石灰改良土無側限抗壓強度及剪切強度特性研究

嚴赪強 白宇帆 徐永福 王偉志 王 浩

(1.上海鐵路樞紐工程建設指揮部，上海 200003；2.上海交通大學土木工程學院，上海 200240)

引言

長三角地區存在大量軟土，隨著高鐵建設的發展，不可避免會遇到強度低、承載力弱、工程性質差的軟土地層[1-2]，容易帶來各類路基病害和交通隱患。目前，最為經濟實用的改良方法主要石灰改良[3-6]，也可采用水泥[7-11]、添加纖維[12]、粉煤灰[13]、工業廢渣[14]等材料對土體進行改良處理。石灰由于其成本低廉且易于獲得的特點，被廣泛用于各類不良土體的加固處理。添加石灰后，石灰和土會發生水解水化反應、離子交換反應、碳酸化作用、火山灰反應等一系列物理化學作用，生成各類膠結物質，如水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、碳酸鈣、鈣礬石等[15-17]，改變了石灰土的微觀組成和結構，進而提高石灰土的強度，起到改良固化效果。

已有許多學者開展相關研究，賀建清發現摻入石灰能有效改善軟土的力學性質，非飽和狀態下的石灰土強度并非一直隨著石灰摻量的增加而增大，而是存在一個最佳摻量，在此摻量下石灰土的強度最高[18]；LAMIS等對石灰改良處理后的粉土進行現場測試，發現即使處于飽和狀態，石灰改良粉土仍能夠顯著提高土體的工程性質，具有較低的塑性，良好的可加工性，較大的剛度和內聚力，且脆性和滲透性方面的性能沒有損失[19]；郭愛國等依托實際高速公路工程，結合室內和現場試驗，對中膨脹土的物理力學特性以及中膨脹土經過石灰改性處理后的效果進行了研究，發現經石灰改性后的中膨脹土強度有很大提高，水穩定性也較好，說明經石灰改良處理的中膨脹土可以作為高速公路路堤的填筑材料[20]；WANG等采用動態三軸試驗系統對石灰處理膨脹黏土進行一系列室內試驗，討論含水率、圍壓、振動頻率、固結比、循環次數等因素對石灰處理膨脹黏土的動力學特性的影響[21]。不難看出，石灰改良土力學特性受到很多因素的影響，其中最為主要的影響參數包括干密度、齡期、石灰摻量、含水率等[22-23]。以下采取擊實試驗，得到滬蘇湖高鐵上海段路基軟土及其石灰改良土的最大干密度ρdmax及最優含水率wop，并通過無側限抗壓強度(UCS)試驗和不固結不排水(UU)三軸剪切試驗得到石灰改良土的力學特性及其隨干密度、齡期、石灰摻量的變化，分析石灰改良土的強度特性。

1 強度試驗

1.1 試驗材料

試驗所用軟土取自上海滬蘇湖高速鐵路上海段，軟土的基本物性指標見表1。

表1 軟土的基本物性指標

在試驗之前，首先需要確定土體的最大干密度與最優含水率，對軟土和不同石灰摻量的石灰改良土進行擊實試驗，得到其最優含水率wop及最大干密度ρdmax。軟土和石灰土的標準擊實試驗曲線見圖1。軟土和不同石灰摻量的石灰改良軟土的最優含水率及最大干密度見表2。

圖1 軟土和石灰土的標準擊實曲線

表2 軟土和石灰土的最大干密度和最優含水率

由表2可知，軟土的最大干密度為1.91 g/cm3，最優含水率為14.91%，摻加石灰后，最大干密度變成了4%石灰摻量下的1.83 g/cm3、6%石灰摻量下的1.78 g/cm3和8%石灰摻量下的1.76 g/cm3，而最優含水率變成了4%石灰摻量下的15.46%、6%石灰摻量下的15.71%和8%石灰摻量下的16.15%。由此可見，隨著石灰摻量的增加，石灰土的最優含水率增大，最大干密度減小。這是由于添加石灰后，石灰發生水解水化反應，土體中的一部分游離水轉化為結合水，為了提高土體壓實性，需要更多的自由水進行潤滑，導致其最優含水率隨石灰摻量的增加而增大。石灰由于其吸水絮凝作用，會在石灰土中形成絮凝網狀結構，導致對石灰土進行壓實需要更大的壓實功，因此，其最大干密度隨著石灰摻量的增加而減小。

