石灰改良膨脹土填料力學特性及施工含水率研究

劉 濤

（鄭州新興市政工程有限公司，河南鄭州 450000）

膨脹土是一種不良土質，在我國西南、華中地區分布廣泛，多裂隙、遇水膨脹，對濕熱環境變化敏感[1-2]，工程性質難以滿足路基填料要求。膨脹土改良后可填筑路基，而改良土的工程性質直接影響路基強度、剛度及長期穩定性。對此，如何保證改良膨脹土良好的工程性質已成為膨脹土應用研究的重點。莊心善等[3]通過室內試驗研究了風化砂改良膨脹土脹縮特性和強度特性，研究表明風化砂降低膨脹土的膨脹性效果明顯，且摻砂量16%的膨脹土力學性能最優。楊晶磊[4]研究表明膨脹土摻粉煤灰后抗壓強度和黏聚力提高顯著，粉煤灰摻量30%時，改良膨脹土強度最高。任妍琴[5]對比研究了摻砂膨脹土、加筋膨脹土膨脹特性和力學特性，摻砂膨脹土工程性能優于加筋膨脹土，建議膨脹土摻砂率為30%。楊俊等[6]研究表明膨脹土摻入天然砂礫后工程性質滿足路基填筑要求，且天然砂礫含量20%時，其抗壓強度取得最大值。袁明月等[7]研究表明摻量>3%的鋼渣微粉改良膨脹土強度提高明顯，滿足路基規范要求。

膨脹土分布及性質存在區域差異性和不規律性，且室內填料擊實試驗不能較好地模擬路堤填筑壓實過程，為保證膨脹土路基壓實質量，須對填料壓實時的含水率進行研究。鑒于此，筆者依托某高速公路工程，選取膨脹土土樣，采用石灰對其改良處治，通過室內試驗研究石灰摻量和壓實度對改良膨脹土物理力學特性影響規律，確定改良膨脹土最佳石灰摻量，并結合現場改良膨脹土路基壓實度及強度，確定施工含水率。

1 試驗材料及方案設計

1.1 試驗材料

（1）膨脹土

膨脹土取自某高速挖方路基段落，物理力學性質見表1和表2。土樣呈黃褐色，夾少量細砂，干燥時硬塊狀，強度較高，按《公路土工試驗規程》（JTG 3430-2020）測定其物理力學性質。

表1 膨脹土物理性質Table 1 Physical properties of the expanded soil

表2 膨脹土力學性質Table 2 Mechanical properties of expanded soil

由表1和表2可知，膨脹土物理性質差，可塑性強，力學性質差，其黏粒含量在46%~50%之間，天然含水率>31%，液限>63%，自由膨脹率>55%，推斷所取土樣為中膨脹性的高液限黏土，須對膨脹土填料進行改良處治。

（2）石灰

選用二類鈣質生石灰，CaO和MgO質量分數分別為81.6%、5.2%。

1.2 方案設計

（1）石灰改良膨脹土力學特性及配合比設計研究

研究石灰摻量、壓實度對石灰改良膨脹土自由膨脹率、無荷膨脹率、無側限抗壓強度及CBR影響規律，確定石灰改良膨脹土最優配合比。結合改良土配合比設計方法和路基壓實標準，擬石灰摻量為0%、1%、2%、4%、6%、8%，壓實度為93%、95%、97%、99%、100%。石灰摻量為石灰干質量與膨脹土干質量比值。

（2）石灰改良膨脹土施工含水率研究

研究含水率對室內及現場條件下石灰改良膨脹土路基壓實度、無側限抗壓強度及CBR影響規律，確定石灰改良膨脹土施工含水率。結合室內石灰改良膨脹土最佳含水率，擬含水率為ωop-3、ωop-1.5、ωop、ωop+1.5、ωop+3，壓實度為95%、97%。

1.3 試件制備及養生

基于室內石灰改良膨脹土重型擊實試驗結果，采用靜壓法制備Φ50×h50mm的無側限抗壓強度試件，擊實法制備Φ152×h120mm的CBR試件。試件制備完成后，用塑料薄膜包裹好，放入溫度(20±2)℃、相對濕度95%以上的標準養護室。考慮石灰改良土養生7d后初期強度形成，故擬石灰改良膨脹土試件養生齡期為7d。每組試驗采用6個平行試件。

1.4 性能測試方法

參照《公路土工試驗規程》（JTG 3430-2020）和《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）測定石灰改良膨脹土自由膨脹率、無荷膨脹率、無側限抗壓強度和CBR[8]。

2 試驗結果及分析

2.1 擊實特性

石灰改良膨脹土重型擊實試驗結果如圖1所示。

圖1 石灰改良膨脹土擊實試驗結果Fig. 1 Compaction test results of lime improved expansive soil

由圖1可知，膨脹土摻入石灰后，最大干密度隨石灰摻量增加大致呈線性趨勢降低，最佳含水率隨石灰摻量增加大致呈線性趨勢增加，利于控制路堤施工質量。

2.2 力學特性及配合比設計

石灰改良膨脹土自由膨脹率、無荷膨脹率、無側限抗壓強度和CBR如圖2~圖5所示。

圖2 石灰改良膨脹土自由膨脹率試驗結果Fig. 2 Test results of free expansion rate of lime improved expansive soil

圖3 石灰改良膨脹土無荷膨脹率試驗結果Fig. 3 Test results of no-load expansion rate of lime improved expansive soil

圖4 石灰改良膨脹土無側限抗壓強度試驗結果Fig. 4 Unconf ined compressive strength test results of lime improved expansive soil

