石灰處治濕陷性黃土的強(qiáng)度及其影響因素分析

孫原超 陸召松 趙光紅 陳龍

摘要：石灰處治法是平?jīng)鲆痪d陽高速公路莊浪濕陷性黃土區(qū)域施工中常用方法之一，因此，了解和分析石灰處治莊浪濕陷性黃土強(qiáng)度的影響因素很有必要。文章對(duì)莊浪濕陷性黃土進(jìn)行了物理性質(zhì)、礦物成分、擊實(shí)特性等測試，并對(duì)石灰處治后的黃土進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得了不同灰土比、不同壓實(shí)度條件下的濕陷性黃土的強(qiáng)度特征和破壞模式，得出如下結(jié)論：（1）石灰處治莊浪濕陷性黃土強(qiáng)度受灰土比和壓實(shí)度的雙重影響。隨著壓實(shí)度的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高。但在低壓實(shí)度條件下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度并不隨灰土比線性增加，壓實(shí)度達(dá)到96%及以上時(shí)，灰土比越大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度才越大。（2）石灰處治黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的破壞模式表明，當(dāng)灰土比越大時(shí)，土體剪壞之后越易呈現(xiàn)出錐形的破壞模式，且灰土比越大，土體脆斷的突然性越強(qiáng)。在相同灰土比條件下，壓實(shí)度越大，破壞模式越體現(xiàn)出脆性。

關(guān)鍵詞：壓實(shí)土;石灰;濕陷性黃土;無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;破壞特征

中圖分類號(hào)：U416.03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.008

文章編號(hào)：1673-4874（2019）10-0025-04

0引言

濕陷性黃土是一種結(jié)構(gòu)較疏松、具有較大孔隙且垂直節(jié)理發(fā)育的特殊土，其濕陷性是黃土的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特征的綜合反映。平?jīng)?綿陽高速公路莊浪縣區(qū)域內(nèi)廣泛覆蓋著Ⅱ-Ⅳ級(jí)以粉質(zhì)黏土為主的濕陷性黃土，一般呈灰黃色，局部可見鈣質(zhì)結(jié)核，有可溶性鹽沉淀而成的膠結(jié)物。由于工程涉及大面積路基填方、灰土擠密樁、灰土墊層等施工項(xiàng)目，因此，為了給莊浪黃土地區(qū)高速公路的施工提供參考，有必要對(duì)石灰處治莊浪濕陷性黃土強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行分析。

1莊浪濕陷性黃土的物理性質(zhì)

試驗(yàn)用黃土取自于平天第四合同段，地基濕陷等級(jí)為Ⅲ級(jí)，取土深度為1-1.5m，將所得土風(fēng)干碾碎后過2mm篩備用。風(fēng)干后土樣根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》測定土樣的各項(xiàng)物理指標(biāo)。其中，采用烘干法進(jìn)行含水率測試、采用比重瓶法進(jìn)行比重測試、采用液塑限聯(lián)合法進(jìn)行液限和塑限測定，采用篩析結(jié)合密度計(jì)法進(jìn)行顆粒組成測定。其物理性質(zhì)指標(biāo)匯總?cè)缦马摫?所示。

將莊浪濕陷性黃土土樣研磨后過200目篩進(jìn)行X射線衍射測試，礦物成分分析結(jié)果表明：土樣中石英占比47%，鈉長石占比15%，綠泥石占比13%，方解石占比8%，伊利石占比7%，透閃石占比4%，微斜長石占比4%，白云石占比2%。同時(shí)，為了獲得莊浪濕陷性黃土的最大干密度和最優(yōu)含水率，將過2mm篩后土樣采用干土法進(jìn)行各樣，并選用標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)方法獲得其最大干密度為1.93g/m，最優(yōu)含水率為13.0%。

2 影響石灰處治莊浪濕陷性黃土強(qiáng)度的因素分析

2.1灰土比的影響

為了研究灰土比對(duì)濕陷性黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，一共選取了四種不同灰土比、四種不同壓實(shí)度的土樣，灰土比分別為0%（HT1）、5%（HT2）、9%（HT3）、12%（HT4），壓實(shí)度分別為88%（SS1，干密度為1.70g/cm）、92%（YS2，干密度為1.78g/cm）、96%（YS3，干密度為1.85g/cm）、100%（YS4，干密度為1.93g/cm），它們的初始含水率均為最優(yōu)含水率，即13%。然后用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，加載速度為0.06mm/min所獲得無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的結(jié)果如表2所示。復(fù)測試樣的含水率也一并列入表2，所獲得的無側(cè)限壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力和應(yīng)變曲線如圖1-4所示。

從圖1-4的無側(cè)限壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力和應(yīng)變曲線中可以獲得無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，將上述16組數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，獲得的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與灰土比的關(guān)系曲線如圖5所示。

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)：（1）濕陷性黃土加入石灰后，并不一定會(huì)增大其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，如在壓實(shí)度為88%時(shí)，石灰的加入不僅沒有使?jié)裣菪渣S土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯提高，反而會(huì)降低其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，灰土比為5%的比灰土比為0%的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低26.9%;灰土比為9%所獲得的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而比灰土比為5%的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度小，但灰土比提高至12%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度又有所提高。同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)在壓實(shí)度為92%的濕陷性黃土中。（2）當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到96%時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)灰土比增加至9%時(shí)，灰土比對(duì)提高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的作用才開始體現(xiàn)，灰土比為9%時(shí)比。%時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高12.8%，當(dāng)灰土比達(dá)到12%時(shí)，比0%時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高29.3%。（3）當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到100%時(shí)，灰土比和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)，即灰土比越大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大，灰土比為5%、9%、12%時(shí)相比于灰土比為0%時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了9.6%、14.1%、28.6%。

