石灰改良膨胀土抗剪强度参数试验研究

边加敏，蒋 玲，王保田

石灰改良膨胀土抗剪强度参数试验研究

边加敏1a，1b，2，蒋 玲1a，1b，王保田2

（1.南京交通职业技术学院a.路桥工程系；b.江苏省道路交通节能减排技术研发中心，南京 211188；2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098）

对石灰改良膨胀土强度形成机理进行了分析，研究了养护时间、初始含水率、掺灰率对石灰改良膨胀土的凝聚力及内摩擦角的影响，提出综合考虑含水率与掺灰率的凝聚力计算式，通过研究认为养护时间对凝聚力和内摩擦角的影响0～7 d比7～28 d大，但对内摩擦角的影响比凝聚力小，这些结论的得出对进一步研究石灰改良膨胀土的抗剪强度具有一定的参考意义。

膨胀土；石灰改良土；抗剪强度；养护时间

1 研究现状

在高速公路建设过程中，经常遇到沿线分布有不良土质如膨胀土、淤泥等。由于土地珍贵，土源紧张，不得不利用当地的特殊土来填筑路基，膨胀土就是其中最为普遍的一种。根据公路规范的相关规定，公路工程中不能使用强膨胀土铺筑路堤，中、弱膨胀土经过处理后可以用来铺筑路堤，目前工程上最常用的膨胀土改良方法有物理法与化学法，其中以化学改良法的石灰改良运用最为广泛。

目前我国学者对石灰改良膨胀土的研究主要集中在强度及变形2个重点的研究方向上［1－4］，其中对强度的研究进行得较多也较为广泛，取得了部分共识，但其中部分成果的实际应用性不强，为了进一步研究石灰改良膨胀土的抗剪强度的影响因素，提出最大限度地符合实际的石灰改良膨胀土抗剪强度的计算公式，并用于指导实际工程，笔者在试验的基础上对抗剪强度参数的影响因素进行了试验研究。

目前我国学者对膨胀土强度的研究主要集中在以下几个方面：

韩华强［5］研究了干湿循环对膨胀土抗剪强度参数的影响，得出干湿循环对非饱和膨胀土抗剪强度参数的影响表现为有效凝聚力明显降低，有效内摩擦角几乎不变。

谭松林［6］对养护时间对石灰改良膨胀土抗剪参数的影响进行了研究。

李雄威［7］等对考虑水化状态影响的膨胀土强度特性进行了研究，通过直剪试验得出凝聚力随水化时间的延长逐渐衰减并趋于稳定的规律，内摩擦角主要围绕在一个定值上下波动，膨胀土水化作用的温度越高，土体强度越低。三轴试验的结果表明，凝聚力和内摩擦角均随温度的升高而线性降低，其中凝聚力降低的幅度要大于内摩擦角，并提出以下计算公式：

刘华强［8］、徐彬［9］等研究了裂隙对非饱和土膨胀土抗剪强度指标的影响，得出无论是凝聚力还是内摩擦角都随着裂隙的出现而减小，但裂隙的出现对凝聚力的影响更大，且刚出现裂缝时凝聚力降低幅度最大。

2 石灰改良膨胀土的强度形成机理分析

在膨胀土中加入石灰进行膨胀土的改良处理，主要是石灰可以改变黏土矿物的微结构，从而引起膨胀土工程性质的变化［10－11］，这种作用的机理主要体现在以下4个方面。

2.1 离子交换作用

膨胀土的微小颗粒在水中呈现一定的胶体性质，并带有负电荷，表面吸附一定数量的钠、钾、钙、氢等低价阳离子（Na＋，K＋，Ca2＋，H＋）。石灰是一种强电解质，在土中加入石灰后，石灰在水中电离出来的高浓度钙离子（Ca2＋）能与土中的钠离子（Na＋）产生离子交换作用，减少了土颗粒表面吸附水膜的厚度，使颗粒之间更为接近，分子引力随之增加，许多单个土粒聚成小团粒，组成一个稳定结构。

2.2 结晶作用

在石灰稳定土中只有一部分熟石灰Ca（OH）2进行了离子交换作用，而绝大部分饱和的Ca（OH）2可以自行结晶，将膨胀土颗粒胶结成一个整体。

2.3 碳酸化作用

稳定土中的Ca（OH）2与空气中的CO2作用生成坚硬的CaCO3结晶体。它可以把膨胀土颗粒胶结起来，阻止外界水分与强吸水矿物的有机结合，从而大大提高膨胀土的强度和整体性能。

