绵阳地区冰水堆积土石灰改性试验研究

祝敏刚，陈鹏宇，齐云龙，卫军刚，汤维武

(1. 建材广州地质工程勘察院，广东 广州 510403；2. 中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074；3. 核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610061)



绵阳地区冰水堆积土石灰改性试验研究

祝敏刚1，陈鹏宇2，齐云龙3，卫军刚3，汤维武3

(1. 建材广州地质工程勘察院，广东 广州 510403；2. 中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074；3. 核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610061)

为全面系统地研究绵阳地区冰水堆积土加石灰前后的工程性质及力学性质的变化规律等，对0%，3%，5%，7%，9%，11%石灰掺量下绵阳地区冰水堆积土进行了室内试验研究，得到冰水堆积改良土改性前后的颗粒级配、自由膨胀率、塑性指数、膨胀量、抗剪强度、CBR值和无侧限抗压强度等数据，从而确定其最佳掺灰比为7%。

道路工程；冰水堆积物；颗粒级配；工程性质；力学性质

0 引 言

我国西部高山高纬度地区广泛分布有第四纪冰水堆积地层，冰水堆积物储量丰富，已经逐渐应用于土石坝建设和高速公路路基填筑施工中[1-2]。目前，国内对于冰水堆积物用作公路填料的研究尚少，工程经验较少[3-4]。我国西部地区地质条件复杂、地震活动频繁，在公路建设中必须考虑冰水堆积物的工程性质。因此，研究冰水堆积物这种新填料的工程特点，获取其路基工程性状具有重要的理论意义和应用价值。

绵阳地区广泛分布有中更新统高阶地冰水堆积物。土体由黏土和砾卵石混杂堆积组成，室内试验表明其中的黏性土具有一定的膨胀性。因此，在考虑其作为天然路基或填料时，应该注意其土体特性，严格按照膨胀土地区建筑技术规范(GB 50112—2013)相关要求对土体进行改良。笔者依托某道路勘测工程，通过大量的室内试验及相应的理论分析对绵阳地区冰水堆积土进行石灰改性试验研究，通过系统分析比较改性前后冰水堆积土的工程特性，从而确定最佳掺灰比，为该区域工程设计、施工与质量控制提供了可靠的参考依据。

根据绵阳地区的地理地质条件，从安全经济角度出发，笔者采用石灰作为改良剂改良路基土的物理改良法。石灰对路基土的改良是通过石灰与土之间的物理作用，物理化学作用以及化学作用来改善土的工程性质[5]，使改良土的结构和化学成分发生变化，随着新的胶结物的不断产生，黏粒含量降低，使膨胀土的液限和膨胀量降低，强度增大，将膨胀性土改性为非膨胀性土[6-7]。其改性效果明显，成本较低，而且添加石灰后可以明显的改善路基土的工程性质，如减小路基土的塑性指数，增强其强度等[8-10]。

1 试样和试验方法

试验样品为绵阳市游仙区冰水堆积物中的黏土，其为黄褐色，稍湿，可塑～硬塑，主要分布于区域内Ⅱ级阶地浅表层，钻探揭露层厚0.50～6.00 m。试验结果(见表1)显示膨胀性矿物蒙脱石的含量为26%，且小于0.005 mm的黏粒含量为47.8%，属于弱-中膨胀性土[11]。

表1 冰水堆积土的物理力学指标

试验采用的石灰为过2 mm筛的新鲜生石灰，其配比分别为0%，3%，5%，7%，9%，11%。在试验过程中，由于击实试验在制样时需剔除粒径大于20 mm的大颗粒，从而得出不同的石灰配比下试样的最大干密度和最佳含水率。而崩解试验、自由膨胀率和稠度指标试验、胀缩特性指标试验和直剪试验，由于在其制样过程中，受到仪器的尺寸限制，只能制备2 mm以下粒径的试样，而用等量替代法得到的最大干密度和最佳含水率和原级配的结果最接近[12]。如图1，用等量替代法对绵阳地区冰水堆积土的级配曲线进行处理[13]，得到表2所示的适用于2 mm以下粒径土试验的粒径范围。然后用表2中的级配配置试样后再进行击实试验得到素土的最大干密度和最佳含水率分别由2.06 g/cm3和9.7%变为1.84 g/cm3和13.7%，结果如图2。