考慮到不同石灰摻量時石灰土的最優含水率均在16%附近，以下力學試驗的目標含水率均取16%。

1.2 試樣制作

將土體風干、敲碎、烘干后，稱取一定質量的干土，與一定摻量(L=4%、6%、8%)的生石灰粉末(過0.5 mm篩)充分拌合，噴灑蒸餾水至最優含水率并充分攪拌，靜置24 h，使得土樣中的水分分布均勻。制樣時，根據目標干密度和含水率計算單個土樣的質量，然后分5等份在三瓣膜內逐層擊實成樣(土樣尺寸高80 mm、直徑39.1 mm)，每層之間用小刀均勻刮抹以加強試樣的整體性和均勻性。脫模后，將試樣用塑料膜和袋子密封包好，并貼上標簽，然后放入保濕缸中養護至規定齡期，相關實驗設備見圖2。

圖2 試樣制備儀器示意

1.3 試驗方法

(1)無側限壓縮試驗

無側限抗壓強度試驗能方便快捷地測量土體的單軸抗壓強度。為了減少土體本身的離散性和人為操作帶來的誤差，制作完全相同的3個平行試樣，養護到規定的齡期進行無側限抗壓強度試驗，試驗結果取平均值。無側限壓縮試驗通過圓柱體試樣施加軸向壓力，不施加任何側向壓力，直至試樣破壞為止。無側限抗壓強度的計算公式為

(1)

式中，F為破壞試件極限壓力；A為試樣橫截面積。

(2)三軸壓縮試驗

在保持側向圍壓相同的情況下，通過施加垂直向軸壓σ1，通過不同的管路測量土體剪切過程中體變、孔隙水壓力、變形、軸力等數據，最終通過數據處理得到相應的圖表。三軸剪切儀主要由壓力室、加壓系統和量測與采集系統組成。試樣放置在壓力室內，加壓系統用來提供圍壓、軸力、反壓；量測與采集系統包括位移傳感器和壓力傳感器等各類傳感器；所有測量數據均由計算機自動采集。

石灰改良土的不固結不排水(UU)三軸剪切試驗的圍壓水平分別為100，200，400 kPa，三軸剪切速率為0.069 mm/min。具體的試驗方案見表3。

表3 不固結不排水(UU)三軸剪切試驗方案

2 試驗結果分析

2.1 無側限抗壓強度

無側限抗壓強度與干密度的關系見圖3。由圖3可知，同樣條件下，干密度越大，石灰土的無側限抗壓強度越大，且無側限抗壓強度和干密度呈線性關系；同一干密度時，齡期越大，石灰土的無側限抗壓強度越大。

圖3 不同齡期時無側限抗壓強度和干密度的關系(石灰摻量L=6%，含水率w=16%)

石灰含量相同土樣的無側限抗壓強度與齡期的關系見圖4。由圖4可知，齡期越大，石灰土的無側限抗壓強度越大，且無側限抗壓強度早期增長快，后期增長慢，28 d前強度增長較快，28 d后強度增長變慢。相同齡期土樣的干密度越大，石灰土的無側限抗壓強度越大。

圖4 不同干密度時無側限抗壓強度和齡期的關系(石灰摻量L=6%，含水率w=16%)

干密度相同土樣的無側限抗壓強度與齡期的關系見圖5。由圖5可知，同一齡期內，石灰摻量越大，石灰土的無側限抗壓強度越大。28 d前，不同石灰摻量的石灰土無側限抗壓強度比較接近，28 d以后，不同石灰摻量的石灰土無側限抗壓強度差值較為明顯，表明石灰摻量對于石灰土后期的強度影響較早期更為明顯。

圖5 不同石灰摻量時無側限抗壓強度和齡期的關系(干密度ρd=1.6 g/cm3，含水率w=16%)

在含水率一定的情況下(w=16%)，石灰土的無側限抗壓強度隨著干密度和齡期的增加而增加，且早期強度增長快，后期強度增長慢。在石灰摻量范圍內(L=4%、6%、8%)，無側限抗壓強度隨著石灰摻量的增加而增加，且石灰摻量對于石灰土后期的強度形成貢獻更大。

