石灰改良膨胀土力学性质的干湿循环效应

王敏

（湖南华达工程有限公司）

0 引言

膨胀土富含伊利石或蒙脱石等强亲水性矿物成分，吸水或失水后容易显著地产生收缩或者膨胀现象。膨胀土的水稳性或耐久性差，属于不良土料，通常不能直接用作基础填料。由于我国膨胀土区域大，广泛分布于四川、云南、贵州、广西和湖北等地，对于路基和地基等基础填筑工程，如果将膨胀土弃之不用会提高经济成本，因此，目前实际工程通常会对膨胀土进行改良，以满足地基或路基的建筑要求[1]。

对于膨胀土等水稳性差的土料，通常采用化学方式进行改良[2]。最常用的化学改良方式为石灰改良和水泥改良[3]。化学改良通过化学反应在土中形成坚硬的骨架以抑制土的变形，从而达到改良土性的目的。相比水泥改良，石灰改良的经济成本低，在基础填料改良中的应用最广。工程中膨胀土也多采用石灰进行改良[4-6]。石灰改良膨胀土的改良效果评价依据通常是强度和耐久性[7-10]。强度主要是指无侧限抗压强度[11]和三轴压缩强度[12](或三轴抗剪强度)。耐久性主要是指长期泡水和干湿循环两种条件下的耐久性[2,3]。目前工程中主要依据无侧限抗压强度和长期泡水条件下的耐久性判断膨胀土的改良效果，这显得片面，从而导致目前石灰改良膨胀土的应用普遍存在问题。例如，降水和地下水位变化会导致路基出现干湿循环变化。长期干湿循环作用下石灰改良膨胀土路基很容易出现裂缝，对于石灰改良膨胀土道路工程而言，这是常见的工程病害问题。目前对膨胀土改良效果的评价显得片面的原因在于：一方面，无侧限抗压强度是围压为零时的强度，而工程中基础工程的土料一般都是存在围压的。无侧限抗压强度是通过无侧限抗压强度试验获得。对于实际工程，相比无侧限抗压强度试验，由三轴压缩试验获得的强度参数更具参考价值。另一方面，膨胀土的干湿循环效应十分显著[13,14]，现有研究表明，即便经过石灰改良，膨胀土仍有比较显著的缩胀变形[15]。长期泡水条件下石灰改良膨胀土的耐久性通常能满足要求[3,7]，但这并不意味着干湿循环作用下的耐久性也能满足要求。因此，开展干湿循环作用下石灰改良土的力学性质研究具有重要的工程意义。

我国公路路基工程中的膨胀土路基通常采用石灰进行改良。针对石灰改良膨胀土路基工程，本实验通过设计考虑干湿循环影响的石灰改良土三轴压缩试验，利用试验研究干湿循环作用对石灰改良土内摩擦角、粘聚力和弹性模量等参数的影响，以评价石灰改良土的干湿循环效应，为石灰改良膨胀土的改良效果评价和改良技术发展等提拱参考。

1 干湿循环作用条件下的石灰改良膨胀土三轴压缩试验

1.1 试验仪器

试验设备为GDS 三轴压缩试验机。试样为圆柱体，高度为100mm，直径为50mm。仪器测量精度高，压力分辨率为1kPa，体积分辨率为1mm3。加载方式有力控制和位移控制两种模式。

1.2 试验方案

1.2.1 制样

膨胀土取自广西南宁市，为灰白色，其比重为2.66，塑限为30.1%，液限为62.3%，自由膨胀率为65.1%。主要亲水矿物成分为蒙脱石和伊利石。考虑到工程中石灰改良土中石灰的掺入质量百分比通常为3%～8%，本文在膨胀土中掺入4%的生石灰制作试样。当石灰质量百分比为4%时，通过击实试验确定改良膨胀土的最大干密度为1.78g/cm3，最优含水率为17.5%。本实验按照最大干密度1.78g/cm3、最优含水率17.5%和压实度0.95 配置石灰膨胀土改良试样。对试样进行标准养护。

1.2.2 干湿循环试验条件

目前国内外对土样进行干循环处理没有统一的试验标准[2,3]。本实验参考刘雨等[2,3]提出的方法对试样进行干湿循环处理。当改良膨胀土样的养护龄期达到28d时，让试样在室内自然风干，风干时间达到2d 时，将试样浸没在水槽中，让试样吸水饱和，饱和时间为2d。此过程为1 次干湿循环，时间包括风干2d 和饱水2d。设干湿循环次数用M 表示，对于本试验，M=0,2,5,10,16。

1.2.3 试样加载

利用GDS 试验机对干湿循环处理后的试样开展三轴压缩试验。试验条件为固结排水。考虑到实际工程中路基土的围压通常不超过200kPa[12]，本试验中的围压设为30kPa、60kPa 和120kPa。每个围压作用下的试验一共需要5 个试样，各试样的干湿循环作次数分别为M=0,2,5,10,16。试样等向固结后，在轴向进行加载。试样轴向加载的控制模式为位移加载，轴向位移加载的速率为0.02mm/min。对试验结果进行处理，得到抗剪强度参数：内摩擦角ψ 和粘聚力c，以及弹性参数：初始弹性模量E0。