2.4 硬凝作用

石灰与土中的活性的氧化硅、氧化铝起化学反应生成含水的硅酸钙和铝酸钙，它们在水分作用下逐渐硬结，硅酸钙和铝酸钙是一种水稳性良好的结合材料，硬凝反应是构建石灰土早期强度的原因之一。

3 初始含水率、掺灰率对抗剪强度参数的影响

3.1 土性参数的确定

为了研究初始含水率及掺灰率对抗剪强度参数的影响，笔者选取了湖北省枣阳某取土场的试验土样，按照膨胀土胀缩等级判定为弱膨胀土。具体土的物理性质如表1所示。

3.2 试验方法及试样的制备

将原状土破碎过2 mm筛后，分别按照12%，14%，16%，18%的含水率向土样中加水，加水完成后放入塑料袋中，并扎紧塑料袋口以防止水分散失，同时放入阴凉处对其养护1 d，使得水分均匀分布。

为了最大限度地模拟现场的施工过程和施工方法，试验中灰土的拌合采用二次掺灰法，二次掺灰法的第一次拌灰能够使得试验用的膨胀土“砂化”，从而使得第二次拌灰均匀，根据文献资料及笔者试验用土的相关试验参数，第一次掺灰的石灰剂量选择2%，拌合均匀，放入袋中扎紧，放入阴凉处养护2 d，取出后掺加剩余的石灰，并拌合均匀，再养护48 h后制作试样，试样干密度选择1.7 g／cm3（此干密度指的是干土质量除以环刀体积，不考虑石灰质量）。

试验仪器采用ZJ－4型直剪仪，上附压力分别选择50，100，150，200 kPa共4种。

3.3 试验数据处理及分析

用环刀制样后放入直剪仪中进行快剪试验，测定抗剪强度与上附压力的关系后通过绘图计算抗剪强度参数，其抗剪强度参数的相关试验数据如表2所示。

为了研究相同龄期的情况下掺灰率与抗剪强度参数之间的关系，笔者对凝聚力和内摩擦角与掺灰率的关系进行拟合，具体见图1、图2。

表2 含水率、掺灰率与抗剪强度参数试验数据Table 2 The test results of water content，lime rate and shear strength

（1）图1显示在相同含水率的情况下凝聚力随着掺灰率的增大而增大，且凝聚力与掺灰率近似成线性关系，即c＝a1h＋b1。其中：c为凝聚力；h为掺灰率；a1，b1为试验参数。通过分析计算得出最小相关性系数为0.95（16%含水率），最大相关性系数为0.993（12%含水率），相关性系数较大，满足线性相关的要求。在相同含水率的情况下，掺灰率对试验含水率段的石灰改良土凝聚力的影响较大，分别增加20.6，22.7，27.9，31 kPa。

表1 试验用膨胀土的物理性质Table 1 Physical properties of tested expansive soil

图1 掺灰率与凝聚力关系Fig.1 Relation between lime rate and cohesion

图2 掺灰率与内摩擦角的关系Fig.2 Relation between lime rate and internal friction angle

（2）图2显示内摩擦角随着掺灰率的增大而逐渐增大，且近似成线性关系可以用公式φ＝a2h＋b2，但内摩擦角增大数值并不大，12%，14%，16%，18%4种含水率对应内摩擦角增大的数值分别为1.1，2.0，0.8，0.7。从另一个方面证明了内摩擦角与土样的自身性质有关，外界对其影响较小。

为了进一步研究掺灰率与凝聚力的关系，笔者将系数a1，a2与b1，b2与含水率的关系进行了研究，研究结果见图3至图6。

图3 a1值与含水率关系Fig.3 Relation between coefficient a1and water content

图4 b1值与含水率的关系Fig.4 Relation between coefficient b1and water content

（1）根据图3得出a1与含水率的关系可以用直线进行拟合，即

其相关性系数为R2＝0.987 4。

（2）将系数b1与含水率进行了拟合，得出b1与含水率可以用一次曲线进行拟合，即

其相关性系数R2＝0.998 9。

（3）图5、图6显示含水率对a2，b2的影响没有一定规律，但不管如何变化，图中显示a2，b2总是围绕一固定值上下波动。在图5中随着含水率的变化a2的变化较小，最大值与最小值相差0.06左右，且总是围绕0.14波动；图6显示b2值总是围绕着36.3波动。这一现象可能是由于实验中微小误差所造成的。故此将a2，b2设定为一固定值，即a2＝0.14，b2＝36.3。

