石灰改良土无侧限抗压强度及剪切强度特性研究

严赪强 白宇帆 徐永福 王伟志 王 浩

(1.上海铁路枢纽工程建设指挥部，上海 200003；2.上海交通大学土木工程学院，上海 200240)

引言

长三角地区存在大量软土，随着高铁建设的发展，不可避免会遇到强度低、承载力弱、工程性质差的软土地层[1-2]，容易带来各类路基病害和交通隐患。目前，最为经济实用的改良方法主要石灰改良[3-6]，也可采用水泥[7-11]、添加纤维[12]、粉煤灰[13]、工业废渣[14]等材料对土体进行改良处理。石灰由于其成本低廉且易于获得的特点，被广泛用于各类不良土体的加固处理。添加石灰后，石灰和土会发生水解水化反应、离子交换反应、碳酸化作用、火山灰反应等一系列物理化学作用，生成各类胶结物质，如水化硅酸钙、水化铝酸钙、碳酸钙、钙矾石等[15-17]，改变了石灰土的微观组成和结构，进而提高石灰土的强度，起到改良固化效果。

已有许多学者开展相关研究，贺建清发现掺入石灰能有效改善软土的力学性质，非饱和状态下的石灰土强度并非一直随着石灰掺量的增加而增大，而是存在一个最佳掺量，在此掺量下石灰土的强度最高[18]；LAMIS等对石灰改良处理后的粉土进行现场测试，发现即使处于饱和状态，石灰改良粉土仍能够显著提高土体的工程性质，具有较低的塑性，良好的可加工性，较大的刚度和内聚力，且脆性和渗透性方面的性能没有损失[19]；郭爱国等依托实际高速公路工程，结合室内和现场试验，对中膨胀土的物理力学特性以及中膨胀土经过石灰改性处理后的效果进行了研究，发现经石灰改性后的中膨胀土强度有很大提高，水稳定性也较好，说明经石灰改良处理的中膨胀土可以作为高速公路路堤的填筑材料[20]；WANG等采用动态三轴试验系统对石灰处理膨胀黏土进行一系列室内试验，讨论含水率、围压、振动频率、固结比、循环次数等因素对石灰处理膨胀黏土的动力学特性的影响[21]。不难看出，石灰改良土力学特性受到很多因素的影响，其中最为主要的影响参数包括干密度、龄期、石灰掺量、含水率等[22-23]。以下采取击实试验，得到沪苏湖高铁上海段路基软土及其石灰改良土的最大干密度ρdmax及最优含水率wop，并通过无侧限抗压强度(UCS)试验和不固结不排水(UU)三轴剪切试验得到石灰改良土的力学特性及其随干密度、龄期、石灰掺量的变化，分析石灰改良土的强度特性。

1 强度试验

1.1 试验材料

试验所用软土取自上海沪苏湖高速铁路上海段，软土的基本物性指标见表1。

表1 软土的基本物性指标

在试验之前，首先需要确定土体的最大干密度与最优含水率，对软土和不同石灰掺量的石灰改良土进行击实试验，得到其最优含水率wop及最大干密度ρdmax。软土和石灰土的标准击实试验曲线见图1。软土和不同石灰掺量的石灰改良软土的最优含水率及最大干密度见表2。

图1 软土和石灰土的标准击实曲线

表2 软土和石灰土的最大干密度和最优含水率

由表2可知，软土的最大干密度为1.91 g/cm3，最优含水率为14.91%，掺加石灰后，最大干密度变成了4%石灰掺量下的1.83 g/cm3、6%石灰掺量下的1.78 g/cm3和8%石灰掺量下的1.76 g/cm3，而最优含水率变成了4%石灰掺量下的15.46%、6%石灰掺量下的15.71%和8%石灰掺量下的16.15%。由此可见，随着石灰掺量的增加，石灰土的最优含水率增大，最大干密度减小。这是由于添加石灰后，石灰发生水解水化反应，土体中的一部分游离水转化为结合水，为了提高土体压实性，需要更多的自由水进行润滑，导致其最优含水率随石灰掺量的增加而增大。石灰由于其吸水絮凝作用，会在石灰土中形成絮凝网状结构，导致对石灰土进行压实需要更大的压实功，因此，其最大干密度随着石灰掺量的增加而减小。

