考虑干湿循环路径的石灰改性红黏土路用性能试验研究

曹豪荣，李新明，樊友杰，王 勇

（1.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071；2.长沙市规划设计院有限责任公司，长沙 410007；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

1 引 言

红黏土是在炎热、多雨环境下形成的一种典型特殊性黏土，在我国贵州、云南、湖南和广西等中西部地区分布广泛。红黏土具有“吸水软化，失水开裂”的典型水敏性特征及高液限、高塑性指数、高天然含水率等持水特征[1－2]。红黏土对环境的湿、热变化非常敏感，作为路基填料时，常会导致路基沉陷、纵裂、浅层滑塌等病害的发生。针对红黏土的矿物组成及微观结构特性，在工程上通常掺入一定剂量的石灰，使其与红黏土发生复杂的物理化学反应以改变其路用性能[3－5]。

Huang等[6]指出:路基的稳定性与耐久性直接取决于土体的强度与变形特性，而含水率是决定土体力学性能的关键因素之一。Hall等[7]认为，含水率主要受土的基本性质控制，地下水、降雨入渗和蒸发是引起路基水分变动的主要驱动力。Auckpath等[8]在非饱和三轴试验系统中装 GDS弯曲元件进行无损检测，研究表明，压实高液限黏土的小应变模量随含水率增加而减小。Zhang[9]通过修筑测试坑，研究了地下水位变动、路基土的毛细特征及弹性模量变化特征。Haliburton等[10]在俄克拉荷马州高速公路开展为期6 a的高液限黏土路基含水率研究，认为受地下水位变化控制的毛细水上升是引起水分积聚的主要原因。Khogali[11]通过修筑试验路段，利用无损检测和模量反算技术，发现路面结构层附近的毛细水和温度场季节性变化对压实细粒路基土的影响显著。

目前，考虑干湿循环路径对土体强度与变形特性影响的研究还比较少，即模拟实际工况下干湿循环效应对路基填料路用性能影响的研究尚未成熟。为了深入研究运营期间路基土的工程特性，采用均匀干湿循环路径模拟地势低洼或者地下水比较丰富的路段，如图 1(a)所示，毛细效应影响高度随地下水位变动起伏，水分迁移引起路基土体湿度反复变动，并通过饱和固结快剪试验探讨路基土力学性能变化规律；采用定向干湿循环路径模拟高填方路段，如图1(b)所示，路基顶部土体中水分在温度势和基质势的作用下反复变动，并通过常含水率无侧限抗压强度试验研究路基土强度和变形特性变化规律。该研究对掌握红黏土路基病害机制及路基长期稳定性研究具有一定的参考价值。

图1 红黏土路基典型破坏特征Fig.1 Failure characteristics of laterite soil embankment

2 试验材料与试验方案

2.1 材料组成及其性质

试验用土取自厦门—成都高速公路湖南郴州段的红褐色黏土。根据规范[12－13]进行矿物组成分析、颗分试验、基本物性指标测定，试验结果如表1～3所示。选用石灰的钙镁含量分析结果如表4所示。

配备红黏土和石灰改性土（掺灰比为7%），进行重型击实试验（击实功为2677.2 kJ/m3，98击），石灰改性前后干密度与含水率关系曲线如图 2所示。与红黏土相比，石灰改性土的最佳含水率提高，最大干密度降低，干密度峰值区较平缓，有利于路基填筑施工。

表1 红黏土矿物成分Table 1 Mineral compositions of laterite soil

表2 红黏土的粒度成分Table 2 Grain size distributions of laterite soil

表3 红黏土的物性指标Table 3 Physical indexes of laterite soil

表4 石灰化学成分Table 4 Chemical compositions of lime

图2 石灰改性前后干密度与含水率变化关系Fig.2 Relationships between dry density and moisture before and after lime-treated

2.2 试验方案

与施工填筑实际工况一致，按含水率比最佳含水率高3%备土，红黏土备样含水率为26.2%，石灰改性土备样含水率为27.5%，石灰与红黏土拌合均匀后，再加预定的水量，拌合均匀静置24 h后备用，采用静压法制备压实度分别为90%、93%、96%的试样，在保湿缸中养护28 d。