图5 a2值与含水率的关系Fig.5 Relation between coefficient a2and water content

图6 b2值与含水率的关系Fig.6 Relation between coefficient b2and water content

就本文的试验用土而言，综合上面得到

式中：c为凝聚力；φ为内摩擦角；w为含水率；h为掺灰率；ac1，bc1，ac2，bc2，aφ，bφ为相关试验参数。

3.4 抗剪强度参数与初始含水率关系

凝聚力与初始含水率有一定的关系，为了研究凝聚力与初始含水率的关系，笔者对试验用相关数据进行了拟合，结果如图7、图8所示。

（1）通过对图7的分析我们可以看出，在相同掺灰率的情况下，凝聚力与初始含水率近似成线性关系，即c＝aww＋bw，其相关系数较高，4种灰剂量的线性相关系数都达到0.97以上，本文最大试验含水率为18%大于重型击实最优含水率16%，在本文试验含水量下，凝聚力随着掺灰率的增大而增大，根据相关文献［3，11］的研究结果，在初始含水率小于wop＋3%时，石灰土的抗剪强度随着掺灰率的增加而增加，这与本文的试验结果较为符合，文献［3］、文献［11］同时指出当初始含水率大于wop＋3%时，抗剪强度随着初始含水率的增加而减小，由于本文试验含水率限制，未能得出相关结论。

图7 含水率与凝聚力关系Fig.7 Relation between water content and cohesion

（2）图8显示内摩擦角与初始含水率也成线性关系，即φ＝cww＋dw且内摩擦角随着初始含水率的增大而增大，但在相同掺灰率的前提下，各种掺灰率的内摩擦角随着含水率的增加而增加的幅度不大，最大增加率为2%，其内摩擦角增加量为1.1，其余内摩擦角的增加基本一致，约增加0.8左右。出现这一现象可能是由于2%掺灰率的石灰土含水率由12%增加至18%时石灰能够与水完全反应，而其余掺灰率较大的石灰土石灰不能与水完全反应的原因。

图8 含水率与内摩擦角的关系Fig.8 Relation between water content and internal friction angle

4 龄期对抗剪强度参数的影响

在影响抗剪强度的众多因素中，龄期无疑是其中比较重要的因素之一，石灰改良土与水泥改良土相比的最大缺点在于早期强度不足，但许多学者通过研究发现经过一定龄期的石灰土其强度与水泥改良土的强度相当。

笔者以文中试验用土中2%，6%2种掺灰率、初始含水率为12%，16%2种弱膨胀土为研究对象，分别对该膨胀土7 d与28 d强度进行了试验研究，具体试验结果如表3所示。

为了研究抗剪强度参数与龄期的关系，笔者将上表中的相关试验结果绘制于图9、图10中。

图9 养护时间与凝聚力关系Fig.9 Relation between curing time and cohesion

图10 养护时间与内摩擦角的关系Fig.10 Relation between curing time and internal friction angle

通过分析图9、图10得出以下几点结论：

（1）凝聚力随着养护时间的增加不断地增加，通过图9我们发现在养护时间1～7 d的凝聚力增长比7～28 d凝聚力增长快，这一结论在其他学者的研究资料中也得到了验证。笔者认为出现这一现象的原因可能有以下几个方面：①由于前期出现的CaCO3结晶体形成的保护膜将Ca（OH）2与空气中的CO2隔开，阻止离子交换作用、碳化作用及结晶作用的进一步发生而造成的。②不同的养护时间段，石灰土强度形成的机理不同，相关研究表明硬凝作用在石灰土早期强度形成的过程中起到重要的作用。

（2）通过数据拟合，内摩擦角随养护时间的增长不成线性关系，通过研究图10我们发现在1，7，28 d这3种养护时间的内摩擦角变化非常小，其变化均在1以内。其中在1～7 d的内摩擦角变化较7～28 d的内摩擦角变化快，这一时间节点与凝聚力的变化节点类似。图9、图10证明在石灰土养护的过程中，其抗剪强度的变化并不是呈线性关系，而是呈现前快后慢的特点，根据本文的试验数据抗剪强度变化的时间节点在7 d。