2 试验结果及分析

2.1 干湿循环对石灰改良膨胀土抗剪强度的影响

2.1.1 干湿循环对内摩擦角的影响

图1 给出了石灰改良膨胀土样的内摩擦角和干湿循环次数之间的关系曲线。从图1 看出，随着干湿次数M 从0 增加至16，内摩擦角ψ 从35.2°逐渐衰减至32.8°，减少了2.4°，衰减幅度为6.8%。这表明，随着干湿循环次数的增加，石灰改良膨胀土样的内摩擦角逐渐衰减。

2.1.2 干湿循环对粘聚力的影响

图1 内摩擦角和干湿循环次数之间的关系

图2 粘聚力和干湿循环次数之间的关系

由以上结果分析可知，干湿循环对粘聚力的影响比内摩擦角显著。由于土的抗剪强度由内摩擦角和粘聚力这两个特征参数确定，它随内摩擦角和粘聚力的增大而增大，因此，干湿循环作用显著降低石灰改良膨胀土样的粘聚力，从而显著降低土的抗剪强度。

2.2 干湿循环对石灰改良膨胀土弹性模量的影响

土的弹性模量的特征参数为初始弹性模量。图3 给出了不同围压作用下初始弹性模量和干湿循环次数之间的关系曲线。根据图3，当围压S=30kPa 时，随着干湿次数M 从0 增加至16，初始弹性模量E0从139.2MPa逐渐衰减至112.5MPa，减少了29.8MPa，衰减幅度为21.4%；当围压S=60kPa 时，随着干湿次数M 从0 增加至16，初始弹性模量E0从143.8MPa 逐渐衰减至115.7MPa，减少了28.1MPa，衰减幅度为19.5%；当围压S=120kPa 时，随着干湿次数M 从0 增加至16，初始弹性模量E0从155.7MPa 逐渐衰减至131.8MPa，减少了23.9MPa，衰减幅度为15.4%。以上结果表明，随着干湿循环次数的增加，石灰改良膨胀土样的初始弹性模量显著衰减。因此，干湿循环作用对石灰改良膨胀土的初始弹性模量有显著的衰减作用。

图3 初始弹性模量和干湿循环次数之间的关系

由以上结果分析还可知，当围压S 从30kPa 增加至100kPa，初始弹性模量的衰减幅度从21.4%降至15.4%，这表明，增加围压可以降低干湿循环作用对初始弹性模量的衰减作用。

2.3 干湿循环影响机理分析

膨胀土中石灰遇水发生离子交换、凝胶化等化学反应，使得膨胀土中出现凝胶网络。凝胶网络包裹膨胀土颗粒和填充孔隙，构成新的土骨架。相比原土骨架而言，改良土中的凝胶网络骨架强度高，刚度强，能承载较大的力作用以及在一定程度抑制膨胀土颗粒的滑移和变形，从而达到提高膨胀土强度和改善膨胀土变形性能的目的。

由于石灰含量有限，即便经过改良，膨胀土中土颗粒团仍然能够接触到水。干湿循环作用下，膨胀土颗粒团不可避免地反复产生干缩和湿胀现象。土颗粒团的反复缩胀变形必然引起束缚土颗粒团的凝胶网络骨架的反复变形。相比水泥改良土，通常石灰改良土的土骨架的抗疲劳稳定性较差，因此，石灰改良土普遍存在的主要缺点为：在反复荷载作用下容易产生疲劳变形。同样，石灰改良膨胀土也存在这个缺点。因此，干湿循环作用下，石灰改良膨胀土骨架容易产生疲劳变形破坏，从而降低石灰改良膨胀土的抗剪强度和弹性模量。即干湿循环作用下石灰改良膨胀土的耐久性差。干湿循环作用是石灰改良膨胀土路基出现张裂破坏的主要原因之一。

从试验结果可知，提高围压可以抑制干湿循环对弹性模量的衰减作用，这是因为，围压增加后，凝胶网络骨架受到的束缚增大，从而增强了凝胶网络骨架抵抗变形的能力。

3 结论

针对石灰改良膨胀土，通过对干湿循环试样开展三轴压缩试验，研究内摩擦角、粘聚力和初始弹性模量随干湿循环次数的变化规律，分析了干湿循环的影响机理，得到以下主要结论：

⑴干湿循环作用下石灰改良膨胀土的耐久性差。石灰改良膨胀土的内摩角、粘聚力和初始弹性模量随干湿循环次数的增大而衰减。其中，粘聚力和初始弹性模量的衰减最显著。

⑵提高围压有助于减少干湿循环对石灰改良膨胀土初始弹性模量的衰减作用。