石灰改良红黏土的试验研究

曾军

(湖南金沙路桥建设有限公司，湖南 长沙 410100)



石灰改良红黏土的试验研究

曾军

(湖南金沙路桥建设有限公司，湖南 长沙 410100)

基于对高速铁路路基变形的严格要求，路基填料的改良越来越成为一个重要问题。依托实际工程，通过室内试验和理论分析，研究石灰改良红黏土的击实特性和无侧限抗压强度。试验结果表明：石灰能够有效的改良红黏土的力学性能，随着石灰掺量对的增大，改良土的最优含水率在增加，而最大干密度在逐渐减小；无侧限抗压强度随着石灰掺量的变大先增大然后变小，存在一个“最优石灰掺量”。结果表明：8%的石灰掺入量是最佳配合比；随着石灰掺量的增大，峰值强度对于的应变在8%达到最小值。随着石灰掺量的增大，脆性指数IB越来越小，试样表现为脆性破坏，其延展性变差。

石灰；红黏土；无侧限抗压强度；最优石灰掺量；脆性指数

在对高速公路和铁路要求越来越高的今天，于填筑路基而言，往往需要采取一些相应的加固措施。现阶段路基处理的方法有：夯实法、换土法、保湿法、化学改良法、生物改良法及物理改良法。其中化学改良法常采用在土体中掺入石灰、粉煤灰、水泥等无机结合料来提高土体的强度，降低土体的压缩下和改善土体的变形特性。这种混合土以其稳定性好、抗冻性强、结构体本身自成板块等特点，在工程中应用特别广泛。在我国，石灰稳定土壤可以追溯到商朝，此后石灰常被用作处理城墙、寺庙的地基。近10年来，由于石灰的处理路基的效果明显，能够有效改善土体的工作性能，经济有效，从而相应的研究也较为深入，目前研究主要集中在以下几个区域：压实度、最佳掺入比、最优含水率、养护时间和条件、土体的类型等。阮波等[1]通过试验研究全风化泥质粉砂岩的物理力学性质、探讨了对石灰改良土的液塑限的变化、击实特性、水稳定性以及无侧限抗压强度的主要影响因素，提出了石灰掺入的最佳掺入比。陈宝等[2]对不同掺灰量的改良土进行了击实实验、液塑限和三轴剪切实验，重点分析了随着石灰的增加，石灰改良土的有效粘聚力先增加后减少，而有效内摩擦角一直在增大。查普生等[3]研究石灰-粉煤灰改良膨胀土的机理，分析其对膨胀率、膨胀量、膨胀力和线缩性减小趋势的影响。陈涛等[4]通过对比研究了石灰、水泥和粉煤灰三种改良剂对于同一种膨胀土的试验研究，确定了中、高膨胀土最佳石灰掺入比为6%。周葆春等[5]选用Duncan模型描述膨胀土破坏前表现的压硬性、剪缩性与应变强化特性，标定了相应的模型参数，通过数值模拟与平行试验对比了模型的可靠性与适用性。本试验结合实际工程，通过试验研究代表性的红黏土在不同石灰掺量情况下的击实状况和无侧限抗压强度的变化趋势，以期对高速铁路的设计和施工提高参考。

1　试验研究

1.1试验材料

试验所用土取自某高速公路的红黏土，其物理力学指标如表1所示。石灰为深圳的市长隆科技有限公司生产的清源牌石灰，其化学性质见表2。

表1　红黏土的物理力学性质

表2　石灰的物理力学性质

1.2试验方案

采用石灰掺入比分别为0%，4%，6%，8%和10%进行试验，试验严格按照《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2010)[6]进行。由于本试验针对的是对路基填筑要求很高的高速铁路，所以采用重型击实标准对红黏土进行击实试验。然后选择石灰在不同掺入比下的最优含水量和最佳干密度进行配比进行无侧限抗压强度试验，每组试样制备6个，取其平均值作为最终强度，同时算出标准差，试验允许标准差为10%，超出则重新进行制样。

1.3试样制备

1.3.1击实试验

取代表性的红黏土通过5mm筛。前一天，按烘干法测定土的风干含水率，配制6份试样，每份试样先按比例加好石灰，按预定的不同的含水率，依次相差1%-2%,其中各有两份小于最优含水率和大于最优含水率，将混合料与水按所设计的比例充分搅拌。分三次击实，每次击94下，测定其含水率。

1.3.2无侧限抗压强度试验

选取代表性的土样风干、碾碎、过2mm筛，压实度为0.94，试样尺寸为直径50mm和高度50mm的圆柱体。按照击实试验的最优含水率计算出所需水的质量，称量水、土和石灰等材料的质量，并拌合均匀。混合料分2层击实，上下层适当刮毛，以增大上下层之间土样摩擦咬合作用。脱膜标号后放入保湿缸内套上保鲜袋内进行养护7d，如图1所示。

图1　试样的养护Fig.1 Maintenance of sample

2　试验结果及分析

2.1击实试验

在相同的落锤和击数条件下，表3反应了在不同石灰掺量情况下的改良土的击实试验结果，图1为击实特性与石灰掺量的关系曲线。

表3　不同石灰掺量下改良土的击实试验

图2　不同石灰掺量下改良土的击实曲线Fig.2 Compaction curves of lime-stabilized soil

从图中可以发现：随着石灰参量的增加，石灰土的最大干密度在逐渐降低，而最优含水率在逐渐增大。这是因为石灰的相对体积质量比红黏土的相对体积小，在没有养护时存在一定程度的胶结作用，形成新的胶结物质，改变了石灰土的压实性能，所以最大干密度在降低；同时由于土颗粒和石灰之间的的离子交换作用，导致土颗粒周围的双电子层密度与厚度发生改变，石灰与水还会发生化学反应，消耗了其中一部分水，所以最优含水率量在一直增大。

