石灰改良路基填料的力學特性研究

中圖分類號：U416.1文獻標識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.010

文章編號：1673-4874（2025）01-0036-04

0 引言

我國公路基礎設施建設是國家實現交通強國戰略的重要支柱，新建公路周邊地區缺乏優質填料，沿線多分布高液限土，具有抗壓強度低、路用性能差的特點。若將線路周邊高液限土改良后用作路基填料，既可擴大路基填料選用范圍，還能緩解廣西地區優質填料缺乏的困境。

目前多采用石灰、水泥等膠結材料對路基填料進行改良。項國圣、韓、劉濤、龔錦林等1-4研究了石灰對高液限黏土變形特性的影響，結果表明石灰改良可以有效限制土體的膨脹，主要原因是石灰水化使得土體中的蒙脫石被溶蝕，使改良填料不具膨脹性；鄭德平、崔晏寧、陳、劉維正等[5-8]對石灰改良路基沉降變形規律的研究表明在路基填料中摻入石灰可以有效提高路基填料的強度及抗變形能力，有效提高路基填料的水穩定性，且隨著石灰摻量的增加，路基沉降變形逐漸減小，石灰改良路基填料的改良劑摻入比與被改良土體的礦物組成、含水率及養護溫度有關；寧哲思、楊杰、張曉東9-11研究了石灰改良路基的服役性能，結果表明石灰改良路基的工后沉降更小，發生翻漿冒泥及不均勻沉降的病害次數顯著小于未改良路基。但目前關于石灰改良廣西地區高液限填料的研究相對較少，對石灰改良路基沉降變形特性的研究鮮有報道。

基于此，本文通過三軸試驗明確石灰摻量對改良填料力學特性的影響規律，采用數值仿真計算方法及現場監測試驗明確不同含水率、不同石灰摻量路基的沉降變形特性。研究結果可為石灰改良路基的設計及施工提供參考。

1 研究方案

1.1 試驗研究

試驗所用土體為廣西地區某高速公路的路基填料，取回后經過一段時間的自然風干，將風干后的土體用于試驗研究。采用擊實試驗明確試驗用土的擊實特性，擊實曲線如圖1所示，由圖1可知：試驗用土的最大干密度為 ，最優含水率為 18.2% 。采用篩分試驗明確試驗用土的級配曲線，級配曲線如圖2所示，由圖可知：試驗用土的最大粒徑為 22m m ，不均勻系數為6，曲率系數為1.5，表明試驗用土為級配良好且粒徑分布均勻的土。此外，試驗用土的液限為 53.5% ，塑限為 22.3% ，屬于高液限黏土，顆粒比重為2.63。

采用石灰改良法對試驗用土進行改良，石灰改良土的塑性變化如圖3所示，未改良路基填料為高液限黏土，石灰改良后轉變為低液限粉土。

將試驗所用路基填料及石灰烘干后采用攪拌機拌和均勻，而后加入一定量的蒸餾水制成自標含水率的土樣，燜料熟化1d后采用靜壓法制備試樣。靜壓加載速率為 。試樣制備完成后包裹塑料膜放入養護箱中進行標準養護。

為明確石灰摻量對路基填料強度特性的影響規律，對不同石灰摻量的改良路基填料進行三軸試驗。試驗方案如表1所示。

1.2數值仿真研究

為明確石灰改良對路基沉降變形特性的影響規律，采用PLAXIS3D軟件建立計算模型進行研究，所建立的數值仿真計算模型如圖4所示，計算模型主要由上路床、下路床、上路堤、下路堤及基巖組成，各結構層計算參數選取如表2所示。計算模型中地基的邊界條件為固定邊界，但路基結構可以充許發生豎直和水平方向的位移，計算所用的強度準則為摩爾一庫侖強度準則。

為明確石灰摻量及填料含水率改良對路基沉降變形特性的影響規律，對不同含水率及不同石灰摻量的改良路基變形規律進行分析，以明確石灰改良對路基沉降變形規律的影響。見表3。

1.3工后沉降監測試驗

為明確石灰改良對路基變形特性的影響規律，對石灰改良路基及未改良路基的工后沉降進行監測，以明確石灰改良對路基沉降變形的影響規律。

2試驗結果與分析

不同摻量石灰改良路基填料的應力-應變曲線如圖5所示。由圖5可知：未改良路基填料在飽和狀態下應力一應變曲線呈硬化型，試樣在軸向受壓過程中逐漸產生側向鼓脹，破壞模式為延性破壞。但石灰改良路基填料的應力一應變曲線呈軟化型，試樣在達到峰值應力后產生貫通裂縫，破壞模式為脆性破壞。

