石灰改良軟土的拉伸強度特性

王浩， 白宇帆

（1.上海鐵路樞紐工程建設指揮部，上海 200071；2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240）

0 引言

軟土的強度低，承載力弱，工程性質差［1，2］，對其采用各類固化劑進行改良處理是提高其力學特性最為有效和直接的方式［3-7］。石灰因其成本低廉、施工方便等優點，是改良軟弱土體最為常用的固化劑。添加石灰后，可以有效減小軟土的塑性，減少膨脹現象，提高土的強度、承載力、壓實性，增加土的黏聚力和內摩擦角，提高土的耐久性，特別是土的水穩性、抗凍性、抗動荷載能力、抗干濕循環的能力等均有明顯提升，能夠有效提升其工程使用的壽命，進而能夠更好滿足各類工程的要求［8-10］。目前的研究表明，石灰改良土的強度提高機理主要可以分為四個方面，即水化作用、離子交換作用、碳酸化和結晶作用、火山灰作用［11-13］。石灰與土和水發生反應，生成的水化產物，是區別于天然土體的新礦物成分，不僅可以降低土中水分，并且可以增強土粒之間的連接作用；離子交換反應會減小黏土顆粒表面的雙電層厚度，從而導致黏土顆粒團聚、絮凝，發生團粒化作用，初步形成一定的強度；碳酸化和結晶作用生成的強度較高的CaCO3晶體可以增加土顆粒間的膠結強度；火山灰作用生成的水硬性膠凝物質能對石灰改良土起到良好的充填作用和膠結作用，使其結構更加密實，顆粒間連結更加緊密，有利于形成良好的網狀、纖維狀或峰窩狀立體骨架結構，提高石灰土的力學性能和工程特性。現有研究表明，影響石灰土力學特性的主要參數包括干密度、養護齡期、石灰摻量、含水率等［14-16］。

天然軟土的拉伸強度一般很低，往往只有幾個千帕大小，即使經過石灰改良處理強度有較大提升之后，其抗拉強度相較于抗壓抗剪強度也較低，從而有可能在特定的荷載情況下率先發生拉伸破壞，從而導致一些工程事故的發生，如公路的路面開裂、邊坡頂部出現張拉裂縫等［17］。

工程上對于土體拉伸強度的精確測量一直是個難點，且工程上也往往更多關注天然土和石灰土的抗壓強度和抗剪強度。由于土體的直接拉伸強度很小，測量要求高，加上對于拉伸強度普遍重視程度不夠，目前關于軟土及其改良土的拉伸強度特性的研究還較少，而采用間接拉伸手段得到的土體拉伸強度指標往往存在局限性。

為解決石灰改良軟土的直接拉伸強度難以獲得的問題，文中采用大量的試驗得到了石灰改良軟土的直接拉伸強度特性，并得到了石灰土拉壓強度特性之間的關系，提出通過石灰土的無側限抗壓強度來預測其直接拉伸強度具有明顯的工程意義。

1 試驗準備

1.1 試驗材料

文中試驗所用軟土取自上海某高速鐵路某標段。軟土的基本物性指標如表1所示。圖1是風干后的天然土樣。

表1 軟土的基本物性指標

圖1 風干后的天然土樣

表2 是生石灰的主要成分及含量。從表中可看出，石灰的主要化學成分是CaO，含量占石灰總質量的67.26%。

表2 生石灰性質 %

有研究表明，石灰的最佳摻量在4%～8%左右，當石灰劑量增加到一定值以后，如果再增加石灰，則過多的石灰在土中自行結晶，反而會使石灰土的強度降低，因此石灰劑量也存在一個最佳值。因此，文中選取石灰摻量為4%、6%和8%。

1.2 擊實試驗

根據規范GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》［18］，土體粒徑小于5mm宜采用標準輕型擊實方法，輕型擊實試驗的單位體積擊實功約為592.2kJ/m3。擊實試驗結果如表3 所示。擊實結果表明，軟土的最大干密度為1.88g/cm3，最優含水率為14.1%，摻加石灰后，最大干密度變成了4%石灰摻量下的1.83g/cm3，6%石灰摻量下的1.79g/cm3和8%石灰摻量下的1.77g/cm3，而最優含水率變成了4%石灰摻量下的15.1%、6%石灰摻量下的15.9%和8%石灰摻量下的16.2%。可見隨著石灰摻量的增加，石灰土的最大干密度減小，最優含水率增大。這是由于添加石灰后，石灰發生水化反應，土體中的一部分游離水轉化為結合水，為了提高土體壓實性需要更多的自由水進行潤滑，導致其最優含水率隨石灰摻量的增加而增大。石灰由于其吸水絮凝作用，會在石灰土中形成絮凝網狀結構，導致對石灰土進行壓實需要更大的壓實功，因此其最大干密度隨著石灰摻量的增加而減小。

表3 軟土和石灰土擊實試驗結果

1.3 試樣制備

將土體風干、敲碎、烘干后，過2mm 篩，接著稱取一定質量的干土，摻加一定比例的生石灰粉末，并充分拌合，然后噴灑蒸餾水至目標含水率并充分攪拌。接著用塑料袋將拌好后的土樣密封保存，并靜置48h，使得土樣中的水分分布均勻。制樣時根據目標干密度和含水率計算單個土樣的質量，然后分5 等份在三瓣膜內逐層擊實成樣（土樣尺寸為高度h=80mm、直徑d=39.1mm）。脫模后將試樣用塑料膜和袋子密封包好，并貼上標簽，然后放入保濕缸中養護至規定齡期，進行單軸拉伸和單軸壓縮試驗。圖2為按要求制備并養護的試樣。

