石灰改良高液土工程特性試驗(yàn)研究

楊　戈，林　盛

（1.上海同科交通科技有限公司，上海市 2000092；2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)場(chǎng)工程研究中心，上海市 200092；3.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市　201804）

石灰改良高液土工程特性試驗(yàn)研究

楊戈1，2，林盛3

（1.上海同科交通科技有限公司，上海市 2000092；2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)場(chǎng)工程研究中心，上海市 200092；3.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市201804）

現(xiàn)有針對(duì)高液限土摻灰改良工程特性的研究中，土樣制備大多采用干法，而不考慮濕法。展開室內(nèi)試驗(yàn)，通過控制不同石灰劑量和制樣方式，從界限含水率、擊實(shí)性能和CBR強(qiáng)度三個(gè)方面評(píng)價(jià)高液限土摻灰改良后工程特性。結(jié)果表明，相同石灰摻量下，濕化制樣得到的壓實(shí)最佳含水率遠(yuǎn)大于干法制樣得到的結(jié)果。制樣方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有重要影響，建議在高液限土的相關(guān)試驗(yàn)研究中采用濕法制樣。

高液限土；石灰改良；工程特性；濕法制樣

0　引言

高液限土在我國(guó)分布廣泛，尤其是在南方地區(qū)。高液限土具有高液限、高含水率、高細(xì)粒含量、不易壓實(shí)、水穩(wěn)性差等特性。將其直接用于路基填料，極易引起路基病害頻發(fā)，如邊坡溜塌、路床翻漿、路基沉陷等，進(jìn)而引起路面結(jié)構(gòu)破壞，降低道路整體服務(wù)性能［1］。因此，現(xiàn)行路基設(shè)計(jì)規(guī)范［2］和路基施工規(guī)范［3］均對(duì)該類土的使用做了較嚴(yán)格的規(guī)定，要求高液限土不能直接用作路基填料，必須廢棄或經(jīng)改良后方可使用。然而，很多高等級(jí)公路在修建過程中，難以避免的會(huì)穿越高液限土地區(qū)。如果簡(jiǎn)單的把該類土體作棄方處理，不僅會(huì)帶來路基填料不足，破壞周邊生態(tài)環(huán)境，長(zhǎng)距運(yùn)土也會(huì)增加工程費(fèi)用。通常的做法是對(duì)不滿足要求的高液限土進(jìn)行處治。

石灰處治高液限土是行之有效的措施之一，國(guó)內(nèi)已有不少科研人員對(duì)此進(jìn)行了有益探索。此前的研究主要是通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究石灰摻加對(duì)高液限土物理力學(xué)特性、路用性能等的影響［1］［4-7］，或通過現(xiàn)場(chǎng)修筑試驗(yàn)段，并長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)石灰改良高液限土路基的長(zhǎng)期性能［8］［9］，以此來評(píng)價(jià)采用石灰處治高液限土的適用性，明確石灰處理機(jī)理［5］，確定最佳的石灰摻量及最優(yōu)施工工藝等［8］。

但是，現(xiàn)有研究中，高液限土樣的制備大多是采用干法。值得注意的是，干法制樣下，土體經(jīng)歷了“濕→干→濕”的過程，而實(shí)際施工過程中，土體濕度變化是“濕→干”的過程。對(duì)于一般路基填料，制樣方法不會(huì)帶來太大差異，但高液限土具有上述“三高”特性，制樣過程中的濕化路徑是否會(huì)對(duì)其工程特性造成影響，目前研究不多。本文擬通過室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析，采用干法和濕法兩種制樣方式，主要從擊實(shí)性能和CBR強(qiáng)度兩個(gè)角度研究制樣方式對(duì)石灰改良高液限土工程特性的影響。

1　界限含水率試驗(yàn)研究

為掌握不同石灰摻量對(duì)花崗巖殘積土界限含水率的變化情況，展開相應(yīng)的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)方法參照規(guī)范［10］中的液塑和塑限聯(lián)合測(cè)定法（T 0118-2007）。本文試驗(yàn)土樣均取自江西某在建高速公路，系典型高液限花崗巖殘積土，以下不再贅述。土樣基本物性參數(shù)見表1，土體顆粒級(jí)配分布見圖1。石灰摻量分別取0%、2%、4%、6%和8%（占干土的質(zhì)量百分比），拌合均勻，悶料24 h。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

表1　花崗巖殘積土基本物性參數(shù)

圖1　顆粒級(jí)配曲線

圖2　界限含水率隨石灰摻量的變化關(guān)系

由圖2可知，摻加石灰后，花崗巖殘積土的液塑限均發(fā)生了變化。隨著石灰摻量從0%增加到8%，液限從64.8%下降至56%，下降幅度達(dá)8.8%，但仍高于50%。塑性指數(shù)并不隨石灰摻量的增加而單調(diào)變化：當(dāng)石灰摻量在0%～6%時(shí)，塑性指數(shù)隨著摻量的增加而減小，由32.2%降至22.8%；當(dāng)石灰摻量超過6%后，塑性指數(shù)反而有所增大。柳厚詳在其研究中也發(fā)現(xiàn)上述類似規(guī)律［1］。從石灰摻量對(duì)高液限土界限含水率的影響來看，6%摻量是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