图1 冰水堆积土级配曲线

表2 等量替代后不同粒径范围

图2 冰水堆积土击实曲线

其中在击实试验过程中，试样在50 °C烘箱中静置12 h，经碾碎后过20 mm筛，采用四分法将筛后的土样与不同配比(按干土质量的百分比计算掺入的石灰剂量)的石灰拌合均匀后称取5 kg，然后用喷水器加入不同含水率4%，7%，10%，13%，16%的水，边喷边搅拌，直到试样表面看不到干土，用保鲜膜密封闷料24 h。试验时，将湿土平均分5次倒入击实筒中，用重型击实仪对每次倒入的土样击实56次，从而得到不同石灰配比的试样的最大干密度和最佳含水率。

最后将试样调成相应石灰配比下的最大干密度和最佳含水率后进行击实试验得到的圆柱土样再进行膨胀量试验、CBR试验和无侧限抗压强度试验。

2 试验结果分析

2.1 物理性质的变化

2.1.1 颗粒分析

试验表明，试验结果发现在外加改良剂的作用下，试样内部的颗粒级配发生了变化，主要表现为胶粒含量的减少，粉粒含量的增加。具体试验结果如表3。

表3 不同石灰配比下冰水堆积土的颗粒分析

2.1.2 崩解试验

很多工程实例证实，路基填料中未完全崩解的土体随着时间而继续崩解，容易导致路面产生裂缝而破坏[14-15]，因此了解绵阳地区冰水堆积土的崩解特性显得格外重要。按等量替代之后的干密度1.84 g/cm3制成的环刀试样放入水中，浸没试样。由本试验结果图3可知，加入石灰之后绵阳地区冰水堆积土在石灰掺量加大的情况下完全崩解所需要的时间加长，其中在石灰掺量为7%的时候时间最长，为390 s，比原样土完全崩解所需时间211 s多了将近一半，说明石灰的加入对绵阳地区冰水堆积土的崩解产生了明显的抑制作用。

图3 石灰掺量与试样完全崩解所需时间关系曲线

2.1.3 自由膨胀率和稠度指标的变化

图4和图5是石灰掺量，稠度指标和自由膨胀率的关系曲线。根据图4和图5的结果加入石灰改良剂后，绵阳地区冰水堆积土的液限、塑性指数和自由膨胀率随着石灰掺量的增加而降低，而塑限有所增高。其中，虽然石灰掺量在11%时液限有所增高，不过增高很小，其原因可能是随着石灰掺量的增加，消耗的水增多，而石灰在水的作用下与土颗粒发生充分反应后若再继续增加石灰的剂量，会导致一些石灰没有发生反应而引起改性土内部的不均匀。

图4 石灰掺量与稠度指标的关系曲线

图5 石灰掺量与自由膨胀率的关系曲线

2.1.4 掺石灰后膨胀土胀缩特性的变化

分别采用固结仪器和收缩仪器进行无荷载膨胀率试验，50 kPa膨胀率试验，膨胀力试验和收缩试验。试验结果表明加入改良剂后，绵阳地区冰水堆积土的胀缩特性得到明显的改善，具体试验结果如表4。由表4可知，随着石灰配比的增大，无荷膨胀率、50 kPa下的膨胀率、膨胀力、收缩系数都是逐渐减小，缩限的变化规律不是很明显。其中，无荷膨胀率在石灰掺量增加时刚开始下降缓慢，从5%到7%迅速降低，下降超过50%。50 kPa膨胀率，膨胀力和收缩系数在7%前面下降比较明显，之后再继续增加石灰掺量，下降缓慢。这些结果说明7%的掺量是石灰改良绵阳地区冰水堆积土的最佳掺量。