2.2 不固結不排水(UU)三軸剪切試驗

石灰土的三軸剪切應力應變曲線見圖6。隨著齡期的增長，石灰土強度增加；齡期相同土樣，干密度越大，石灰土強度越高；石灰摻量越大，石灰土強度越高。且同一條件下，隨著圍壓的增大，石灰土的剪切強度越高，破壞應變也越大。石灰土在三軸剪切條件下呈現脆性破壞和塑性破壞兩種特征，干密度、齡期、石灰摻量越大，石灰土的脆性破壞越明顯，見圖6(a)；圍壓越大，石灰土的塑性破壞越明顯，見圖6(b)，這是由于圍壓越大，對于石灰土的側向約束越強導致的。

圖6 石灰土的破壞形式

根據莫爾圓可以確定石灰土的黏聚力c和內摩擦角φ。不同試驗情況下，石灰土的黏聚力和內摩擦角分布見表4，石灰土的三軸剪切強度參數對比見圖7、圖8。由表4可知，干密度為1.6 g/cm3、石灰摻量為6%時，隨著齡期的增大，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，內摩擦角也由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°。

圖7 石灰土UU試驗應力應變曲線

表4 石灰土的黏聚力和內摩擦角

石灰土的三軸剪切強度參數與干密度的關系見圖9。由圖9可知，齡期為14 d時，石灰摻量為6%時，隨著干密度的增大，黏聚力由1.4 g/cm3干密度時的40 kPa增大到1.5 g/cm3干密度時的65 kPa、1.6 g/cm3干密度時的122 kPa，內摩擦角也由1.4 g/cm3干密度時的31.40°增大到1.5 g/cm3干密度時的32.84°、1.6 g/cm3干密度時的32.76°。

圖9 石灰土三軸剪切強度參數與干密度的關系(齡期 t=14 d，含水率w=16%，石灰摻量L=6%)

石灰土的三軸剪切強度參數與石灰摻量的關系見圖10。由圖10可知，干密度為1.6 g/cm3、齡期為28 d時，隨著石灰摻量的增大，黏聚力由4%石灰摻量時的155 kPa增大到6%石灰摻量時的155 kPa、8%石灰摻量時的170 kPa，內摩擦角也由4%石灰摻量時的31.19°增大到6%石灰摻量時的32.76°、8%石灰摻量時的34.04°。

圖10 石灰土三軸剪切強度參數與石灰摻量的關系(干密度ρd=1.6 g/cm3，齡期t=14 d，含水率w=16%)

事實上，干密度越大，石灰土的壓密程度越好，孔隙率小，石灰土顆粒間的連結作用更緊密，其強度就越大。齡期越長，石灰和土體發生的反應時間就越長，特別是到后期火山灰作用占主導，在土體內部不斷生成強度較高的水化產物和膠凝物質，填充孔隙的同時增加顆粒間的膠結作用，從而增加石灰土的強度。在L=4%、6%、8%時，隨著石灰摻量的增大，石灰和土體發生的反應越充分，生成的膠結物的含量就越多，對土體內部孔隙的填充效果越好，對土顆粒起到鑲嵌、包裹和膠結作用越強，從而增加石灰土的強度。干密度、齡期、石灰摻量的提高對石灰土的黏聚力和內摩擦角均有提升，但對于黏聚力的影響更大。

3 結論

(1)石灰改良土的無側限抗壓強度隨著干密度、齡期、石灰摻量的增大而增大，其無側限抗壓強度的增長有明顯時間效應，表現為早期增長快，后期增長慢。在一定的石灰摻量范圍內(L=4%、6%、8%)，石灰土的無側限抗壓強度隨著石灰摻量的增加而增加，且石灰摻量對于石灰土后期無側限抗壓強度貢獻更大。石灰土的單軸破壞模式為脆性破壞。

(2)通過不固結不排水(UU)三軸剪切試驗得到不同圍壓下石灰改良土的剪切應力應變曲線，并通過繪制莫爾圓和強度包絡線得到對應的抗剪強度指標。結果顯示，石灰土的抗剪強度指標(黏聚力和內摩擦角)隨著干密度、齡期和石灰摻量的增加而增大，且黏聚力的變化較內摩擦角更為明顯；圍壓越大，石灰土剪切強度越大，破壞應變也越大；石灰土的三軸剪切破壞模式包含脆性破壞和塑性破壞兩種形態，干密度、齡期、石灰摻量越大，石灰土脆性破壞特征越明顯，圍壓越大，石灰土的塑性破壞特征越明顯。