石灰改良膨胀土的强度特性试验研究

陈爱军, 张家生

(1.湖南工程学院建筑工程学院,湘潭411104;2.中南大学土木建筑学院,长沙410083)

膨胀土是一种吸水膨胀失水收缩的高塑性粘土,它具有超固结性、多裂隙性和强度衰减性,对工程建筑物的危害极大,特别是对轻型结构物如铁路、公路、堤坝、单层房屋,容易导致路基边坡滑塌、地基沉陷、路面开裂、挡墙倾倒和墙体开裂[1]～[3].广西南(宁)友(谊关)公路沿线分布着大量膨胀土,尤以宁明地区的膨胀土最为典型,如果沿线路堑膨胀土挖方全部废除,远距离借土将显著增加工程造价,同时大量的膨胀土弃方也将带来难以恢复的生态影响,利用石灰改良膨胀土作为路堤填料被认为是一种行之有效的处治措施[4]～[6].强度是表征膨胀土体抵抗剪切破坏的能力,也是计算路堑、渠坡、路堤等斜坡稳定性和支挡建筑物土压力的重要参数,而大量的膨胀土路堤破坏主要是由于膨胀土遇水强度迅速衰减所致[7][8],本文通过试验研究石灰改良膨胀土的强度特性,包括改良土的CBR值、抗剪强度和无侧抗压强度等强度指标,探讨影响其强度的各项因素及其变化规律,为室外石灰改良膨胀土的施工现场提供施工工艺参数.

1 试验方案

1.1 试验材料说明

(1)膨胀土

试验所用膨胀土取自南友公路K134+400处取土坑的灰白色膨胀土,并夹有黄褐色斑状团粒,天然状态时可塑,各项基本土性参数见表1.

表1 膨胀土基本物性指标

(2)石灰

试验用石灰为当地农民烧制的生石灰,然后在室内粉碎过1 mm筛后密封待用,生石灰的有效氧化钙和氧化镁含量检验结果见表2.

表2 石灰试验分析结果

1.2 试验方案设计

试验方法参考《公路土工试验规程》(JTJ051-93)[9]和《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[10](JTJ057-94),石灰掺量按 3%、5%、7%和9%设计,各项试验的具体要求分述如下:

1.2.1 CBR试验

为了模拟工地实际情况,风干土料打碎后过20 mm筛,配料时将掺不同石灰剂量的混合料配制成预计的含水量,拌和均匀,密封闷料24 h.采用电动击实仪和电动脱模,这样击实功较为均匀一致.按照重型击实标准,击实筒体积为2177 cm3,分3层击实,击实后密封养生 7天浸水 4天测其膨胀量和CBR贯入量.为保证试验结果的可靠性,每组试验做3个平行试件,在进行数据处理时,根据3个平行试验结果计算的承载比变异系数CV大小取值.试验方案考虑了不同密实度、不同石灰掺量和不同含水量对CBR试验结果的影响.

1.2.2 直剪试验

因直剪试验所用环刀试样较小,制样时将风干灰白色膨胀土过5 mm筛,然后掺入预定剂量的生石灰粉并拌匀,考虑到生石灰粉吸水熟化将使混合料的含水量降低2%～3%,计算掺水量时按比最佳含水量高6%～8%配制灰土混合料,将灰土混合料密封24 h让石灰与土充分反应.静压制样时,把击实试验的人工脱模仪改装成简易反力框架,用液压千斤顶在击实试验的大试筒内静压成型.等静压试件密封养护7天后,用内径61.8 mm高20 mm的环刀取样,并立即放入真空抽气饱和容器中进行抽气饱和,饱和时间不少于12 h,饱和度达到95%以上.饱和完毕后取出试件放在应变式手摇直剪仪上进行不同荷载下固结,剪切速度为0.8 mm/min.

1.2.3 三轴剪切试验

配料及制样同直剪试验,静压制样尺寸为φ50 mm×100 mm.该试验采用的仪器为英国GDS公司的非饱和土三轴试验系统.与直剪试验的固结快剪相对应,三轴剪切试验采用固结不排水剪切.试验剪切过程分三级,第一、二级以5%的应变视为破坏,最后一级使之完全破坏形成剪切面.每级剪切速率为0.5 mm/min.