圖5 石灰改良膨脹土CBR試驗結果Fig. 5 CBR test results of lime improved expansive soil

由圖2~圖5可知：

（1）隨石灰摻量增加，改良膨脹土自由膨脹率和無荷膨脹率降低規律相近。其中石灰摻量≤6%時，自由膨脹率隨石灰摻量增加呈線性趨勢降低，且降低顯著，石灰摻量增加1%，其自由膨脹率降低8.3%；石灰摻量≥6%時，自由膨脹率和無荷膨脹率降低緩慢，逐漸趨于穩定，說明膨脹土摻入石灰后，可有效提高膨脹土團粒化性，降低其脹縮性。

（2）同一壓實度下，改良膨脹土無側限抗壓強度隨石灰摻量增加逐漸增大。石灰摻量由6%增加至8%時，其抗壓強度增大趨勢減緩，抗壓強度約提高0.05MPa；當石灰摻量≤6%，改良膨脹土抗壓強度與石灰摻量呈線性規律變化，且相關性高，相關系數為0.968，石灰摻量增加1%，其抗壓強度平均至少提高6.2%。另外，改良膨脹土抗壓強度隨壓實度增加呈線性趨勢增大，且壓實度越大，石灰摻量對改良土抗壓強度提高越明顯。壓實度增大1%，石灰改良膨脹土抗壓強度至少提高3.3%。這是因為石灰中活性物質與膨脹土發生物理化學反應，生成強度較高的凝膠物質，增強土粒間粘結力，提高土體密實性，從而無側限抗壓強度提高。

（3）同一壓實度下，隨石灰摻量增加，改良膨脹土CBR和無側限抗壓強度增長規律一致。石灰摻量≤6%時，石灰摻量增加1%，改良膨脹土CBR至少提高7.2%；石灰摻量由6%增加至8%時，CBR提高趨勢減緩。且隨石灰摻量增加，改良膨脹土CBR與壓實度變化規律可表征為線性關系，相關系數為0.980。壓實度增大1%，改良膨脹土CBR提高4.2%以上。

根據石灰改良膨脹土力學特性試驗結果可知，石灰摻量<6%時，隨石灰摻量增加，改良膨脹土力學特性逐漸提高；石灰摻量≥6%，改良膨脹土力學特性基本趨于穩定，且膨脹土摻入6%石灰摻量后，脹縮性顯著降低，力學特性良好，抗壓強度≥0.54MPa，CBR≥6.1%，滿足路基填料技術要求。為保證膨脹土改良效果，建議改良膨脹土最優石灰摻量為6%。

2.3 施工含水率

（1）石灰改良膨脹土壓實度

不同含水率的石灰改良膨脹土路基最大壓實水平見表3。改良膨脹土填料采用廠拌法拌制，石灰摻量為6%，路基壓實度采用灌砂法測定。

表3 不同含水率的石灰改良膨脹土路基最大壓實水平Table 3 Maximum compaction level of lime improved expansive soil subgrade with different moisture content

由表3可知，隨含水率增加，石灰改良膨脹土路基壓實度近似二次拋物線規律變化，壓實度先增大后降低，在含水率ωop+1.5時達到最大值，最佳含水率次之。

（2）力學特性

不同含水率的改良膨脹土無側限抗壓強度和CBR試驗結果見表4。為減少填料差異性對試驗結果的影響，室內選用現場不同含水率的石灰改良膨脹土攤鋪料制備壓實度為95%和97%的無側限抗壓強度試件和CBR試件。

表4 石灰改良膨脹土力學特性試驗結果Table 4 Test results of mechanical properties of lime improved expansive soil

由表4可知，同一壓實度下，隨含水率增加，改良膨脹土無側限抗壓強度和CBR變化規律基本一致。當含水率≤ωop+1.5，改良膨脹土無側限抗壓強度、CBR與含水率線性關系良好，含水率增加1%，無側限抗壓強度和CBR分別至少提高6.9%、2.6%；當含水率由ωop+1.5增加至ωop+3，改良膨脹土抗壓強度和CBR降低顯著，平均降低17.2%和8.1%。這是因為含水率較低時，石灰中活性物質與膨脹土礦物成分化學反應不充分，初期強度相對較低，而隨含水率增加，化學反應生成凝膠物質增多，強度提高。若含水率過高，土粒間黏聚力和內摩擦角減少，導致改良膨脹土強度降低。

綜上，根據現場改良膨脹土路基壓實度及力學特性，建議施工含水率為ωop+1.5。

3 結論

本文通過室內及現場試驗研究了石灰改良膨脹土力學特性及施工含水率，主要得出以下結論：

（1）膨脹土物理性質差、可塑性強、力學性質差，為中膨脹性的高液限黏土；膨脹土摻入石灰后，最大干密度降低，最佳含水率增加，利于控制路堤施工質量。

（2）隨石灰摻量增加，改良膨脹土物理力學特性逐漸改善。石灰摻量≤6%時，改良膨脹土的物理力學特性隨石灰摻量增加呈逐漸提升；石灰摻量≥6%時，改良膨脹土物理力學特性趨于穩定。建議改良膨脹土最優石灰摻量為6%。

（3）隨含水率增加，石灰改良膨脹土路基壓實度先增大后降低，在含水率ωop+1.5時達到最大值，且含水率≤ωop+1.5，改良膨脹土無側限抗壓強度及CBR隨含水率增加呈線性增大，含水率每增加1%，無側限抗壓強度和CBR分別至少提高6.9%和2.6%。建議施工含水率為ωop+1.5。