高液限土掺灰改良的试验研究

张亚杰，洪宝宁，刘 鑫

（1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京210098；2.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京210098；3.河海大学隧道与轨道工程研究所，江苏南京210098）

高液限土掺灰改良的试验研究

张亚杰1，2，洪宝宁1，2，刘 鑫1，3

（1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京210098；2.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京210098；3.河海大学隧道与轨道工程研究所，江苏南京210098）

针对高液限土通过掺灰改良应用于路堤填筑方面的理论不足，对掺灰改良前后土体性能进行了试验研究。采用界限含水率试验、自由膨胀率试验和无荷膨胀试验、干湿循环下改良土的水稳定性试验，对高液限土改良前后、不同灰剂量、不同养护时间下的力学性质、变形和稳定性方面的变化进行研究。研究表明，灰剂量4%、养护7－14天时，其液限及塑性指数下降明显。石灰改良土无荷膨胀率明显低于素土无荷膨胀率，且灰剂量4%、养护7天时，其膨胀率降低效果最好。干湿循环作用下，素土很快崩解，而石灰改良土则随着灰剂量增大，其膨胀现象越是推后且不明显。改良土的CBR值先随循环次数的增加而增大，后渐趋平稳，2%和4%灰剂量的循环到一定次数之后有所降低。

高液限土；灰剂量；养护时间；塑性指数；CBR值；水稳定性

高液限土因其天然含水率大、细颗粒含量高、塑性指标偏大，根据现行行业标准，不得直接作为路堤填料。因此实际工程中，高液限土多进行掺砂或掺水泥改良，然后再进行路堤填筑，取得了一定的效果。然而，对于掺灰改良，由于研究较少，施工中应用也较为谨慎。本文就高液限土掺灰改良后其主要性能指标的前后变化展开室内研究，以期对高液限土掺灰改良路堤填筑设计和施工提供理论参考。

高液限土作为路堤填料，其物理力学指标，变形和强度，不仅涉及路堤结构稳定，也对路面结构有着不容忽视的影响［1］。因此本文通过界限含水率试验、膨胀率试验、干湿循环试验围绕改良前后土体的塑性、膨胀性、水稳定性的变化情况展开研究分析。

1 界限含水率试验研究

《公路路基施工技术规范》［2］规定：对液限高于50%，塑性指数大于26，含水率不适宜直接压实的细粒土，不得直接作为路堤填料；需要使用时必须采取技术措施处治，经检验满足工程设计要求后方可使用。为了掌握掺石灰改良后，土的液限、塑限、塑性指数等发生怎样变化，能否满足规范要求，随着灰剂量的增加以及养护时间的增长，改良土的界限含水率如何变化等，开展相关的试验研究［3］。试验结果见图1～图3。

图1 液限随灰剂量的变化关系

图2 塑限随灰剂量的变化关系

由图1～图3可以看出，掺入生石灰后，高液限土的液限、塑限、塑性指数都发生了明显的变化，随着灰剂量从0到4%，液限下降明显，由70.1%下降到63.9%，变化率为8.8%，说明掺入石灰后土中粘粒含量减少，亲水性减弱；灰剂量从4%到8%时，下降幅度逐渐减小，趋于平缓；可见4%的灰剂量是一个明显的转折点，液限下降趋势越并非与灰剂量的增加成正比，塑性指数变化同液限。除此外，养护时间也有着密切关系，在石灰加入后的前7 d，各项指标变化都较明显，7 d以后虽然仍在变化，但幅度减小，基本趋于平缓。

图3 塑性指数随灰剂量的变化关系

2 膨胀性变化规律研究

根据相关研究成果及工程经验，高液限土呈现相当的弱膨胀性，虽然《公路路基设计规范》［4］（JTGD30－2004）中规定：土体自由膨胀率≤40%，不属于膨胀土范畴。但是，当自由膨胀率介于30%～40%之间时，还应综合考虑其他指标如最大体缩率、粘粒含量及膨胀率等进行判定。结合高液限土诸多不良工程性质，其膨胀性对路堤质量和路面结构稳定性产生影响不容忽视［5］，有必要进行研究。为了掌握改良土膨胀性，采用自由膨胀率试验和无荷膨胀率试验来研究素土及石灰改良土在自由状态下以及压实后无荷载时的膨胀性。