1.2.4 无侧限抗压强度试验

试件采用直径和高度为5 cm的圆柱体.备料同直剪试验.制件时采用千斤顶静压成型,然后放到脱模器上将试件顶出并将试件用塑料袋密封放入恒温恒湿箱进行养护.待试样浸水24 h后取出擦去表面可见水,采用路强仪进行试压.一般情况下每种改良土无侧限抗压强度值取3块试件的平均值,当某个试样的测量值与平均值偏差较大且超过±12%时 ,则该试样的测量值无效,按余下试样的平均值取值,如1组余下试样不足2个,则该组试验须重做.

2 试验结果分析

2.1 CBR试验结果

CBR又称加州承载比,是 California Bearing Ratio的缩写,由美国加利福尼亚州公路局首先提出来.在国外多采用CBR作为路面材料和路基土的设计参数.我国公路路基设计规范也采用了CBR指标来评价路基填料的强度性能.目前在高速公路的修建中该指标也被广泛使用.图1～图3分别列出了不同石灰掺量、不同击实功和不同含水量对CBR值的影响.

2.1.1 石灰掺量对CBR的影响

从图1可以发现,随着掺灰量的增加,CBR随之增加,掺灰3%就可以达到规范对路基填料强度的要求.因此,膨胀土经石灰改性后能大幅度地提高其强度,掺灰5%对各指标的影响是最大的,特别是CBR值由素土的1.4%增加到47.9%,超过5%后CBR的增长较小,过多的石灰并不利于改良土强度的增长.

2.1.2 击实功对CBR的影响

为了研究击实功对CBR值的影响,按掺灰剂量5%和最佳含水量配料,以击实次数 30、50、70和98进行击实.从图2中可以发现,CBR值并不随着击实次数的增加而无限制增大,当击实次数为70时,CBR值最大.随着击实功的逐渐增加,土颗粒的间距减少,击实土的密实度增大导致浸水后的渗透性降低,因此强度增大.但当击实功增加到一定程度后,由于浸水膨胀的只是表层土,表层土的密实度增加反而会导致膨胀势的增大,CBR值也有所降低.对于填筑石灰改良膨胀土路基并不是压实度越大越好,施工时可以考虑降低压实标准以改善路用性质.

2.1.3 含水量对CBR的影响

考虑到现场施工土料含水量实际情况,配制混合料的含水量分别为9%、11.2%,13.5%、14.5%、17.9%、19.1%和22.4%,石灰剂量为 5%.

从图3可以看出,当含水量较低时,CBR值随着混合料含水量的增加而增大,含水量增大到19.1%时CBR值达到最大,含水量再增大时CBR值就开始降低了,对现场土质调查表明,原状膨胀土的天然含水量在30%～35%之间,由于膨胀土的粘性较大导致很难把大块湿土打碎,所以掺灰处理膨胀土的晾晒工作量较大,而且已有试验结果表明,掺生石灰5%可以降低原状膨胀土含水量2%～3%左右,如果控制填料施工含水量大于最佳含水量3%～5%,现场的晾晒工作量就会大大减少,路基的强度也得到了保证.

2.2 抗剪强度试验结果

土的抗剪强度参数(粘聚力C和内摩擦角φ)是评价路堤稳定性的一个重要指标,由于饱和土力学在长期的工程实践中获得了广泛的应用和成功,此次抗剪试强度试验都采用饱和土力学指标.不同掺灰率对粘聚力C和内摩擦角φ的影响见图4和图5.

直剪试验的抗剪强度指标随掺灰率的变化波动较大,在膨胀土中掺灰后粘性降低,粘结力在掺灰率为3%时降到最小,当掺灰率继续增大时,粘结力反而增加,导致7%石灰土的粘结力最大,9%石灰土又有所减少.内摩擦角的变化规律与粘结力不一样,随着掺灰率的增加,内摩擦角总的趋势是增大的,虽然7%石灰土要比5%石灰土小.膨胀土的内摩擦角较小,掺灰后增幅达到了300%～500%,这是由于改良土中的粗颗粒成分增多,导致内摩擦角增大.

三轴剪切试验土样的受力状态与路堤边坡土的实际受力状态比较接近,所以它的试验指标更易于在路堤边坡稳定性验算中被采用.在膨胀土中掺入石灰后,随着掺灰率的增加,总应力抗剪强度指标和有效应力抗剪强度指标都相应增大,当掺灰率灰9%时,内摩擦角和粘结力都增加了约100%,说明石灰改良土的强度有了较大程度的提高.