表4 冰水堆积土石灰改性后胀缩特性指标

2.2 力学性质的变化

2.2.1 击实试验

击实曲线见图6，由击实曲线得到不同石灰掺量下试样的最佳含水率和最大干密度如表5。然后在最大干密度和最佳含水率下制备击实样，进行击实之后，放入膨胀量测试仪中，水面高于仪器表面5 mm，然后浸泡4 d，测其膨胀量，结果见表5。

图6 绵阳地区冰水堆积石灰改良土干密度与含水率变化关系

表5 绵阳地区冰水堆积石灰改良土的膨胀特性与石灰掺量关系

从表5可以看出，随着石灰掺量的增加，绵阳地区冰水堆积土经石灰改良后的最大干密度、最佳含水率、膨胀量是逐渐减小的。最大干密度的减小是因为石灰与土颗粒之间的离子交换等作用使得试样内部细小颗粒减少，粗颗粒增多，而由于粗颗粒之间的接触面小，因此随着粗颗粒含量的增多，试样内部孔隙也随之增多，随着石灰掺量的增加，试样内部孔隙越来越多，从而导致试样越不易被击实[16-17]。最佳含水率的减少是因为掺入石灰后，石灰与土颗粒之间发生一系列的物理化学反应，均需要在水的作用下进行，从而导致试样内部水的消耗，还有石灰与土颗粒之间的硬凝反应会将一部分自由水反应后生成结晶水。随着石灰掺量的不断增加，这些反应会更剧烈，从而使得最佳含水率降低。而膨胀量的降低，是由于石灰的掺入减弱了试验的膨胀特性，而石灰掺量越多，最终会使试样从膨胀性土变成非膨胀性土。

2.2.2 直剪试验

试验采用固结快剪，试验结果如表6。可见，素土的黏聚力为31.4 kPa，内摩擦角为22.8°，且都随着石灰掺量的增加而增加。其中，对于绵阳地区冰水堆积土，添加7%的石灰量，黏聚力可由不掺石灰的31.4 kPa增加到104.4 kPa，提高3倍以上。

表6 冰水堆积土石灰改性后强度变化

2.2.3 承载比和无侧限抗压强度试验

室内试验时，将土样在不同石灰掺量下调成最大干密度和最佳含水率，拌和均匀后静置24 h，然后进行击实，之后浸水浸泡4昼夜，测其饱水后的CBR值。

无侧限抗压强度是评价改良土强度的一个重要的物理力学指标，它能较准确地反映试样的强度特性，应用也最为广泛[18]。室内试验时，将土样掺入不同的石灰配比，调成最大干密度和最佳含水率，静置24 h后击实，试件脱模后立即用保鲜膜密封，然后立即放入密封保湿缸中进行保温保湿养生7 d，然后测其无侧限抗压强度。由表5可见，CBR5.0值比CBR2.5值均较大，规范规定：当贯入量为5 mm时的承载比大于贯入量2.5 mm时的承载比时，试验应重做。若数次试验结果仍相同时，则采用5 mm时的承载比，见图7。

图7 掺灰量对CBR5.0值和无侧限抗压强度的影响曲线

从图7中可以看出，绵阳地区冰水堆积土在经过石灰改性之后无侧限抗压强度随着石灰掺量的增加而增加。同时从图7(a)中CBR5.0值随石灰掺量的增长趋势可以看出，CBR5.0值随石灰掺量的增加而迅速增加；图7(b)中无侧限抗压强度随石灰掺量的增长可以看出无侧限抗压强度在石灰掺量7%左侧增加的快，而在7%的石灰掺量右侧，无侧限抗压强度又增加的比较缓慢。其中掺入3%的石灰，对强度的影响不是很明显，无侧限抗压强度比素土仅提高了19%。而当石灰掺量增加到7%时，无侧限抗压强度从素土的520.627 kPa增加到769.623 kPa，增加了47.8%，而之后随着石灰掺量的增加，无侧限抗压强度增长十分缓慢，如石灰掺量从7%增加到11%时，无侧限抗压强度增加到843.189 kPa，仅增加了9%。这说明对于绵阳地区冰水堆积土，7%的石灰掺量是改善其强度的最佳配比。