2.1 自由膨胀率试验

自由膨胀率是一定体积的烘干并充分分散后的土粒在水中没有任何限制条件下充分吸水产生自由膨胀，其膨胀稳定后的体积增量和初始体积之比为：

式中：δef为自由膨胀率（%）；Vw为吸水膨胀后体积（cm3）；V0为烘干土自由堆积状态下体积（cm3）。

通过不同灰剂量、不同养护时间下的试验研究，自由膨胀率随其变化关系参见图4和图5。试验中，未经处理的高液限粘土的自由膨胀率经测试已达32%，可见若不加处治直接运用到工程上会对工程产生严重的危害。直接用于路基填筑时，会造成路基的开裂、不均匀沉降等路基病害［6］，故需对其进行改良，以消除其胀缩性给工程带来的危害。

图4 自由膨胀率随灰剂量的变化关系

图5 自由膨胀率随养护时间的变化关系

从图4和图5可以看出，自由膨胀率随灰剂量与养护时间有较大变化，灰剂量在0～4%范围内变化时，自由膨胀率降低较为显著，随后随灰剂量增加变化幅度减小甚至有小幅上升的趋势。养护7 d时，自由膨胀率较初始时变化明显，随后随着养护时间的增长，虽然自由膨胀率仍然在下降，但是下降的幅度和7 d时相比较已经相差无几，基本趋于平缓。

由试验结果可知，经生石灰改良后，高液限粘土的自由膨胀量大大减小，说明掺石灰可有效改善高液限土的膨胀性。

2.2 无荷膨胀率试验

无荷膨胀率是指土体无荷载有侧限条件下浸水后在高度方向上的单向膨胀与原高度之比，用百分率表示。室内试验是用环刀取土测定的，由于是在有侧限条件下的线膨胀率，因此测得的膨胀率（线胀率）实际上就是体胀率。表达式为：

式中：δep为线膨胀率（%）；h0为土样原始高度（mm）；hw为土样膨胀稳定后的高度（mm）。

试验中，每个灰剂量制样四个，分别放入2%、 4%、6%、8%的灰土中养护，待3 d、7 d、14 d、28 d时，分别取出做无荷膨胀率试验。

素土和不同灰剂量的改良土无荷膨胀率和时间的关系参见图6～图9。

图6 不同灰剂量线膨胀率曲线（3 d）

图7 不同灰剂量线膨胀率曲线（7 d）

图8 不同灰剂量线膨胀率曲线（14 d）

从图6～图9可以看出，不同灰剂量改良土的无荷膨胀率随时间变化较大，7 d时，4%灰剂量的石灰改良土的无荷膨胀率仅为0.025%，几乎为零。灰剂量大于4%时，养护7 d即可使其膨胀性完全消除。14 d和28 d时，除2%灰剂量的改良土仍具有少许膨胀外，其它都不再膨胀。综合经济和效果，高液限土掺入4%灰剂量养护上7 d时的改善土体膨胀率的性价比最优。

图9 不同灰剂量线膨胀率曲线（28 d）

分析其主要原因，高液限土中的粘土矿物吸水的同时，也与其发生了离子交换，从而导致胀缩性变小。另外石灰加入土中后，经过物化作用，随之生成胶凝物，形成凝胶团结构（氢氧化钙），并与土粒结合形成共晶体，把土粒胶结成整体，使改良土水稳定性得到提高［7］。

