石灰改良膨胀土填料力学特性及施工含水率研究

刘 涛

（郑州新兴市政工程有限公司，河南郑州 450000）

膨胀土是一种不良土质，在我国西南、华中地区分布广泛，多裂隙、遇水膨胀，对湿热环境变化敏感[1-2]，工程性质难以满足路基填料要求。膨胀土改良后可填筑路基，而改良土的工程性质直接影响路基强度、刚度及长期稳定性。对此，如何保证改良膨胀土良好的工程性质已成为膨胀土应用研究的重点。庄心善等[3]通过室内试验研究了风化砂改良膨胀土胀缩特性和强度特性，研究表明风化砂降低膨胀土的膨胀性效果明显，且掺砂量16%的膨胀土力学性能最优。杨晶磊[4]研究表明膨胀土掺粉煤灰后抗压强度和黏聚力提高显著，粉煤灰掺量30%时，改良膨胀土强度最高。任妍琴[5]对比研究了掺砂膨胀土、加筋膨胀土膨胀特性和力学特性，掺砂膨胀土工程性能优于加筋膨胀土，建议膨胀土掺砂率为30%。杨俊等[6]研究表明膨胀土掺入天然砂砾后工程性质满足路基填筑要求，且天然砂砾含量20%时，其抗压强度取得最大值。袁明月等[7]研究表明掺量>3%的钢渣微粉改良膨胀土强度提高明显，满足路基规范要求。

膨胀土分布及性质存在区域差异性和不规律性，且室内填料击实试验不能较好地模拟路堤填筑压实过程，为保证膨胀土路基压实质量，须对填料压实时的含水率进行研究。鉴于此，笔者依托某高速公路工程，选取膨胀土土样，采用石灰对其改良处治，通过室内试验研究石灰掺量和压实度对改良膨胀土物理力学特性影响规律，确定改良膨胀土最佳石灰掺量，并结合现场改良膨胀土路基压实度及强度，确定施工含水率。

1 试验材料及方案设计

1.1 试验材料

（1）膨胀土

膨胀土取自某高速挖方路基段落，物理力学性质见表1和表2。土样呈黄褐色，夹少量细砂，干燥时硬块状，强度较高，按《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020）测定其物理力学性质。

表1 膨胀土物理性质Table 1 Physical properties of the expanded soil

表2 膨胀土力学性质Table 2 Mechanical properties of expanded soil

由表1和表2可知，膨胀土物理性质差，可塑性强，力学性质差，其黏粒含量在46%~50%之间，天然含水率>31%，液限>63%，自由膨胀率>55%，推断所取土样为中膨胀性的高液限黏土，须对膨胀土填料进行改良处治。

（2）石灰

选用二类钙质生石灰，CaO和MgO质量分数分别为81.6%、5.2%。

1.2 方案设计

（1）石灰改良膨胀土力学特性及配合比设计研究

研究石灰掺量、压实度对石灰改良膨胀土自由膨胀率、无荷膨胀率、无侧限抗压强度及CBR影响规律，确定石灰改良膨胀土最优配合比。结合改良土配合比设计方法和路基压实标准，拟石灰掺量为0%、1%、2%、4%、6%、8%，压实度为93%、95%、97%、99%、100%。石灰掺量为石灰干质量与膨胀土干质量比值。

（2）石灰改良膨胀土施工含水率研究

研究含水率对室内及现场条件下石灰改良膨胀土路基压实度、无侧限抗压强度及CBR影响规律，确定石灰改良膨胀土施工含水率。结合室内石灰改良膨胀土最佳含水率，拟含水率为ωop-3、ωop-1.5、ωop、ωop+1.5、ωop+3，压实度为95%、97%。

1.3 试件制备及养生

基于室内石灰改良膨胀土重型击实试验结果，采用静压法制备Φ50×h50mm的无侧限抗压强度试件，击实法制备Φ152×h120mm的CBR试件。试件制备完成后，用塑料薄膜包裹好，放入温度(20±2)℃、相对湿度95%以上的标准养护室。考虑石灰改良土养生7d后初期强度形成，故拟石灰改良膨胀土试件养生龄期为7d。每组试验采用6个平行试件。

1.4 性能测试方法

参照《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020）和《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）测定石灰改良膨胀土自由膨胀率、无荷膨胀率、无侧限抗压强度和CBR[8]。

2 试验结果及分析

2.1 击实特性

石灰改良膨胀土重型击实试验结果如图1所示。

图1 石灰改良膨胀土击实试验结果Fig. 1 Compaction test results of lime improved expansive soil

由图1可知，膨胀土掺入石灰后，最大干密度随石灰掺量增加大致呈线性趋势降低，最佳含水率随石灰掺量增加大致呈线性趋势增加，利于控制路堤施工质量。

2.2 力学特性及配合比设计

石灰改良膨胀土自由膨胀率、无荷膨胀率、无侧限抗压强度和CBR如图2~图5所示。

图2 石灰改良膨胀土自由膨胀率试验结果Fig. 2 Test results of free expansion rate of lime improved expansive soil

图3 石灰改良膨胀土无荷膨胀率试验结果Fig. 3 Test results of no-load expansion rate of lime improved expansive soil

图4 石灰改良膨胀土无侧限抗压强度试验结果Fig. 4 Unconf ined compressive strength test results of lime improved expansive soil

