花岗岩残积土路用性能石灰改良试验研究

胡焕校，沈俊喆，孙端阳

(中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410006)

花岗岩残积土路用性能石灰改良试验研究

胡焕校，沈俊喆，孙端阳

(中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410006)

为了改善云母含量较高、含水率较大的粗细粒含量近似等分花岗岩残积土路用性能，进行石灰改良处置，通过室内试验和现场检测，研究该石灰改良土路用性能变化规律和应用效果．试验结果表明：随着掺灰量增加，塑限上升、液限下降，但塑限变化大于液限；掺灰量与击实指标关系曲线存在平缓段，此时掺灰量适中(3%-5%)；CBR (全称California bearing ratio，是美国加利福尼亚州提出的一种评定基层材料承载能力的试验方法)与掺灰量之间存在三次多项式关系，拟合方程参数受含水率控制，为石灰稳定土CBR强度值预估提供参考．同时探究泡水前后石灰改良土CBR强度值变化情况．对比现场试验段检测结果表明粗粒含量相近花岗岩残积土改良掺灰量为5 %-6 %为宜．

石灰改良；花岗岩残积土；路用性质

在我国高速公路建设蓬勃发展时期，路基工程领域亟需解决特殊性岩土对工程的不利影响，尤其是普遍分布的高液限花岗岩残积土，对于该类土的处置成为高速公路建设的重要问题．花岗岩残积土地层自上而下砂砾含量呈递增趋势，细粒成分主要为高岭石、伊利石、绢云母等粘土矿物，粗粒成分主要为长石、石英、云母等成岩矿的实践研究工作：夏明晓[1]针对黏性土路基进行了石灰改良的研究，发现10%掺量效果最佳；赵磊军[2]对南岳地区花岗岩残积土进行纤维、水泥物及其低风化产物，含少量铁质矿物，路用性能不良，一般需要特殊处置才能作为路基填料，目前常用处置方法有换填、改良等，考虑到经济性等因素，改良成为处置高液限花岗岩残积土的首选．改良分为两类：物理改良和化学改良，其中化学改良主要采用水泥、石灰或其它固化剂等进行处置，其中针对石灰改良，许多学者做了大量和石灰改良，并研究强度特性和干湿循环崩解特性，发现石灰改良效果最佳，最优掺入量为6 %；此外，侯江波等人[3-6]对全风化花岗岩石灰改良进行试验分析，并取得良好的实践效果，对全风化花岗岩石灰改良实践具有指导意义．但花岗岩残积土具有其特性，不同于全风化花岗岩，前者含有大量粘土矿物，风化程度高，且区别于粘性土，一般粗粒成分较多．

本文以粗细颗粒含量相近花岗岩残积土作为研究对象，其液限超过50 %，具有含水率高、压实困难、翻晒效果差等特点，结合前人研究并针对粗细粒含量近似等分花岗岩残积土特点，对其进行石灰改良试验研究．在分析素土矿物成分和基本路用性质基础上，研究该类花岗岩残积土石灰改良后物理力学性能的变化规律，得出改良土CBR强度与掺灰量、含水率之间的关系，对改良土强度预估具有重要意义，并针对现场应用提出指导意见．

1 花岗岩残积土矿物成分及基本路用性质

本文石灰改良花岗岩残积土项目依托于湖南中部某在建高速公路，公路路基范围及周边广泛分布花岗岩残积土，其中粗细颗粒含量相近残积土占有一定比例．建设区属于亚热带季风性湿润气候，全年雨水充沛，年平均降雨量超过 1 500 mm，严寒期短，暑热期长，本区地形以丘陵、岗地为主，水网密布，植被繁茂，形成有利于花岗岩风化的气候和地质环境，经过长期的雨水冲刷和淋滤作用，地表2 m-3 m以下花岗岩风化后保留残积土，取土面见图1．