3 最佳石灰掺量的确定

根据JTG D 30—2004《公路路基设计规范》要求，弱膨胀土改性后作为路堤填料时，若胀缩总率不超过0.7%，可直接填筑，并采取防水、保温、封闭、坡面防护等措施。

绵阳地区冰水堆积土,可初步判定其最佳石灰掺量为7%。结合自由膨胀率等胀缩试验和崩解试验得出冰水堆积土膨胀总率与石灰掺量关系(见表7)。从表7可以看出，按胀缩总率接近于0取值，对于自由膨胀率等胀缩试验和崩解试验、击实、CBR试验、无侧限抗压强度等物理力学性质的试验中，均在7%的石灰掺量下，改良效果达到最佳，因此可最终判定绵阳地区冰水堆积土石灰改良的最佳石灰掺量为7%。

表7 冰水堆积土总膨胀率与石灰掺量关系

4 结 论

1) 绵阳地区冰水堆积层中的黏土具有膨胀性，不能直接用作公路路基的填料。在对其进行物理改良后能作为公路路基的填料，该冰水堆积土的最佳石灰掺量为7%。

2) 加石灰改性后，土的最佳含水率、最大干密度、膨胀量下降，无侧限抗压强度、抗剪强度及加州承载比增加，膨胀土的工程性质得以改善。

3) 研究发现石灰掺量的变化与改良土之间的物理力学指标的关系复杂，比如膨胀率或塑性指数随石灰掺量增加存在一个临界值。但绵阳地区冰水堆积土的强度指标随石灰掺量的增加呈单调增加，为了达到公路路基填料的要求，又要经济可行，笔者由试验结果得出的石灰的最佳掺量7%可直接用在绵阳地区冰水堆积土的改性中。

[1] 吕大伟.冰水堆积物特性及其路用性状研究[D].长沙:中南大学,2009. Lv Dawei.Study on the Characteristics of Fluvioglacial Deposits and Its Engineering Behavior in Highway [D].Changsha:Central South University,2009.

[2] 刘景艳.冰水堆积土的工程特性及其应用研究[D].西安:长安大学,2012. Liu Jingyan.Research on Engineering Properties and Application of Fluvioglacial Deposits[D].Xi’an:Chang’an University,2012.

[3] 唐京京.冰水堆积物填料室内改良试验研究[J].华东公路,2012 (1):19-20. Tang Jingjing.Indoor experimental study on fluvioglacial deposits fillers [J].East China Highway,2012(1):19-20.

[4] 张杰.冰水堆积物填料工程特性室内研究[J].铁道建筑,2010 (7):94-96. Zhang Jie.Experimental study on the engineering characteristics of fluvioglacial deposits[J].Railway Engineering,2010(7):94-96.

[5] 梁乃兴,张登良.石灰加固土原理的研究[J].西安公路学院学报,1984,12(4):115-143. Liang Naixing,Zhang Dengliang.Study on principles of stabilization soil with lime[J].Journal of Xi’an Institute of Highway,1984,12(4):115-143.

[6] 贾东亮,丁述理,杜海金,等.膨胀土工程特性的研究现状及展望[J].河北建筑科学学院学报,2003,20(1):33-39. Jia Dongliang,Ding Shuli,Du Haijin,et al.Studies on existing and prospect of engineering properties of expansive clay[J].Journal of Hebei Institute of Architectural Science and Technology,2003,20(1):33-39.