图5 石灰改良膨胀土CBR试验结果Fig. 5 CBR test results of lime improved expansive soil

由图2~图5可知：

（1）随石灰掺量增加，改良膨胀土自由膨胀率和无荷膨胀率降低规律相近。其中石灰掺量≤6%时，自由膨胀率随石灰掺量增加呈线性趋势降低，且降低显著，石灰掺量增加1%，其自由膨胀率降低8.3%；石灰掺量≥6%时，自由膨胀率和无荷膨胀率降低缓慢，逐渐趋于稳定，说明膨胀土掺入石灰后，可有效提高膨胀土团粒化性，降低其胀缩性。

（2）同一压实度下，改良膨胀土无侧限抗压强度随石灰掺量增加逐渐增大。石灰掺量由6%增加至8%时，其抗压强度增大趋势减缓，抗压强度约提高0.05MPa；当石灰掺量≤6%，改良膨胀土抗压强度与石灰掺量呈线性规律变化，且相关性高，相关系数为0.968，石灰掺量增加1%，其抗压强度平均至少提高6.2%。另外，改良膨胀土抗压强度随压实度增加呈线性趋势增大，且压实度越大，石灰掺量对改良土抗压强度提高越明显。压实度增大1%，石灰改良膨胀土抗压强度至少提高3.3%。这是因为石灰中活性物质与膨胀土发生物理化学反应，生成强度较高的凝胶物质，增强土粒间粘结力，提高土体密实性，从而无侧限抗压强度提高。

（3）同一压实度下，随石灰掺量增加，改良膨胀土CBR和无侧限抗压强度增长规律一致。石灰掺量≤6%时，石灰掺量增加1%，改良膨胀土CBR至少提高7.2%；石灰掺量由6%增加至8%时，CBR提高趋势减缓。且随石灰掺量增加，改良膨胀土CBR与压实度变化规律可表征为线性关系，相关系数为0.980。压实度增大1%，改良膨胀土CBR提高4.2%以上。

根据石灰改良膨胀土力学特性试验结果可知，石灰掺量<6%时，随石灰掺量增加，改良膨胀土力学特性逐渐提高；石灰掺量≥6%，改良膨胀土力学特性基本趋于稳定，且膨胀土掺入6%石灰掺量后，胀缩性显著降低，力学特性良好，抗压强度≥0.54MPa，CBR≥6.1%，满足路基填料技术要求。为保证膨胀土改良效果，建议改良膨胀土最优石灰掺量为6%。

2.3 施工含水率

（1）石灰改良膨胀土压实度

不同含水率的石灰改良膨胀土路基最大压实水平见表3。改良膨胀土填料采用厂拌法拌制，石灰掺量为6%，路基压实度采用灌砂法测定。

表3 不同含水率的石灰改良膨胀土路基最大压实水平Table 3 Maximum compaction level of lime improved expansive soil subgrade with different moisture content

由表3可知，随含水率增加，石灰改良膨胀土路基压实度近似二次抛物线规律变化，压实度先增大后降低，在含水率ωop+1.5时达到最大值，最佳含水率次之。

（2）力学特性

不同含水率的改良膨胀土无侧限抗压强度和CBR试验结果见表4。为减少填料差异性对试验结果的影响，室内选用现场不同含水率的石灰改良膨胀土摊铺料制备压实度为95%和97%的无侧限抗压强度试件和CBR试件。

表4 石灰改良膨胀土力学特性试验结果Table 4 Test results of mechanical properties of lime improved expansive soil

由表4可知，同一压实度下，随含水率增加，改良膨胀土无侧限抗压强度和CBR变化规律基本一致。当含水率≤ωop+1.5，改良膨胀土无侧限抗压强度、CBR与含水率线性关系良好，含水率增加1%，无侧限抗压强度和CBR分别至少提高6.9%、2.6%；当含水率由ωop+1.5增加至ωop+3，改良膨胀土抗压强度和CBR降低显著，平均降低17.2%和8.1%。这是因为含水率较低时，石灰中活性物质与膨胀土矿物成分化学反应不充分，初期强度相对较低，而随含水率增加，化学反应生成凝胶物质增多，强度提高。若含水率过高，土粒间黏聚力和内摩擦角减少，导致改良膨胀土强度降低。

综上，根据现场改良膨胀土路基压实度及力学特性，建议施工含水率为ωop+1.5。

3 结论

本文通过室内及现场试验研究了石灰改良膨胀土力学特性及施工含水率，主要得出以下结论：

（1）膨胀土物理性质差、可塑性强、力学性质差，为中膨胀性的高液限黏土；膨胀土掺入石灰后，最大干密度降低，最佳含水率增加，利于控制路堤施工质量。

（2）随石灰掺量增加，改良膨胀土物理力学特性逐渐改善。石灰掺量≤6%时，改良膨胀土的物理力学特性随石灰掺量增加呈逐渐提升；石灰掺量≥6%时，改良膨胀土物理力学特性趋于稳定。建议改良膨胀土最优石灰掺量为6%。

（3）随含水率增加，石灰改良膨胀土路基压实度先增大后降低，在含水率ωop+1.5时达到最大值，且含水率≤ωop+1.5，改良膨胀土无侧限抗压强度及CBR随含水率增加呈线性增大，含水率每增加1%，无侧限抗压强度和CBR分别至少提高6.9%和2.6%。建议施工含水率为ωop+1.5。