（3）随着掺灰率和含水率的增大，内摩擦角和凝聚力都进一步地增大，但增大幅度不一致。在相同含水率的情况下，凝聚力和内摩擦角都随着掺灰率的增大而增大，在相同掺灰率的情况下，凝聚力和内摩擦角都随着含水率的增大而增大。

（4）比较图9、图10我们发现，龄期对凝聚力的影响要远远大于对内摩擦角的影响，在文中试验用土28 d的凝聚力增大在40%左右，而内摩擦角的增大在5%以下。

5 相关工程问题思考

（1）关于工程最优拌土含水率的思考：根据本文及部分学者的研究结果，试验用土在最优含水率的情况下掺灰并不能取得最大的抗剪强度，最优拌土含水率与最优含水率并不一致，最优拌灰含水率一般比最优含水率要大，具体数值根据掺灰率决定。文献［3］、文献［11］建议将拌合含水率设定在wop＋3%附近，其并未考虑掺灰率及龄期的影响，笔者认为对于不同的掺灰率应考虑不同的拌合含水率。

（2）关于最优拌灰率确定的思考：目前我国公路路基设计规范用CBR值来表示高速公路路基的最小强度，这虽然与本文的采用直剪试验测得的强度有一定的区别，但其反映土体强度的本质一致。目前科研人员将拌合后未经养护的土样直接用于土样试验，直接测定其CBR值，这显然没有充分考虑养护时间对土样强度增加的影响，造成实际工程的浪费，根据本文的研究成果养护7 d后其直剪强度增大约40%左右，因此笔者建议在测定土体CBR值时将土样养护7 d后测定其CBR值或者直剪强度，以确定其最优掺灰率。

6 结 论

通过以上相关的室内试验并对相关试验结果的分析，我们可以得出以下结论：

（1）凝聚力和内摩擦角与掺灰率近似呈线性关系，笔者把系数a1，a2，b1，b2与含水率的关系进行拟合，结果显示a1和b1与含水率均呈线性关系，a2和b2与含水率不成线性关系，且围绕某一固定值波动，综合以上提出综合考虑掺灰率与含水率的抗剪强度参数计算公式：

（2）在文中的含水率、灰剂量及养护时间范围内，含水率和掺灰率及养护时间对内摩擦角的影响要远远小于对凝聚力的影响。

（3）养护时间对凝聚力与内摩擦角的影响呈现前快后慢的特性，即在文中养护时间的情况下1～7 d的增速比7～28 d大。

（4）建议改变现行施工规范中的最优拌土含水率及最优掺灰率的确定方法，用7 d龄期的石灰土CBR及直剪强度进行最优掺灰率的确定，同时在最优拌土含水率的确定时考虑掺灰率的影响，对于不同的掺灰率采用不同的最优施工含水率。

［1］ 査甫生，刘松玉，杜延军.石灰－粉煤灰改良膨胀土试验［J］.东南大学学报，2007，（3）：339－344.（ZHA Fu-sheng，LIU Song-yu，DU Yan-jun.Experiment on Improvement of Expansive Clays with Lime-fly Ash［J］.Journal of Southeast University（Natural Science E-dition），2007，（3）：339－344.（in Chinese））

［2］ 罗 冲，殷绅龙，周春梅，等.膨胀土在不同约束状态下的试验研究［J］.岩土力学，2007，（3）：635－638.（LUO Chong，YIN Kun-long，ZHOU Chun-mei，et al.Testing Study on Expansive Soil in Different Restrained Conditions［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，（3）：635－638.（in Chinese））

［3］ 郭爱国，孔令伟，胡明鉴.石灰改良膨胀土施工最佳含水率确定方法探讨［J］.岩土力学，2007，（3）：517－521.（GUO Ai-guo，KONG Ling-wei，HU Mingjian.On Determination of Optimum Water Content of Lime-Treated Expansive Soil［J］.Rock and SoilMechanics，2007，（3）：517－521.（in Chinese））

