度變化規律如圖4 所示，隨石灰摻量的增加改良土強度先增大后減小，說明摻灰比并非越高越好，石灰摻量過高反而會導致強度降低。不同石灰摻量條件下改良土水穩性試驗結果如圖5所示，在浸水作用下改良土強度顯著降低，改良土浸水5d 后水穩系數均大于0.6，改良土水穩系數在6%石灰摻量下達到最高，此時強度損失最低，工程特性最佳。

圖4 不同石灰摻量下改良土無側限抗壓強度

圖5 不同浸水時間下改良土強度變化規律

3.2 石灰改良土三軸壓縮試驗

根據擊實試驗結果，在最佳含水率條件下，控制壓實度為94%，進行圍壓分別為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa 的三軸壓縮試驗，不同石灰摻量下峰值偏應力與圍壓的變化規律如圖6 所示。同一石灰摻量下，隨著圍壓的增大，峰值偏應力呈遞增趨勢；同一圍壓條件下，石灰摻量越多，峰值偏應力越大。這是因為圍壓提供側向約束并限制其橫向變形，圍壓越大側向變形越小，因此使其抗壓強度得到提高；石灰水化產物膠結包裹土顆粒形成致密的網狀結構，石灰摻量越高土體結構越緊密，抗壓能力越強。c、φ 值是分析材料抗剪強度的兩個重要指標，三軸試驗獲得不同石灰摻量下的c、φ 值如圖7 所示，可知隨著石灰摻量的增大，黏聚力c 呈遞增趨勢，內摩擦角φ 整體變化不大。這是由于石灰水化生成的膠凝物質，致密了孔隙結構，顆粒間黏結作用增強，因此黏聚力增大。

圖6 峰值偏應力與圍壓關系曲線

圖7 不同石灰摻量下c、φ 值變化曲線

4 結論

4.1 擊實試驗和CBR 試驗表明，石灰改良土的最大干密度隨摻灰比的提高呈減小趨勢，石灰改良土的最佳含水率隨摻灰比的提高呈增大趨勢。采用石灰改良后云母片巖的力學性能得到明顯提高，CBR 值隨摻灰比的升高先增大后減小，另外提高壓實度能有效抑制填料的膨脹性，同時提高承載力。

4.2 水穩性試驗和三軸壓縮試驗表明，采用石灰改良后云母片巖水穩性能得到改善，且石灰摻量6%時工程特性最佳；隨著石灰摻量的增加，黏聚力c 逐漸增大，內摩擦角φ 變化不大。