图1 取样部位

1.1 化学成分及矿物成分

选定不同路段，对花岗岩残积土分布进行现场调研，获取试验土样．对土样进行XRF荧光光谱和XRD粉晶衍射试验，见表1和图2，薄片试验观察其原状土细观结构，见图3．

表1 化学成分及其含量

图2 矿物成分

图3 原状土细观结构

土样成分分析结果表明：(1)硅氧化物含量最多，其次是铝氧化物，而铁氧化物不足4 %，表明红土化作用较弱，而钾氧化物较多，表明含钾矿物较多，如云母、钾长石；(2)主要矿物成分是云母、石英和高岭石族粘土矿物，结合其细观结构，说明土中片状矿物大量存在，孔隙较多，而粘土矿物含量超过30 %，填充孔隙，使土具有良好的持水能力；(3)云母中不可避免地存在绢云母，具有水化的特性，而且与高岭石等形成绢云母粘土，对残积土粘性、可塑性具有重要的影响；(4)长石、云母等原岩矿物产出粘土矿物，石英长石伴生，粗颗粒被包裹，形成粗颗粒为点，片状矿物为联结，粘土矿物充填孔隙的土体架构．

1.2 基本路用性质

依据公路土工试验规程，对土样分别进行筛分、液塑限、击实和CBR强度试验，其基本物理性质见表2．

同时，多次标准重型击实和CBR强度试验结果表明，最优含水率为 14.1 %，最大干密度为1.689 g/cm3；98击下，CBR均不满足5 %的规范要求，35击和53击下，含水率小于24 %才能满足，但是相应压实度无法满足要求．

表2 花岗岩残积土基本性质

图4 标准击实曲线

图5 35击、53击、98击下CBR曲线

2 石灰改良试验研究

首先对石灰改良花岗岩残积土进行室内试验，所用石灰为Ⅱ级钙质生石灰，石灰掺量以干土为基准．研究不同掺灰量、含水率、掺晒工艺对混合料性能影响．同时，通过现场试验路段检测结果，分析石灰改良花岗岩残积土填筑效果．

试验设计：以掺灰量为变量，掺灰量分别为0、1%、3%、5%、7%，进行3组液塑限、击实、CBR平行试验，结果取平均值．

2.1 石灰改良对界限含水率的影响

图6结果表明，随着生石灰掺量的增加，液塑限变化经历3个阶段：变化不明显阶段，变化显著段和平缓段．其中塑限的变化明显大于液限．塑限大幅上升，液限稍有降低，塑限指数大幅下降，从素土的23 %左右下降到14 %左右，下降9 %．石灰和土体产生了复杂的物理化学反应，石灰掺量对液塑限的影响原因主要是石灰电解出钙离子与土颗粒表面钾离子、钠离子发生交换，削弱粘土矿物的粘结和吸水作用，使土体释水并“砂化”，导致改良土达到可塑状态所需水分更多，而粗颗粒对该作用反应不似细小颗粒那样明显，且土中片状颗粒较多，所以液限不如塑限变化大，很多研究和分析[7-8]印证这一结果．

图6 掺灰量对界限含水率影响

2.2 石灰改良对击实性能和CBR强度影响

击实和承载比试验均按照标准重锤98击进行，先对土样进行风干处理，降低其含水率，后掺灰，焖料成样．试验结果如表3所示．

2.2.1 掺灰量对击实性能影响

最大干密度和最优含水量与掺灰量的关系如图7所示，掺灰量0 %-3 %和5 %-7 %较3 %-5 %最大干密度与最优含水量均出现变化速率大的情况，说明3 %-5 %的掺灰量对于该类花岗岩残积土的影响存在一个“瓶颈”．最大干密度降低的原因是石灰比重比花岗岩残积土比重小，生石灰吸水体积膨胀，同时缩小土体可塑性范围，降低土样粘结性；最优含水量升高则是因为石灰“砂化”作用，破坏土颗粒表面水膜，吸取土样中自由水，从而需要更多的水润滑才能使混合料达到最密实状态．