考虑到不同石灰掺量时石灰土的最优含水率均在16%附近，以下力学试验的目标含水率均取16%。

1.2 试样制作

将土体风干、敲碎、烘干后，称取一定质量的干土，与一定掺量(L=4%、6%、8%)的生石灰粉末(过0.5 mm筛)充分拌合，喷洒蒸馏水至最优含水率并充分搅拌，静置24 h，使得土样中的水分分布均匀。制样时，根据目标干密度和含水率计算单个土样的质量，然后分5等份在三瓣膜内逐层击实成样(土样尺寸高80 mm、直径39.1 mm)，每层之间用小刀均匀刮抹以加强试样的整体性和均匀性。脱模后，将试样用塑料膜和袋子密封包好，并贴上标签，然后放入保湿缸中养护至规定龄期，相关实验设备见图2。

图2 试样制备仪器示意

1.3 试验方法

(1)无侧限压缩试验

无侧限抗压强度试验能方便快捷地测量土体的单轴抗压强度。为了减少土体本身的离散性和人为操作带来的误差，制作完全相同的3个平行试样，养护到规定的龄期进行无侧限抗压强度试验，试验结果取平均值。无侧限压缩试验通过圆柱体试样施加轴向压力，不施加任何侧向压力，直至试样破坏为止。无侧限抗压强度的计算公式为

(1)

式中，F为破坏试件极限压力；A为试样横截面积。

(2)三轴压缩试验

在保持侧向围压相同的情况下，通过施加垂直向轴压σ1，通过不同的管路测量土体剪切过程中体变、孔隙水压力、变形、轴力等数据，最终通过数据处理得到相应的图表。三轴剪切仪主要由压力室、加压系统和量测与采集系统组成。试样放置在压力室内，加压系统用来提供围压、轴力、反压；量测与采集系统包括位移传感器和压力传感器等各类传感器；所有测量数据均由计算机自动采集。

石灰改良土的不固结不排水(UU)三轴剪切试验的围压水平分别为100，200，400 kPa，三轴剪切速率为0.069 mm/min。具体的试验方案见表3。

表3 不固结不排水(UU)三轴剪切试验方案

2 试验结果分析

2.1 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度与干密度的关系见图3。由图3可知，同样条件下，干密度越大，石灰土的无侧限抗压强度越大，且无侧限抗压强度和干密度呈线性关系；同一干密度时，龄期越大，石灰土的无侧限抗压强度越大。

图3 不同龄期时无侧限抗压强度和干密度的关系(石灰掺量L=6%，含水率w=16%)

石灰含量相同土样的无侧限抗压强度与龄期的关系见图4。由图4可知，龄期越大，石灰土的无侧限抗压强度越大，且无侧限抗压强度早期增长快，后期增长慢，28 d前强度增长较快，28 d后强度增长变慢。相同龄期土样的干密度越大，石灰土的无侧限抗压强度越大。

图4 不同干密度时无侧限抗压强度和龄期的关系(石灰掺量L=6%，含水率w=16%)

干密度相同土样的无侧限抗压强度与龄期的关系见图5。由图5可知，同一龄期内，石灰掺量越大，石灰土的无侧限抗压强度越大。28 d前，不同石灰掺量的石灰土无侧限抗压强度比较接近，28 d以后，不同石灰掺量的石灰土无侧限抗压强度差值较为明显，表明石灰掺量对于石灰土后期的强度影响较早期更为明显。

图5 不同石灰掺量时无侧限抗压强度和龄期的关系(干密度ρd=1.6 g/cm3，含水率w=16%)

在含水率一定的情况下(w=16%)，石灰土的无侧限抗压强度随着干密度和龄期的增加而增加，且早期强度增长快，后期强度增长慢。在石灰掺量范围内(L=4%、6%、8%)，无侧限抗压强度随着石灰掺量的增加而增加，且石灰掺量对于石灰土后期的强度形成贡献更大。