可以看出，高液限土本身具有的膨胀性会对路基产生一定的影响，未经改良的高液限土路堤即使碾压成型，本身具有的膨胀性也会影响路堤的稳定性。因此，在对高液限土进行改良的同时也应该把高液限粘土本身具有的膨胀性考虑在内。但是高液限土在浸水状态下的膨胀性是不是导致高液限土路堤干缩裂缝的主要原因还要通过干湿循环试验进一步验证［8］。

3 水稳定性研究

高液限土路堤由于水分的散失会产生干缩裂缝，从而严重危害路堤安全。而在南方多雨地区，干湿季节的交替、地下水位的升降等均会导致路堤填土含水率的变化，影响路堤的强度和变形［9］。通过干湿循环试验方法对素土及改良土在经历干湿交替变化状态下的强度和变形特性进行研究，通过其表面裂缝的发展状态来评价改良效果。

3.1 素土、改良土干湿循环状态下变形特性

制样及试验方法与无荷膨胀率试验相同［10］，将制备好改良土的试样放在地下室的湿砂中养护，养护期间用喷水壶向湿砂表面定期喷水，防止砂变干，室温下存放7昼夜，然后进行干湿循环试验。定义相对膨胀率δr

式中：h为试样膨胀稳定后的高度；hi为第i次循环前试样的高度。试验结果见图10、图11。图11中峰值为试样每次浸水后的高度，谷值为试样风干至制样含水率的高度。

素土经历了三次干湿循环，在第4次浸水后发生崩解，2%灰剂量改良土前期随着循环次数的增加略有膨胀，5个循环后趋于恒定。4%石灰改良土直到第七次干湿循环后才稍有膨胀。6%和8%灰剂量的石灰改良土整个循环过程未见膨胀，试样的整体性完好。

图10 相对膨胀率随干湿循环次数的变化

图11 试样高度随干湿循环次数的变化关系

由图11中素土和2%石灰改良土试样高度变化，说明试样的胀缩变形不是完全可逆的，存在一种类似于塑性变形的不可恢复的变形。素土的循环破坏说明高液限素土的水稳定性很差，即使能够达到规定的压实度，在经历几个干湿循环后，路基将会出现严重的破坏［11］。2%灰剂量改良土水稳性能就比素土好很多，4%时膨胀现象已很弱，当高达6%和8%时几乎不见膨胀现象，可见添加一定量石灰剂量可有效改善高液限土的水稳性，增强其抗干湿循环能力。

3.2 改良土干湿循环状态下的强度特性

通过干湿循环过程中石灰改良土的CBR变化情况进行干湿循环状态下改良土的强度特性研究［12］。改良土的承载比随干湿循环次数的变化关系参见图12。

图12 改良土承载比随干湿循环次数的变化关系

试验中，2%灰剂量改良土循环到第六次时，试样边缘脱落严重，导致试验无法继续进行，至此终止。4%、6%、8%灰剂量改良土试验一直持续到第十五次。由图12知，2%、4%灰剂量改良土的CBR值先随循环次数的增加而增大，循环到一定次数之后再降低。6%、8%灰剂量改良土先随循环次数增加而增加，后渐趋平稳，直至第十五次循环未出现明显下降趋势。通过改良土的干湿循环试验可以看出，素土的水稳定性很差，在干湿循环过程中会出现严重的干缩裂缝，经历几次干湿循环后最终发生崩解。相比而言，石灰改良土很好的解决了高液限土的干缩裂缝问题，灰剂量在4%以上时，便具有良好的水稳定性，变形和强度指标明显提高，可以达到满足路堤的工程要求，且在整个的干湿循环过程中没有出现干缩裂缝现象。综上所述，掺石灰能有效的解决高液限土水稳定性差的问题。

4 结 论

（1）当高液限土中添加4%左右灰剂量，养护至7 d～14 d，其液限明显降低、塑限大幅提高，塑性指数显著降低，因此，对于天然含水率高，塑性指数偏高的高液限土可通过掺灰改良可改善其工程特性。