2.2.1 掺灰量对CBR的影响

试验结果表明，掺灰量、含水率不同对CBR结果影响较大：1)掺灰之后CBR强度值是素土的几十倍；2)不同含水率下 5 %掺灰量花岗岩残积土CBR值比其它时大，由于随着石灰掺量的增多，氧化钙、氢氧化钙等化合物水合分子作用和联结颗粒作用增强，晶体膨胀占据细微孔隙[9]，当掺灰量超过一定比例，水合晶体体积过大，联结作用减弱，CBR值因此下降，强度降低．对于该类花岗岩残积土，可以分析石灰掺量、含水率与CBR值的关系，图 8是不同含水率下掺灰量与CBR值变化关系拟合曲线，拟合结果见表4．

表3 不同灰量下击实和CBR试验结果

图7 掺灰量对最大干密度、最优含水率的影响

图8 不同含水率下CBR-掺灰量曲线

表4 不同含水率下掺灰量与CBR值拟合关系

对于该类花岗岩残积土，掺灰量和CBR拟合方程可表示为

式中：CBR为泡水4 d的CBR值，单位%；η为石灰掺量，单位 %；a、b、c、d为方程参数，经计算，参数与含水率关系如下

其中，拟合优度为 R2a=0.9783，R2b=0.7415，R2c=0.9955，R2d=0.7719，表明拟合关系良好．

本试验所用素土为云母含量超过35 %，粘土矿物超过25%的一类粗细粒含量相近花岗岩残积土，石灰改良试验得到拟合关系，增加1组试验，试验结果符合已建立的关系，说明该拟合关系对石灰改良花岗岩残积土 CBR强度值预估具有参考意义，并说明不同含水率下掺灰量对粗细粒相近花岗岩残积土CBR强度值改变有规律性．

2.3 泡水对石灰改良土CBR值的影响

探究泡水对石灰改良花岗岩残积土 CBR强度值的影响，分别进行泡水(4 d)和未泡水试样进行CBR强度值贯入试验．花岗岩残积土掺入石灰后，泡水前CBR强度值小于泡水4 d试样，从表5、图9-图11结果表明：(1)素土掺入石灰后，灰土发生反应并在灰土接触部位形成阻碍二者进一步反应氢氧化钙，从而导致石灰改良土性能的效果达不到最佳；(2)泡水以后，外来的水分与改良土中未反应的生石灰充分发生反应，并使泡水前反应生成的氢氧化钙形成水合晶体，产生更强的粘结土颗粒的作用，所以泡水后强度大幅提高；(3)泡水 CBR强度值曲线峰值对应的含水率随掺灰量的增加而增加，从强度极值考虑，花岗岩残积土含水率越大，对应采用掺灰量越大．

表5 不同掺灰量下泡水与未泡水CBR强度值试验结果

图9 素土(0%)泡水、未泡水CBR值

图10 3%掺灰量泡水、未泡水CBR值

2.4 试验路段检测

为探究石灰改良粗细粒相近花岗岩残积土实践效果，选定100 m×30 m的96区试验路段，设计弯沉200×0.01 mm，按照宽度等分4%、5%、6%的3个掺灰量进行分区，每个分区为100 m×10 m．掺灰采用先翻晒后掺灰结合路拌法工艺，划分网格计算袋装生石灰数量，以旋耕机多次来回拌合石灰和素土(松铺厚度25 cm)，最后采用22 t静压1次、振动1次、静压2次，第二天进行压实度和回弹弯沉检测．部分结果如表6所示．

图11 5%掺灰量泡水、未泡水CBR值

图12 7%掺灰量泡水、未泡水CBR值

路基验收检测结果表明，石灰改良后花岗岩残积土压实度和回弹弯沉值较素土填筑明显提高，基本符合路基设计标准．对比分析 4%掺灰量区域压实度在规定标准附近，而弯沉离散性较大；5%、6%掺灰量的区域可以满足要求，综合考虑采用 5%掺灰量改良粗细粒相近花岗岩残积土是最佳选择，应用效果好．

表6 压实度和回弹弯沉检测结果

3 结论

对粗细粒含量相近花岗岩残积土进行石灰改良试验研究，得出如下结论：

(1)由于灰土物理化学作用，掺入石灰对粗细粒含量相近花岗岩残积土塑限提升明显，液限稍有下降；在掺灰量与击实性能影响试验研究表明掺灰量5 %时曲线段斜率出现转折，表明在掺灰量5 %附近石灰改良土击实性能较好；