2.2无侧限抗压强度试验

2.2.1试验结果

无侧限抗压强度试验侧限抗压采用WDW-50型微机控制电子万能试验机，试验过程中应变速率控制在10mm/min，记录每个试样破坏时的最大压力，最后换算成无侧限抗压强度。不同石灰掺量的改良红黏土7d龄期的试验结果如表4所示。

表4　试验结果

由表4可以看出，经过石灰改良的红黏土的无侧限抗压强度较未改良的红黏土的明显提高很多。在压实度为0.94的情况下，在石灰掺量较低时，石灰改良红黏土随着石灰掺量的增大而增大，在掺入比达到8%时达到最大；而后强度随着石灰掺量的增大而减小，这说明石灰改良红黏土存在一个最优的掺量。这是因为当石灰较低时，石灰与土中大量存在的Si、Al或者与二者同时作用，形成强度较高和粘结性较强的胶结物质，这种物质对于土体整体强度的提高具有很大作用。但是当石灰超过一定的掺量以后，过多的石灰将沉积在土中的空隙中而不参加反应，导致石灰在土体中存在潜在的滑动带，其石灰本身没有什么黏聚力，从而影响强度。从而在本次试验中，8%的石灰掺量是“最优石灰掺量”。在实际工程中，石灰改良红黏土的无侧限抗压强度存在一个峰值点，过多或者过少的掺入石灰均不利用工程的实用性和经济性。

2.2.2石灰掺入量对改良土强度特性的影响

从表5、图3和图4中可以发现随着石灰掺量的增加，残余强度也是先增大而后减小的趋势，但峰值强度对应的应变却是先减小而后增大，最低点是在石灰掺量为8%时，也就是前文提到的“最优石灰掺量”。 试样在不同石灰掺量的条件下，脆性指数较峰值强度对应的应变而言更能反映延展性。脆性指数<1，取值变小时说明试样表现为脆性破坏。从图4看到，随着石灰掺量的增大，IB越来越小，试样越来越表现为脆性破坏。

表5　改良土的强度特性

图3　峰值强度对应的应变曲线Fig.3 Corresponding of strain curve peak intensity

图4　脆性指数变化曲线Fig.4 Change curve of brittleness index

2.2.3石灰掺入量对改良土的应力-应变关系的影响

应力-应变关系反应了试样在受到荷载作用后，改良红黏土试样内部各部分之间产生的相互力的作用，以及由此产生的相应的变形。图5和图6反映了未加入石灰的红黏土和加入石灰后的改良红黏土的应力-应变关系。

由于加入石灰的改良土的曲线大致相同，所以选取具有代表性的石灰掺量为6%的改良土。从上图中对比发现：加入石灰和未加入石灰的红黏土的应力-应变关系曲线是明显不同。加入石灰的红黏土在应变为4.5时达到峰值强度，而且在上升阶段具有明显的直线段；达到峰值强度后，随着应变的继续增加，其强度下降也十分迅速，最后随着应变的增加而应力保持不变，具有一定的残余强度，其抗压试验变化过程类似于混凝土抗压强度试验。破坏后的试样大部分呈两个倒三角锥形式。未加石灰的红黏土强度上升较慢，达到峰值强度后期强度为立刻下降，而是存在一个缓冲期。随着应变的持续增加，强度最后缓慢将至稳定值，而且其残余强度除以峰值强度的比例远远大于改良土的，其延展性要好很多，破坏时存在显著的剪切面。

图5　素红黏土的应力-应变曲线Fig.5 Curves of stress versus strain of soil

图6　加入6%石灰的改良土的应力-应变曲线Fig.6 Curves of stress versus strain of lime-stabilizedsoil

3　结论

1)石灰能够改善红黏土的力学性能，红黏土随着石灰掺量的增加，其最优含水率在增加，而最大干密度在逐渐减小。

2)石灰改良红黏土存在一个最佳的配合比，超过这个掺量后无侧限抗压强度反而下降。根据试验结果分析，笔者认为石灰掺量为8%比较合适。

3)随着石灰掺量的增大，峰值强度对于的应变在8%达到最小值。脆性指数IB越来越小，试样表现为脆性破坏，其延展性变差。

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Experimental study on improvement of red clay with lime

ZENGJun

(Hunan, Jinshaluqiao Construction Co. Ltd, Changsha 410100，China)

Thecharacteristicsofimprovedsoilplayanimportantroleforhigh-speedrailwaybecauseofthestrictrequirementsoftheembankment.Relyingontheactualrailwayproject,aseriesofsamplesofredclaywerepreparedandsubjectedtothecompactiontestandunconfinedcompressivestrength(UCS)testinthisstudy.Theresultsindicatethatlimecanimprovethemechanicalpropertiesofredclayeffectively.Asthelimecontentincreases,theoptimumwatercontentincreases,however,themaximumdrydensitydecreases.TheUCSincreasesbeforelimecontentof8%andafterthelimecontentof8%.TheUCSislargestwhenthelimecontentisclosetothe“optimallimecontent”.Meanwhile,peakintensityforstrainbecomestheminimumwhenthelimecontentis8%.Asthelimecontentincreases,brittlenessindexbecomesdecreasing,andthefailuremodechangesfromplastictobrittle.Theresultsoflimestabilizedsoilassubgradefillingmaterialcanbeusedasreferenceforothersimilarengineeringapplications.

lime;redclay;UCS;theoptimaldosageoflime;brittlenessindex

2015-09-11

曾军(1980-)，男，湖南岳阳人，从事岩土工程方面的研究；E-mail:1527938446@qq.com

TU411

A

1672-7029(2016)07-1289-05