（2）石灰改良土的无荷膨胀率明显低于素土的无荷膨胀率。且在灰剂量为4%，养护时间为7 d时，可达到综合性能较好的降低膨胀率的效果。

（3）干湿循环作用下，素土很快崩解，而石灰改良土则随着灰剂量的增大，其膨胀现象越是推后且不明显。

（4）掺加石灰能有效增加高液限土CBR值，但随掺灰量的增加其效果并不一定呈直线性变化，存在一最佳掺灰量，从本次试验结果来看，最佳掺灰量为6%。

［1］ 杨和平，张 锐.有荷条件下膨胀土的干湿循环胀缩变形及强度变化规律［J］.岩土工程学报，2006，28（11）：1936-1941.

［2］ 中华人民共和国交通部.JTGF10－2006.公路路基施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

［3］ 中国人民共和国交通部部标准.公路土工试验规程.JTJ051－81［S］.北京：人民交通出版社，1982.

［4］ 中华人民共和国交通部.JTGD30－2004.公路路基设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［5］ 张麒蛰.高液限红粘土路堤修筑技术探讨［J］.水利与建筑工程学报，2007，5（1）：83-85.

［6］ 容玲聪，刘银生，赵纯健，等.高液限土路堤纵向裂缝形成分析［J］.公路，2003，（11）：142-143.

［7］ Sezer A，Inan G，Yilmaz H R，et al.Utilization of a very high lime fly ash for improvement of Izmir clay［J］.Building and Environment，2006，41（2）：150-155.

［8］ 郑 军，阎长虹，夏文俊，等.干湿循环对新型固化土承载强度影响的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（z1）：3051-3056.

［9］ 胡明鉴，孔令伟，郭爱国，等.襄十高速公路石灰改性膨胀土填筑路基施工工艺和影响因素分析［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（z1）：4623-4627.

［10］ 吕海波，曾召田，赵艳林，等.膨胀土强度干湿循环试验研究［J］.岩土力学，2009，30（12）：3797-3802.

［11］ 朱冬梅，邓百洪，洪宝宁，等.广东云浮高液限土路堤填料改良方案试验研究［J］.公路交通技术，2010，（2）：5-10.

［12］ 赵学峰，尚云东.生石灰改良高液限土路用性能的试验研究［J］.路基工程，2009，（5）：153-155.

Experimental Study on High Liquid Lim it Soil Improved by Lime

ZHANG Ya-jie1，2，HONG Bao-ning1，2，LIU Xin1，3
（1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China；2.Geotechnical Engineering Research Institute，HohaiUniversity，Nanjing，Jiangsu 210098，China；3.Tunnel and Rail Project Research Institute，HohaiUniversity，Nanjing，Jiangsu 210098，China）

Aimed at the theory lackness of high liquid limit soil’s application in embankment filling，the test and study are carried out for the soil properties before and aftermixingwith lime.Through the limitmoisture content test，expansion ratio testand water stability testunder dry-wet circulation，the physical andmechanical properties and the changing regulationsof themixed soilunder differentash dosage and curing time are studied.Themain results show thatunder the lime dosage of 4%and 7～14 curing days，both liquid limitand plastic index have obvious decline；themixed soil’s expansion ratio is significantly lower than thatof plain soil，and the achieved effect is best in the lime dosage of4%and curing time of7 days；with the dry-wet circulation，the plain soil collapses soon，while themixed soil’s expansion occuers later and is notobviouswith the increase of lime dosage；themixed soil’s CBR value first increaseswith the cycle times，then gradually levels off，and under the lime dosage of 2%and 4%，tends to decrease after certain cycle times.

high liquid lim it soil；lime dosage；curing time；p lasticity index；CBR value；water stability

TU411.2

A

1672—1144（2014）01—0006—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.002

2013-08-21

2013-09-17

国家自然科学基金资助项目（51079052）；广东省交通厅科技项目（200903005）；河海大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2012B03014）

张亚杰（1988—），女，河南周口人，硕士研究生，研究方向为软基处理和地下工程。