2.3 无侧限抗压强度试验结果

无侧限抗压强度是评价路基土及路面基层材料强度的一个重要指标,本试验除探讨不同掺灰率对无侧限抗压强度的影响,还考虑了养生龄期的影响.改良土的无侧限抗压强度试验结果见表3.

2.3.1 掺灰率对改良土无侧限抗压强度的影响

除了养护7d和14d的3%改良土以及养护7d的5%改良土崩解外,其它改良土试件均得到了无侧限抗压强度,其掺灰率与无侧限抗压强度之间的关系见图6.

表3 不同掺灰率改良土的无侧限抗压强度/MPa

由图6可见,养生28d的全部改良土试件均没有出现崩解,曲线完整,其无侧限抗压强度在掺灰5%时出现峰值,掺灰率超过5%时,强度随掺灰率增大反而稍有减小,养护14d的改良土试件掺灰率超过5%后无侧限抗压强度也有所降低,这说明过多的掺灰并不能明显提高改良土的强度,这是由于石灰土混合料中存在两种相反的作用:一种作用是使土颗粒连接起来,主要包括石灰与土发生的离子交换作用、结晶作用、火山灰反应和碳酸化反应,促使混合料强度增加稳定性提高;另一种作用是由于石灰土还存在一部分未参加反应的消石灰,它会削弱土颗粒之间的连接;当掺灰率较小时,混合料中残留的消石灰很少,增加的掺灰量主要加强土颗粒之间的连接,这种连接作用超过消石灰的消弱作用,所以石灰改良土的强度随掺灰率的增加而增大;当掺灰量较大时,混合料中残留的消石灰越来越多,它产生的削弱作用超过石灰加强土颗粒之间连接作用,因此改良土的强度随掺灰量的增加而减小.

2.3.2 龄期对改良土无侧限抗压强度的影响

不同掺灰率改良土的无侧限抗压强度试件分别养生7d、14d、和28d,其强度与龄期的关系如图7所示.

由图7可知,掺灰3%的改良土只有养生28d的试件进行了试压,掺灰5%的改良土有养生14d和28d的试件进行了试压,掺灰7%和9%的改良土试验曲线完整,而且在这段时间内无侧限抗压强度是随时间延续线性增大的,采用直线进行拟合,相关性系数R均大于0.999,线性相关性非常好,当然,如果试验周期继续延长,这种线性关系可能不会延续下去,试件的强度会慢慢趋向一稳定值.而且,掺灰7%改良土的无侧限抗压强度随时间的增长速率比9%改良土大,这进一步说明改良土中过多的石灰并没有全部参与反应,对改善膨胀土强度和稳定性并没有明显的作用.综合前面所述,为得到有效的无侧限抗压强度,石灰改良膨胀土无侧限抗压强度试件室内标准养护时间应由7d改为28d.

3 结 论

(1)石灰改良膨胀土CBR值随掺灰量、击实功和含水量增加而增大,但当掺灰率超过5%、击实功超过70次之后 CBR值增加不明显,且含水量为19.1%的CBR值最大.这说明适当增加掺灰量和压实度有利于提高石灰改良膨胀土路堤的强度,对应于CBR最大值存在一最佳含水量;

(2)改良土直剪试验的C和φ随掺灰率增加的变化规律不明显,可能是由于直剪试样尺寸太小导致试验结果误差较大;当增大掺灰剂量时,三轴剪切的C和φ都随之增大,三轴试验的试件剪切破坏更接近于路堤破坏的真实受力状态.

(3)改良土无侧限抗压强度试验表明,除掺灰9%养生7d的试件没有浸水崩解,其它养生7d的改良土试件都浸水崩解,养生28d的不同掺灰率的改良土无侧抗压强度在掺灰5%时达到最大值;养生龄期对石灰改良土的强度形成影响较大,在养护初期无侧限抗压强度随掺灰率增加而线性增大,石灰改良膨胀土无侧限抗压强的试件养护28d较为合适.

(4)上述三种强度指标都是浸水饱和后进行测试的,CBR和抗剪强度是试样在有侧限条件下加载破坏,CBR试验实质上也是剪切破坏,只有无侧限抗压强度是在无侧限条件下的抗压破坏,实验加载条件和破坏模式不一样会导致试验结果规律性的差异,而且CBR试验的试件尺寸最大更能模拟路基真实受力状态.

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