不同摻量石灰改良路基的摩爾-庫侖強度線如圖6所示。由圖6可知：石灰改良試樣的峰值抗壓強度可以采用摩爾一庫侖強度準則進行表征，且石灰改良試樣的峰值強度顯著高于未改良試樣的峰值強度。隨著石灰摻量的增加，石灰改良填料的峰值強度顯著增大，石灰摻量從 6% 增加至 9% 時，石灰改良試樣的峰值強度增加最顯著，當石灰摻量繼續增加至 12% 時，改良試樣的峰值強度增加不顯著。

黏聚力隨石灰摻量的變化如圖7所示。由圖7可知：石灰改良可以有效提高路基填料的黏聚力，即便只摻入 3% 石灰對路基填料進行改良，黏聚力就達到了未改良填料的2.5倍以上，且隨著石灰摻量的增加，石灰改良填料的黏聚力呈線性增大趨勢。這主要是由于摻入石灰越多，石灰水化生成的膠結產物越多，相鄰土顆粒被膠結得越緊密，故石灰摻量越高，改良填料的黏聚力越高。

內摩擦角隨石灰摻量的變化如圖8所示。由圖8可知：摻入石灰后路基填料的內摩擦角提高了 68% 以上。摻入石灰可以有效提高路基填料的內摩擦角，主要原因在于未改良路基填料具有顯著的水敏感性，路基填料遇水后土顆粒之間的咬合和摩擦顯著減弱，強度急劇下降；但摻入石灰改良后，石灰改良填料具有較好的水穩定性，土顆粒之間的咬合和摩擦并不會顯著減弱，加之石灰水化生成膠結產物膠結相鄰土顆粒，故石灰改良填料的內摩擦角顯著增大。

不同初始含水率狀態對改良路基沉降規律的影響如圖10所示。由圖10可知：路基中心處的沉降變形要高于路肩處的沉降變形，且隨著路基初始含水率 w 的增加，沿路基橫斷面各處的沉降位移都在增加。主要原因是初始含水率增加導致填料的彈性模量、峰值強度等逐漸減小，抗變形能力逐漸減弱，故隨著初始含水率增加，路基沉降變形逐漸增大。此外，當路基初始含水率處于干側狀態時（初始含水率小于最優初始含水率），隨著初始含水率增加，路基沉降增加并不顯著；但路基初始含水率處于濕側狀態時（初始含水率大于最優初始含水率），隨著初始含水率增加，路基沉降變形顯著增大，故填筑路基時改良填料的初始含水率應小于最優初始含水率。

3數值仿真計算結果與分析

不同石灰摻量的改良路基沉降變形演化規律如圖9所示。由圖9可知：摻入石灰可以有效減少路基的沉降變形，當石灰摻量從 3% 增加至 6% 時，沉降減小了 ，但石灰摻量從 9% 增加至 12% 時，路基沉降僅減小了 0.6m m ，故石灰對路基沉降變形的抑制作用隨摻量增大而逐漸減小。

因路基填料中摻入 9% 石灰可以有效提高填料的強度及抗變形能力，有效減弱路基沉降變形發展，故以 9% 石灰改良為例，明確初始含水率對石灰改良路基沉降變形的影響。

4 工后沉降發展規律與分析

未改良路基與石灰改良路基的沉降變形發展規律如圖11所示。由圖11可知：靜置半年后，未改良路基的沉降達到 44m m ，而石灰改良土路基的沉降僅為 經石灰改良后，路基沉降變形減小了 25% 。此外，當施工結束后，石灰改良路基在第180d后就進入了變形穩定階段（沉降變形速率 ，而未改良路基在第260d時才進入變形穩定階段，故石灰改良路基沉降變形更早趨于穩定。

5結語

本文通過三軸試驗、數值仿真計算及現場監測試驗，明確了石灰改良對路基填料強度及路基沉降變形特性的影響規律，主要得到了以下結論：

（1）未改良路基填料在飽和狀態下應力一應變表現 為硬化型，破壞模式為延性破壞；而石灰改良路基填料應 力一應變則表現為軟化型，破壞模式為脆性破壞。

（2）石灰改良路基填料的黏聚力達到未改良填料的2.5倍以上，內摩擦角提高了 68% 以上，主要是因為石灰水化生成了膠結產物，增強了土顆粒之間的聯結。

（3）石灰改良路基沉降變形隨著初始含水率的增加而增大，當初始含水率小于最優含水率時，路基沉降變形發展并不顯著，當初始含水率超過最優含水率時，路基沉降變形顯著增大，故填筑路基時路基填料的含水率應小于最優含水率。

（4）路基填料中摻入 9% 石灰可以有效提高填料強度，改良路基沉降變形量較未改良路基減小 25% ，且石灰改良路基沉降更早趨于穩定，故可采用 9% 石灰對路基填料進行改良后填筑路基。

參考文獻

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