2　擊實(shí)性能試驗(yàn)研究

高液限土一般具有較高天然含水率，和較好的持水性，施工中很難通過晾曬達(dá)到最佳壓實(shí)含水率。此外，我國(guó)南部省份位于潮濕多雨的亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨集中連續(xù)，特定的自然環(huán)境也增加了控制壓實(shí)含水率的難度。為提高壓實(shí)質(zhì)量，保證路基結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期使用性能，在路床及鄰近層位必須采取改良方案。通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，分析摻加石灰對(duì)高液限土擊實(shí)性能的改良效果，比較干法、濕法制樣對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2.1試驗(yàn)變量設(shè)置

試驗(yàn)方法參照規(guī)范［10］中的重型小筒擊實(shí)法（T 0131-2007）。試驗(yàn)土樣制備過程中，采用干法和濕法兩種不同方式。干法制樣，是將土樣風(fēng)干后，再添加達(dá)到目標(biāo)含水率所需的水分，摻加預(yù)訂石灰劑量，拌勻后悶料一夜備用。濕法制樣，是將高自然含水率下的土樣，風(fēng)干至目標(biāo)含水率，摻加預(yù)訂石灰劑量，拌勻悶料一夜備用。顯而易見，干法制樣下，土體經(jīng)歷了“濕→干→濕”的變化過程，而濕法制樣下，土體只經(jīng)歷“濕→干”的階段。實(shí)際操作中，為提高試驗(yàn)效率，采用烘箱低溫風(fēng)干，設(shè)置溫度不超過45℃。石灰摻量分別控制在0%、4%和6%。2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果見圖3～圖5，除特別說明外，本文石灰土的含水率均指摻入石灰前素土的實(shí)測(cè)含水率。

圖3　不同劑量石灰土擊實(shí)曲線（干法）

圖4　不同劑量石灰土擊實(shí)曲線（濕法）

圖5　石灰土ωopt和dmax隨石灰摻量變化圖

（1）制樣方法對(duì)干密度的影響

觀察圖 3、圖 4可知，相同制樣方法下，擊實(shí)曲線都隨石灰摻量的增加而逐漸向圖形右下方偏移。結(jié)合圖5發(fā)現(xiàn)，隨著石灰摻量的增加，石灰土最大干密度顯著減小，該規(guī)律與其他文獻(xiàn)中提及的研究結(jié)果相似［5，6］。

干法制樣下，石灰土最大干密度從0%摻灰量對(duì)應(yīng)的1.672 g/cm3，降至6%摻灰量對(duì)應(yīng)的1.614 g/cm3；濕法制樣下，石灰土最大干密度從0%摻灰量對(duì)應(yīng)的1.660 g/cm3，降至6%摻灰量對(duì)應(yīng)的1.636 g/cm3。而且，當(dāng)石灰劑量不超過4%時(shí)，濕法制樣得到的石灰土最大干密度略小于干法制樣得到的石灰土；當(dāng)石灰劑量超過4%時(shí)，干法制樣石灰土的最大干密度隨石灰摻量的增加而減小，而濕法制樣得到的石灰土最大干秘密基本保持不變。

從濕法制樣的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果看，石灰摻量超過4%后，繼續(xù)增加石灰摻量并不能有效提高石灰土干密度。因此，單從該角度考慮，建議石灰摻量選用4%。

（2）制樣方法對(duì)含水率的影響

最佳含水率變化與最大干密度呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，見圖5。就干法而言，石灰土的最佳含水率從0%石灰摻量下的19.2%，增至6%石灰摻量下的21.4%；就濕法而言，石灰土的最佳含水率從0%石灰摻量下的21.4%，增至6%石灰摻量下的25.3%，而且當(dāng)石灰摻量超過4%時(shí)，繼續(xù)摻加石灰對(duì)最佳含水率的影響減弱。同時(shí)，相同石灰摻量下，濕法得到的最佳含水率顯著高于干法得到的結(jié)果。

從最佳含水率試驗(yàn)結(jié)果來看，摻加石灰改良高液限土，可以有效解決碾壓施工中面臨的土體含水率控制難題。以取樣點(diǎn)所在施工現(xiàn)場(chǎng)為例，該標(biāo)段高液限花崗巖殘積土的天然含水率為29.0%，如果不用石灰改良，則施工前需要將填料含水率防曬至20%左右。而如果采用4%劑量的石灰改良，以更符合真實(shí)狀態(tài)的濕法制樣擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果來看，施工含水率僅需控制在25%左右。因此，根據(jù)濕法制樣得到的最佳含水率隨石灰摻量變化結(jié)果看，建議石灰摻量選用4%。

（3）制樣方法引發(fā)差異的機(jī)理分析

高液限土中含有大量的黏土礦物（高嶺石、伊利石、蒙脫石），該類礦物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)主要由硅氧四面體和氫氧化鋁八面體兩個(gè)基本單元組成，在同晶置換和水化解離作用下，土顆粒表面表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸附能力［5］。和其他土相比，該現(xiàn)象使土粒結(jié)合水膜增厚，也在高液限土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成了特定的微觀結(jié)構(gòu)。