圖2 試樣的制備與養護

2 直接拉伸強度DTS試驗

目前針對土體的拉伸強度測試，一般分為直接拉伸測試和間接拉伸測試。現有的研究大多基于劈裂法然后采用公式換算得到土體拉伸強度，但這種方法得到的結果往往不夠準確。由于直接拉伸試驗的應力狀態簡單明確，且更能反映土體的實際抗拉強度，因此文中采用直接拉伸強度試驗得到土體的拉伸應力-應變關系曲線、抗拉強度和極限拉應變。試驗儀器采用加裝拉伸傳感器的SJ-1A三軸壓縮儀如圖3所示。在單軸拉伸加載時，將壓縮儀的升降臺的下降取代單軸壓縮試驗中壓縮儀的升降臺的上升，將壓縮儀轉換成拉伸儀。直接拉伸試驗中，最為關鍵的步驟就是端部的連接。物理連接由于其端口效應，測出的強度和實際值有所偏差，因此試驗采取化學連接的方式，通過AB 膠將土體試樣的上下端分別固定在傳感器底盤和有機玻璃板上，待膠水充分凝固（約30～40min）和試樣緊密接觸后，施加軸向拉力進行加載，加載速率為1mm/min。

圖3 加裝拉伸傳感器的SJ-1A三軸壓縮儀

拉伸傳感器量程為0～255kN。根據試樣高度和破壞面的橫截面積換算得到對應的應力-應變關系。直接拉伸強度qt采用下式計算：

式中，F為破壞試件極限拉力，N；A為試樣破壞面的橫截面積，mm2。

圖4～圖8 為石灰改良軟土的直接拉應力應變曲線。可以看出石灰土直接拉伸應力應變曲線為軟化型曲線，在達到峰值強度以前，應力隨著應變的增加而增加，達到峰值強度后，應力有明顯下降，最后進入殘余階段，強度很小。

圖4為齡期=7d、石灰摻量=6%、含水率=16%的情況下不同干密度時石灰土的拉伸應力應變曲線，可以看出，干密度越大，拉伸曲線的峰值應力就越大，即拉伸強度越大；且在峰值點之前曲線的斜率越大，即拉伸模量越大。

圖4 干密度不同時石灰土的拉伸應力應變曲線

圖5 為干密度=1.6g/cm3、石灰摻量=6%、含水率=16%的情況下不同齡期時石灰土的拉伸應力應變曲線，可以看出，齡期越大，拉伸強度越大，且達到應力峰值點時對應的破壞應變也越大。

圖5 齡期不同時石灰土的拉伸應力應變曲線

圖6為干密度=1.6g/cm3、齡期=28d、含水率=16%的情況下不同石灰摻量時石灰土的拉伸應力應變曲線，可以看出，石灰摻量越大，石灰土的拉伸強度越大。

圖6 石灰摻量不同時石灰土的拉伸應力應變曲線

圖7為干密度=1.5g/cm3、齡期=14d、石灰摻量=6%的情況下不同含水率時石灰土的拉伸應力應變曲線，可以看出，含水率越大，石灰土的拉伸強度越小，拉伸模量也越小。

圖7 含水率不同時石灰土的拉伸應力應變曲線

直接拉伸試驗得到的應力應變曲線表明石灰改良粉質黏土的抗拉力學性質呈現明顯的脆性特征，即在達到拉伸強度之前，試樣的應力隨著應變增加而增加，達到拉伸強度后，試樣的應力有一個突然的下降，此時試樣中會出現明顯的拉伸斷面，且通過觀察可以清楚看到，試樣經過直接拉伸破壞后的拉伸斷面垂直于施力軸的方向見圖8。

圖8 石灰土典型的直接拉伸破壞模式

3 石灰土拉壓關系

抗拉強度和抗壓強度之間的關系非常重要。直接拉伸試驗盡管精度高、試驗結果可靠，但對于儀器的要求較高，并且試驗操作較為復雜和耗時，因此有必要建立石灰土拉壓力學特性的相互關系進而利用石灰土的抗壓強度來近似預測石灰土的抗拉強度，以便能夠更全面檢驗其是否滿足工程標準和施工要求，特別是對于抗拉抗裂要求較高的工程。為了最大限度避免儀器對試驗結果的影響，無側限抗壓強度UCS試驗采用的儀器為未加裝拉伸傳感器的SJ-1A 三軸壓縮儀。

通過對相同條件（干密度、齡期、石灰摻量、含水率均相同）的試樣（平行試樣）進行無側限抗壓強度試驗和直接拉伸強度試驗，得到無側限抗壓強度（UCS）和直接拉伸強度（DTS）的關系。圖9表明石灰土的抗拉強度和抗壓強度近似呈線性關系，其斜率為0.075，截距為0.825，擬合優度（R2）為0.916。石灰土的抗壓強度大約為抗拉強度的13.3倍。

圖9 石灰土抗壓抗拉強度相互關系

4 結語

文中通過直接拉伸強度試驗和無側限抗壓強度試驗，得到了石灰改良軟土的拉伸強度特性及其拉壓強度關系，主要結論如下：

（1） 隨著干密度、養護齡期、石灰摻量的增大，石灰土的抗拉強度變大，隨著含水率的增大，石灰土的抗拉強度減小。石灰土的直接拉伸破壞應變在0.1%附近，基本集中于0.07%～0.14%之間。石灰土是一種脆性材料，具有明顯的脆性破壞特征，直接拉伸破壞時破壞面和單軸拉伸的方向垂直。

（2） 石灰改良軟土的抗壓強度和抗拉強度近似呈線性關系，且其比值與干密度、養護齡期、石灰摻量、含水率無關。在抗拉強度難以獲得的情況下，可以利用石灰土的無側限抗壓強度來預測石灰土的直接拉伸強度，為工程提供有益參考。