2.2 不固结不排水(UU)三轴剪切试验

石灰土的三轴剪切应力应变曲线见图6。随着龄期的增长，石灰土强度增加；龄期相同土样，干密度越大，石灰土强度越高；石灰掺量越大，石灰土强度越高。且同一条件下，随着围压的增大，石灰土的剪切强度越高，破坏应变也越大。石灰土在三轴剪切条件下呈现脆性破坏和塑性破坏两种特征，干密度、龄期、石灰掺量越大，石灰土的脆性破坏越明显，见图6(a)；围压越大，石灰土的塑性破坏越明显，见图6(b)，这是由于围压越大，对于石灰土的侧向约束越强导致的。

图6 石灰土的破坏形式

根据莫尔圆可以确定石灰土的黏聚力c和内摩擦角φ。不同试验情况下，石灰土的黏聚力和内摩擦角分布见表4，石灰土的三轴剪切强度参数对比见图7、图8。由表4可知，干密度为1.6 g/cm3、石灰掺量为6%时，随着龄期的增大，黏聚力由7 d的100 kPa增大到14d的122 kPa、28 d的155 kPa以及90d的260 kPa，内摩擦角也由7 d的32.23°增大到14 d的32.76°、28 d的32.84°以及90 d的33.84°。

图7 石灰土UU试验应力应变曲线

表4 石灰土的黏聚力和内摩擦角

石灰土的三轴剪切强度参数与干密度的关系见图9。由图9可知，龄期为14 d时，石灰掺量为6%时，随着干密度的增大，黏聚力由1.4 g/cm3干密度时的40 kPa增大到1.5 g/cm3干密度时的65 kPa、1.6 g/cm3干密度时的122 kPa，内摩擦角也由1.4 g/cm3干密度时的31.40°增大到1.5 g/cm3干密度时的32.84°、1.6 g/cm3干密度时的32.76°。

图9 石灰土三轴剪切强度参数与干密度的关系(龄期 t=14 d，含水率w=16%，石灰掺量L=6%)

石灰土的三轴剪切强度参数与石灰掺量的关系见图10。由图10可知，干密度为1.6 g/cm3、龄期为28 d时，随着石灰掺量的增大，黏聚力由4%石灰掺量时的155 kPa增大到6%石灰掺量时的155 kPa、8%石灰掺量时的170 kPa，内摩擦角也由4%石灰掺量时的31.19°增大到6%石灰掺量时的32.76°、8%石灰掺量时的34.04°。

图10 石灰土三轴剪切强度参数与石灰掺量的关系(干密度ρd=1.6 g/cm3，龄期t=14 d，含水率w=16%)

事实上，干密度越大，石灰土的压密程度越好，孔隙率小，石灰土颗粒间的连结作用更紧密，其强度就越大。龄期越长，石灰和土体发生的反应时间就越长，特别是到后期火山灰作用占主导，在土体内部不断生成强度较高的水化产物和胶凝物质，填充孔隙的同时增加颗粒间的胶结作用，从而增加石灰土的强度。在L=4%、6%、8%时，随着石灰掺量的增大，石灰和土体发生的反应越充分，生成的胶结物的含量就越多，对土体内部孔隙的填充效果越好，对土颗粒起到镶嵌、包裹和胶结作用越强，从而增加石灰土的强度。干密度、龄期、石灰掺量的提高对石灰土的黏聚力和内摩擦角均有提升，但对于黏聚力的影响更大。

3 结论

(1)石灰改良土的无侧限抗压强度随着干密度、龄期、石灰掺量的增大而增大，其无侧限抗压强度的增长有明显时间效应，表现为早期增长快，后期增长慢。在一定的石灰掺量范围内(L=4%、6%、8%)，石灰土的无侧限抗压强度随着石灰掺量的增加而增加，且石灰掺量对于石灰土后期无侧限抗压强度贡献更大。石灰土的单轴破坏模式为脆性破坏。

(2)通过不固结不排水(UU)三轴剪切试验得到不同围压下石灰改良土的剪切应力应变曲线，并通过绘制莫尔圆和强度包络线得到对应的抗剪强度指标。结果显示，石灰土的抗剪强度指标(黏聚力和内摩擦角)随着干密度、龄期和石灰掺量的增加而增大，且黏聚力的变化较内摩擦角更为明显；围压越大，石灰土剪切强度越大，破坏应变也越大；石灰土的三轴剪切破坏模式包含脆性破坏和塑性破坏两种形态，干密度、龄期、石灰掺量越大，石灰土脆性破坏特征越明显，围压越大，石灰土的塑性破坏特征越明显。