2.2.1 均匀干湿循环路径

为使土样增脱湿均匀，采用尺寸为20.0 mm×61.8 mm的试样，在饱和器中抽真空3 h，浸水饱和24 h，在恒温、恒湿箱（温度为30℃、湿度为50%）中脱湿至含水率为15%，将土样静置于保湿缸中48 h，再抽真空3 h，浸水饱和24 h，这样就进行了一个循环，如图3所示。循环过程中，红黏土和石灰改性土均出现微裂隙，如图4所示。

图3 均匀干湿循环路径Fig.3 Uniformity drying-wetting cycle paths

图4 干湿循环过程中试样表观特征Fig.4 Specimen characteristics during drying-wetting cycles

2.2.2 定向干湿循环路径

为了与实际工况接近，采用试样尺寸为50.0 mm×100.0 mm。①定向增湿方法:试样下垫10 mm厚透水石，放置于饱和均匀细砂上吸水增湿48 h。②定向脱湿方法:在恒温恒湿箱中间试样架底部贴一层塑料薄膜，使箱内空气不能对流，垂直方向形成上部温度高、下部温度低的温度梯度，试样中的水分在温度势与基质势的动态平衡中迁移脱湿至含水率为15%，如图5所示。该干湿循环路径与路基顶部温度驱动水分迁移模式相似。定向干湿循环4次后，红黏土试样出现多组水平收缩裂缝，如图4(b)所示；石灰改性土试样仅在顶部出现一组水平收缩裂缝，如图4(c)所示。试样表观特征与图1(b)所示路堤顶面典型病害特征相似。

试验方案如表5所示。

图5 定向干湿循环路径Fig.5 Directional drying-wetting cycle paths

表5 试验方案Table 5 Experiment schemes

3 试验结果与分析

3.1 均匀干湿循环作用下石灰改性土路用性能

通过对压实红黏土及其石灰改性土进行均匀干湿循环作用后饱和固结快剪试验，对比分析其剪应力-位移关系曲线及抗剪强度指标c、φ值与循环次数的关系与规律。

干湿循环后的典型剪应力-位移关系曲线如 图6所示，图中法向应力分别为50、100、150、200 kPa。由图6(a)、6(c)可知，未经过干湿循环的红黏土和石灰改性土应力-位移曲线均呈应变软化型。1次干湿循环后，红黏土的应力-位移曲线呈稳定～硬化型，而石灰改性土的应力-位移曲线仍呈应变软化型，表明石灰改性土内部结构水稳定性较好。如图6(b)、6(d)所示，2次干湿循环后，其应力-位移关系曲线非常相似，均呈稳定～硬化型。

图6 典型应力-位移关系曲线Fig.6 Typical stress-displacement curves

如图6所示，随着干湿循环次数的增加，剪切应力峰值减小，对应的剪切位移增大，表明干湿循环作用下，其抗剪强度衰减、抗变形能力下降。如图6(a)、6(c)所示，未经过干湿循环时，石灰改性土的剪应力峰值较高，对应的剪切位移较小，表明红黏土中掺入石灰能有效提高其初始抗剪强度和抗变形能力。如图 6(b)、6(d)所示，经过 2次干湿循环后，在上覆荷载较小的路基工作环境中，石灰改性土与红黏土的剪应力峰值十分接近。

均匀干湿循环作用下红黏土及石灰改性土的抗剪强度指标c、φ变化规律如图7、8所示。未经过干湿循环的石灰改性土具有较大的内摩擦角、较小的黏聚力。随着干湿循环次数的增加，红黏土和石灰改性土的黏聚力减小，内摩擦角小幅度增大，干湿循环2次后，变化幅度明显减缓。干湿循环3次后，压实红黏土的黏聚力衰减至15.5～18.0 kPa，石灰改性土的黏聚力衰减至21.5～26.0 kPa，石灰改性土的黏聚力略高，压实红黏土的内摩擦角与石灰改性土接近。

图7 黏聚力变化曲线Fig.7 Curves of cohesive strength

图8 内摩擦角变化曲线Fig.8 Curves of friction angle

干湿循环过程会使土样的比表面积减小，孔隙率增大，颗粒定向性变差[14]。试样在循环中经历了胀缩交替，土体结构调整，使得土颗粒间的胶结变弱，颗粒之间的距离增大，总内力减小，从而导致黏聚力下降。黏粒之间作用的不可逆的范德华力，使黏粒集聚成较大集聚体，土中分散细粒含量的减少，从而导致饱和土样的内摩擦角小幅增加[14－15]。另外，干湿循环使土体结构重新调整，压实红黏土和石灰改性土的结构黏结强度被削弱，主要体现在黏聚力的下降。