(2)建立了改良粗细粒含量相近花岗岩残积土石灰掺量与CBR强度值拟合多项式关系，方程中参数受含水率控制，三者拟合关系良好，可为石灰改良土CBR强度值预估提供参考；随着掺灰量增加，改良土CBR强度值先增大后减小，主要是随着石灰掺量增多，氧化钙、氢氧化钙等化合物水合分子作用和联结颗粒作用增强，晶体膨胀占据细微孔隙，当掺量超过一定比例，水合晶体体积过大，联结作用减弱，CBR强度值下降；

(3)石灰改良粗细粒含量相近花岗岩残积土充分与水接触(泡水)，CBR强度值大幅提高，表明石灰利于改良类似高含水率花岗岩残积土；改良粗细粒含量相近花岗岩残积土路基填筑现场试验段检测效果良好，掺灰量为5 %和6 %为宜．

[1]夏明晓. 黏性土路基加固改良实验研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2006.

[2]赵磊军. 改良花岗岩残积土强度特性及崩解特性的研究[D].湘潭: 湖南科技大学, 2015.

[3]侯江波, 王永和, 蔡君君, 等. 全风化花岗岩石灰改良土室内试验分析[J]. 公路, 2009(4): 213-216.

[4]周援衡, 王永和, 何群, 等. 全风化花岗岩改良土路基的长期稳定性试验研究[J]. 岩土力学, 2011, 32(增1): 596-602.

[5]刘刚, 刘建华.全风化花岗岩路基处治对比分析[J]. 公路,2012(11): 204-208.

[6]许魁, 过年生, 黄杰. 全风化花岗岩路基改良土试验研究[J].公路工程, 2012, 37(3): 168-172.

[7]Bell F G. Lime stabilization of clay minerals and soils[J].Engineering Geology, 1996, 412(4): 223-237.

[8]Locat J, Tremblay H, Lerouueil S. Mechanical and hydraullic behavior of a soft inorganic clay treated with lime[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1996, 33(4): 654-669.

[9]张小平, 施斌, 陆现彩. 石灰改良膨胀土微孔结构实验研究[J].岩土工程学报, 2003, 25(6): 761-763.

[10]Zhang Xiaoping, Shi Bin, Lu Xiancai. Experimental study on micro-pore structure of expansive soil improved by lime[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2003, 25(6):761-763

(责任编校：徐赞)

Experimental Study on Road Performance of Granite Residual Soil with Lime Improvement

HU Huan-xiao,SHEN Jun-zhe,SUN Duan-yang
(School of Geoscience and Info-Physics, Central South University, Changsha, Hunan, 410006, China)

In order to improve the road performance of a certain kind of granite residual soil with high mica content and water content, lime improved method is adopted. Through indoor tests and field examinations, change regularity and application effect of lime-stabilized soil road performance have been studied. The results reveal that plastic limit rises and liquid limit decreases, but the variation range of plastic limit is greater than liquid limit ; the curves of lime dosage with maximum dry density and optimum moisture content appear flat section and this moment the range of lime dosage is 3 % to 5 %; there exists three polynomial relation between CBR value and lime content, and the parameters in the fitting equations are controlled by water content , which provides reference for prediction of CBR strength of lime stabilized soil.In addition, the changes of lime improved soil CBR value no mater it is soked or not have been analyzed.Finally according to the field tests, the results provide guidance for the lime-stabilized treatment and utilization of granite residual soil.

lime improvement; granite residual soil; road performance

U416.03

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.02.0003

1672–7304(2017)02–0010–06

2017-03-06

胡焕校(1968-)，男，浙江慈溪人，教授，博士生导师，主要从事地质工程、岩土工程方面研究；沈俊喆(1991-)，男，湖南益阳人，硕士研究生，主要从事岩土工程研究，E-mail: csugeosjz@163.com.