［4］ 张宛林，张绍东，顾 凯.膨胀土掺石灰对土的工程特性影响机制探讨［J］.工程地质学报，1999，（12）：372－374.（ZHANG Wan-lin，ZHANG Shao-dong，GU Kai.Discussion on the Mechanism of Effect of Expansive Soil Mixed with Lime on Engineering Properties of Soil Mass［J］.Journal of Engineering Geology，1999，（12）：372－374.（in Chinese））

［5］ 韩华强，陈生水.膨胀土的强度和变形特性研究［J］.岩土工程学报，2004，（5）：422－424.（HAN Huaqiang，CHEN Sheng-shui.A Study on Strength and Deformation of Expansive Soils［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2004，（5）：422－424.（in Chinese））

［6］ 谭松林，黄 玲，李玉花.加石灰改良后膨胀土的工程性质研究［J］.工程地质学报，2009，（17）：421－425.（TAN Song-lin，HUANG Ling，LI Yu-hua.Engineering Properties of Expersive Soil Mixed with Lime at Yichang-Jingmen Expressway［J］.Journal of Engineering Geology，2009，（17）：421－425.（in Chinese））

［7］ 李雄威，孔令伟，郭爱国，等.考虑水化状态影响的膨胀土强度特性［J］.岩土力学，2008，（12）：3193－3198.（LIXiong-wei，KONG Ling-wei，GUO Ai-guo，et al.Strength Characteristics of Expansive Soil Considering Effect of Hydrous State［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，（12）：3193－3198.（in Chinese））

［8］ 徐 彬，殷宗泽.裂隙对膨胀土强度影响的试验研究［J］.水利水电技术，2010，（9）：100－104.（XU Bin，YIN Zong-ze.Experimental Study on Strength of Expansive Soil under Influence of Cracks［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，（9）：100－104.（in Chinese））

［9］ 刘华强，殷宗泽.裂缝对抗剪强度指标影响的试验研究［J］.岩土力学，2010，（3）：727－731.（LIU Huaqiang，YIN Zong-ze.Test Study of Influence of Crack E-volution on Strength Parameters of Expansive Soil［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，（3）：727－731.（in Chinese））

［10］马 新，孙友宏，刘大军.高速公路路基膨胀土改良的实验研究［J］.吉林大学学报，2005，（3）：213－217.（MA Xin，SUN You-hong，LIU Da-jun.A Study on the Experimental of Modified Treatment on the Expansive Soil for Expressway Bed［J］.Journal of Jiling University（Earth Science Edition），2005，（3）：213－217.（in Chinese））

［11］李志祥，胡瑞林，熊野生，等.改良膨胀土路堤填筑含水率优化试验研究［J］.工程地质学报，2005，（13）：113－116.（LI Zhi-xiang，HU Rui-lin，XIONG Yesheng，etal.Experiment Study on OptimalWater Content of the Modified Expansive Clay Used as the Embankment Fills［J］.Journal of Engineering Geology，2005，（13）：113－116.（in Chinese） ）

（编辑：王 慰）

Shear Strength Parameters of Lime-Treated Expansive Soils

BIAN Jia-min1，2，3，JIANG Ling1，2，WANG Bao-tian3
（1.Department of Road and Bridge Engineering，Nanjing Communications Institute of Technology，Nanjing 211188，China；2.Jiangsu Research Center for Traffic Energy Saving and Emission Reduction，Nanjing Communications Institute of Technology，Nanjing 211188，China；3.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

The strength formation mechanism of lime-treated expansive soil is analyzed，and then the effects of curing time，initialmoisture content，lime rate on the cohesion and the internal friction angle of the treated expansive soil are investigated.The cohesion calculation formula in consideration ofwater content and lime rate is proposed.It is believed that the influence of curing time of0-7 days on the cohesion and internal friction angle is larger than that of7-28 days，and the curing time has less influence on internal friction angle than on cohesion.These conclusions can be referential for researches on the shear strength of lime-treated expansive soil.

expansive soil；lime treated soil；shear strength；curing time

TV443.3

A

1001－5485（2012）12－0062－06

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.013 2012，29（12）：62－67

2011－10－20

国家自然科学基金重点项目（50639010）；教育部博士点基金（20100094110002）；江苏省道路交通节能减排研发中心（JN201103）；南京交通职业技术学院科研项目（JY1006）

边加敏（1979－），男，江苏南京人，博士研究生，主要从事非饱和土方面的学习和研究工作，（电话）15951670241（电子信箱）bianjiamin1114＠yahoo.com.cn。