红黏土中掺入石灰后，石灰中的 Ca2+和Mg2+与红黏土中的低价阳离子发生离子反应，颗粒凝聚成团，土粒比表面积减小。由于Ca2+、Mg2+结合水膜较薄，使红黏土分散性、坍塌性、亲水性、黏附性降低[4]。石灰改性土具有较大的内摩擦角，较小的黏聚力。但均匀干湿循环3次后，石灰改性土的内摩擦角与红黏土接近，黏聚力略高，抗剪强度峰值十分接近，表明石灰改性土对水仍然比较敏感，随着循环次数增加，其内部结构破坏愈明显，在水分反复变动的环境中，其后期强度并没有显著提高。

3.2 定向干湿循环作用下石灰改性土路用性能

对定向干湿循环作用后的试样进行无侧限抗压强度试验，对比分析红黏土和石灰改性土的强度与变形特性。如图9(b)所示，定向干湿循环后，试样会产生水平向贯通的收缩裂缝；如图 9(c)所示，试验过程中，试样内部裂隙在轴向压力作用下发生闭合；如图9(d)所示，随着轴向压力增大到一定程度，试样突然发生崩散破坏。

图9 无侧限抗压强度试验过程中的试样特征Fig.9 Specimen characteristics of unconfined compression strength test

如图10、表6所示，定向干湿循环后，较低含水率情况下红黏土和石灰改性土的无侧限抗压强度峰值随着干湿循环次数的增加而衰减，表明干湿循环作用削弱了其强度。由图11、表6可以发现，在较高含水率情况下，其强度峰值随干湿循环次数增加而呈衰减趋势，同时受试验含水率影响十分显著。相同干湿循环次数情况下，石灰改性土的无侧限抗压强度峰值较高，对应的轴向应变较小，表明高填方路段路床采用石灰改性土填筑，能有效改善水稳定性、提高强度。

从图10可以看出，较低含水率情况下，试验开始时应力-应变曲线呈上凹型。形成这一特性的主要原因是存在于试样内的裂隙在外力作用下发生闭合所致。与红黏土相比，石灰改性土的裂缝较少，裂缝宽度较小，应力-应变曲线上凹段较短。干湿循环次数的增加，试样内部裂缝增多，裂缝宽度增大，裂缝闭合引起的轴向应变增大，应力-应变曲线的上凹段增长。从图11中可以看出，较高含水率情况下，试验开始时应力随着应变增加缓慢，但应力-应变曲线没有呈现明显的上凹型。表明红黏土和石灰改性土的强度和变形特性在较低含水率情况下受控于裂隙，而在较高含水率情况下由含水率所控制[1]。高填方路段路床采用石灰改性土填筑，路基顶部收缩裂缝较少，强度和抗变形特性得到有效改善。

图10 定向干湿循环后，较低含水率情况下红黏土与石灰改性土典型应力-应变曲线Fig.10 Laterite soil and lime-treated soil stress-strain curves under directional drying-wetting cycles and low moisture content

表6 无侧限抗压强度峰值Table 6 Peak values of unconfined compression strength

图11 定向干湿循环后，较高含水率情况下红黏土与石灰改性土典型应力-应变曲线Fig.11 Laterite soil and lime-treated soil stress-strain curves under directional drying-wetting cycles and high moisture content

4 结 论

（1）均匀干湿循环作用下，红黏土和石灰改性土的黏聚力减小，内摩擦角小幅度增大。经过3次干湿石灰改性土的抗剪强度略高于红黏土。对于地势低洼或地下水位变化较大的路段，采用石灰改性土填筑不能显著改善其长期路用性能，更应该加强防排水设计。

（2）定向干湿循环作用下，石灰改性土出现较少的收缩裂缝，强度和变形参数降低的幅度较小。高填方路段路床采用石灰改性土填筑，能减少路堤顶面收缩裂缝，使路基路面整体稳定性提高，路用性能得到明显改善。

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