2.2壓實(shí)度的影響

從圖5以及上述現(xiàn)象的分析中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)采用石灰處治濕陷性黃土?xí)r，要充分考慮壓實(shí)度的影響。為了體現(xiàn)不同的壓實(shí)度對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，不同壓實(shí)度的無側(cè)限壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力和應(yīng)變曲線如圖6所示。

從圖6的無側(cè)限壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力和應(yīng)變曲線中可以看出，每一種灰土比的土樣在不同的壓實(shí)度情況下均呈現(xiàn)出隨著壓實(shí)度的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大的特點(diǎn)。另外，還表現(xiàn)出壓實(shí)度越大應(yīng)力和應(yīng)變曲線的初始斜率越大，且相同應(yīng)變條件下應(yīng)力值越大的特點(diǎn)。

所獲得的4種灰土比濕陷性黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線如圖7所示。

圖7中，對(duì)于灰土比分別為0%、5%、9%、12%的濕陷性黃土，隨著壓實(shí)度的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高。如灰土比為0%的濕陷性黃土，壓實(shí)度為92%、96%和100%的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別比88%的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高50.0%、133.8%、195.4%;對(duì)于灰土比為5%的濕陷性黃土，壓實(shí)度為92%、96%和100%的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別比88%的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高83.2%、206.3%、343.2%;對(duì)于灰土比為9%的濕陷性黃土，壓實(shí)度為92%、96%和100%的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別比88%的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高101.4%、376.4%、508.3%;對(duì)于灰土比為12%的濕陷性黃土，壓實(shí)度為92%、96%和100%的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別比88%的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高157.5%、391.2%、517.5%。

交叉對(duì)比不同的灰土比發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)度提高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的效果因灰土比的不同也有所不同。從圖7曲線中看出，當(dāng)灰土比達(dá)到12%時(shí)，壓實(shí)度為96%與壓實(shí)度為100%的位移-強(qiáng)度曲線的前段部分基本重合，但壓實(shí)度為100%時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度更高。

綜合來看，石灰處治莊浪濕陷性黃土的強(qiáng)度直接受壓實(shí)度的影響，即灰土在低壓實(shí)度條件下，并不能完全發(fā)揮其優(yōu)勢，而隨著壓實(shí)度的提高，灰土的作用才會(huì)逐漸體現(xiàn)。因此，當(dāng)石灰處治濕陷性黃土?xí)r，要充分考慮壓實(shí)度的影響，否則不僅導(dǎo)致資源浪費(fèi)，也無法達(dá)到改善濕陷性黃土強(qiáng)度的目的。

3 破壞特征

3.1灰土比對(duì)濕陷性黃土破壞特征的影響

在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)束的同時(shí)，獲得了不同灰土比條件下的莊浪濕陷性黃土的破壞特征，如壓實(shí)度為92%時(shí)，各灰土比的破壞模式如圖8所示。

從圖8中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)灰土比越大時(shí)，土體剪壞之后就越呈現(xiàn)出錐形的破壞模式，試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)灰土比越大，土體脆斷的突然性越強(qiáng)。上述試驗(yàn)表明在壓實(shí)度一定（92%）的條件下，灰土比越大，破壞模式中脆性越明顯。

3.2 壓實(shí)度對(duì)濕陷性黃土破壞特征的影響

在不同壓實(shí)度條件下，獲得的莊浪濕陷性黃土破壞模式如圖9所示。

從圖9中可以明顯地看出，當(dāng)灰土比為0%時(shí)（HT1），隨著壓實(shí)度的增加，其破壞模式也呈現(xiàn)出不同的特征：壓實(shí)度為88%時(shí)，土體呈現(xiàn)出多條從上至下的垂直貫通裂隙，當(dāng)壓實(shí)度逐漸增加時(shí)，則越來越表現(xiàn)出剪切破壞的特征，但壓實(shí)度為100%時(shí)，土體剪壞之后呈現(xiàn)出錐形的破壞模式。同理，在灰土比為12%（HT4）條件下，壓實(shí)度為88%時(shí)，土體呈現(xiàn)出漸進(jìn)破壞特征，即先出現(xiàn)裂縫，再逐漸發(fā)展、貫通、脫落直至破壞，而壓實(shí)度越大，土體脆斷的突然性越強(qiáng)。

總體來看，在相同灰土比條件下，壓實(shí)度越大，破壞模式越體現(xiàn)出脆性。

4 結(jié)語

本文對(duì)莊浪濕陷性黃土首先進(jìn)行了物理性質(zhì)、礦物成分、擊實(shí)特性及CBR值測試，隨后對(duì)石灰處治后的黃土進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得了不同灰土比、不同壓實(shí)度條件下的濕陷性黃土的強(qiáng)度特征和破壞模式，得出如下結(jié)論：

（1）石灰處治莊浪濕陷性黃土強(qiáng)度受灰土比和壓實(shí)度的雙重影響。隨著壓實(shí)度的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高。但在低壓實(shí)度條件下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度并不隨灰土比線性增加，而只有隨著壓實(shí)度的提高，灰土的作用才逐漸體現(xiàn)。只有當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到96%及以上時(shí)，灰土比越大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。因此，當(dāng)石灰處治濕陷性黃土?xí)r，要充分考慮壓實(shí)度的影響，否則不僅導(dǎo)致資源浪費(fèi)，也無法達(dá)到改善濕陷性黃土強(qiáng)度的目的。

（2）不同灰土比、壓實(shí)度的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的破壞模式表明：當(dāng)灰土比越大時(shí)，土體剪壞之后越易呈現(xiàn)出錐形的破壞模式，且灰土比越大，土體脆斷的突然性越強(qiáng)。在相同灰土比條件下，壓實(shí)度越大，破壞模式越體現(xiàn)出脆性。