干法制樣的風(fēng)干過程，高液限土體內(nèi)部的水分喪失到極低水平，該過程一定程度上對(duì)土體造成了“損傷”，破壞了上述特定微觀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是不可逆的，增加含水率也不能恢復(fù)至原有狀態(tài)。因而，相同含水率下，干法制備的土樣內(nèi)部的自由水比例會(huì)大于濕法制備的土樣。這就可以解釋，相同石灰摻量下，濕法制樣的最佳含水率要高于干法制樣。

3　 CBR試驗(yàn)研究

CBR值是評(píng)價(jià)材料是否適用于做路基填料的重要指標(biāo)之一，路基設(shè)計(jì)規(guī)范［2］中規(guī)定對(duì)于高等級(jí)公路，上、下路堤填料的CBR值應(yīng)分別大于4%、3%。為探究摻加石灰對(duì)高液限花崗巖殘積土作為路基填料力學(xué)性能的影響，進(jìn)行室內(nèi)CBR試驗(yàn)。

（1）試驗(yàn)變量設(shè)置

試驗(yàn)方法參照規(guī)范［10］中土的承載比試驗(yàn)（T 0134-1993）的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。土樣制備采用干、濕兩種方法；試件分三層擊實(shí)，共三組試件，每組擊實(shí)次數(shù)分別為30次、50次和98次；石灰劑量分別控制在0%、4%和6%。

（2）試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果見圖 6～圖 8。不經(jīng)石灰改良，干法制樣下，96%壓實(shí)度對(duì)應(yīng)的CBR值僅4.2，濕法制樣也才5.4。由圖6和圖7可知，試樣的制備條件對(duì)石灰土強(qiáng)度有很大的影響：干法條件下，CBR值隨著石灰摻量的增加而變大；濕法條件下，CBR值先隨著石灰摻量的增加而變大，當(dāng)摻量超過4%后，CBR值反而減小。但無論何種制樣方法，相同石灰劑量下，CBR值均隨著壓實(shí)度的提高而變大。為便于比較制樣方法對(duì)石灰土CBR值的影響，計(jì)算CBR變化因子，公式如下：

圖6　不同摻量石灰土CBR變化（干法）

圖7　不同摻量石灰土CBR變化（濕法）

圖8　不同制樣方法對(duì)石灰土CBR的影響

按式（1）計(jì)算石灰土相應(yīng)CBR變化因子，結(jié)果見圖8。不同壓實(shí)度下，當(dāng)石灰摻量不超過4%時(shí)，濕法制得的石灰土CBR值均大于干法制樣結(jié)果；當(dāng)石灰劑量超過4%時(shí)，濕法制得的石灰土強(qiáng)度反而不如干法制樣結(jié)果。

摻加石灰對(duì)高液限土強(qiáng)度的增強(qiáng)機(jī)理主要包括Ca2+的絮凝作用、Ca（OH）2的碳酸化反應(yīng)和結(jié)晶反應(yīng)［5］。4%石灰摻量下，干法和濕法制備的石灰土中，石灰均能得到充分反應(yīng)，形成相應(yīng)強(qiáng)度，但濕法保留了高液限土固有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，表現(xiàn)為濕法的CBR值較大。當(dāng)石灰摻量繼續(xù)增大時(shí)，濕法制得的土樣沒有足夠的自由水供石灰反應(yīng)，富余的石灰含量反而不利于土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此，從濕法制樣的石灰土CBR試驗(yàn)結(jié)果看，建議石灰摻量選用4%。

4　結(jié)語

（1）添加石灰后，石灰土的最大干密度顯著減?。焊煞ㄖ茦酉?，石灰土最大干密度隨著石灰摻量的增加而單調(diào)遞減；濕法制樣下，石灰土最大干密度先隨石灰摻量的增加而減小，超過4%摻量后基本保持不變。

（2）高液限土經(jīng)摻石灰改良后，其最佳成型含水率較未經(jīng)改良土體有所提高。其中，濕法制得土體的最佳含水率又顯著高于相應(yīng)干法制樣的結(jié)果。

（3）干法制樣下，石灰土的CBR值隨著石灰劑量的增加而變大；濕法制樣下，石灰土的CBR值隨著石灰劑量的增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在4%摻量下達(dá)到最大值。

（4）制樣方式對(duì)評(píng)價(jià)高液限土摻灰改良效果的試驗(yàn)結(jié)果有重要影響，建議采用更符合施工真實(shí)情況的濕法制樣。

［1］柳厚詳，宋軍，張起森，等.石灰改良高液限土路用性能的試驗(yàn)研究［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，21（1）:55-58.

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TU5

A

1009-7716（2016）06-0292-04

2016-04-19

楊戈（1980-），男，湖南寧鄉(xiāng)人，博士后，總經(jīng)理，從事技術(shù)咨詢與科學(xué)研究工作。