[7] 李生林.中国膨胀土工程地质研究[M].南京:江苏科学技术出版社,1992. Li Shenglin.Study on the Engineering Geology of Expansive Soil in China[M].Nanjing:Phoenix Science Press,1992.

[8] Guney Y,Sari D,Cetin M,et al.Impact of cyclic wetting-drying on swelling behavior of lime-stabilized soil[J].Building and Environment,2007,42(2):681-688.

[9] Brooks R M.Soil stabilization with fly ash and rice husk ash[J].International Journal of Research and Review in Applied Sciences,2009,1(3):209-217.

[10] Kennedy T W,Smith R,Holmgren R J,et al.An evaluation of lime and cement stabilization [J].Transportation Research Board,1987,22(3):11-15.

[11] JTG/D 30—2004 公路路基设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004. JTG/D 30—2004 Specifications for Design of Highway Subgrades [S].Beijing:China Communications Press,2004.

[12] 杨凌云,王晓谋,尚涛.黏性粗粒土的击实试验研究[J].路基工程,2009(1):19-20. Yang Lingyun,Wang Xiaomou,Shang Tao.Research on compaction test of cohesion coarse grained soil [J].Subgrade Engineering,2009(1):19-20.

[13] SL 237—1999 土工试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,1999. SL 237—1999 Specification of Soil Test [S].Beijing:China WaterPower Press,1999.

[14] JTG E 40—2007 公路土工试验规程[S].北京:人民交通出版社,2007. JTG E 40—2007 Test Methods of Soils for Highway Engineering [S].Beijing:China Communications Press,2007.

[15] 吴德华,王选仓,姚爱玲.陕西关中地区土基回弹模量研究[J].公路交通科技,2005,22(2):28-30. Wu Dehua,Wang Xuancang,Yao Ailing.Research on rebound modulus of embankment in Shaanxi Guanzhong area[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2005,22(2):28-30.

[16] 李冬立,聂志红.全风化泥质板岩填料改良的室内试验研究[J].铁道建筑,2010,12(2):122-124. Li Dongli,Nie Zhihong.Experimental study on the fully weathered argillite slate[J].Railway Engineering,2010,12(2):122-124.

[17] 舒海明.高速铁路软岩改良土试验及施工工艺研究[D].长沙:中南大学,2008. Shu Haiming.Study on the Experiment and Construction Technology of High-Speed Rail Soft Rock Improved Soil[D].Changsha:Central South University,2008.

[18] 朱永,宗旭辉.粉质土的土质特性及处治方法[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2013,32(2):220-223. Zhu Yong,Zong Xuhui.Characteristics and treatment measures of silt soil[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2013,32(2):220-223.

Experimental Study on Lime Improvement of Fluvioglacial Deposits in Mianyang

Zhu Mingang1, Chen Pengyu2, Qi Yunlong3, Wei Jungang3, Tang Weiwu3

(1. Guangzhou Building Material Geotechnical Engineering Institute,Guangzhou 510403,Guangdong, China; 2. Engineering Faculty, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China; 3. Southwest Geotechnical & Design institute of China Nuclear Industry, Chengdu 610061, Sichuan, China)

In order to conduct a comprehensive and systematic research about the change law of engineering property and mechanical properties of fluvioglacial deposits, it conducted indoor experimental research about fluvioglacial deposits under the dosage of lime of 0%,3%,5%,7%,9%,11%, and obtained data of the grain composition, free swell ratio, plasticity index, swell increment, shear strength,CBR, unconfined compressive strength of fluvioglacial deposits modified soil before and after it is improved with lime, and then it ensured the optimum proportion is 7%.

road engineering; fluvioglacial deposits; grain composition; engineering property; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.14

2013-10-27；

2013-11-18

祝敏刚(1987—)，男，湖北咸宁人，助理工程师，硕士，主要从事岩土体的工程稳定性分析及地质灾害防治方面的研究。E-mail：364895455@qq.com。

U416.1+11;TU 411

A

1674-0696(2015)03-067-05