消石灰改良膨胀土室内试验研究

2016-08-09张文慧卢子威龚傲龙吉恩跃

信阳师范学院学报（自然科学版） 2016年1期

刘磊，张文慧，卢子威，龚傲龙，黄珂，吉恩跃

(河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京 210098)

0 引言

膨胀土是在自然地质过程中形成的一种地质体，其黏土矿物成分主要由亲水性矿物如蒙脱石和(或)伊利石组成，同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩硬裂两种特性，且具有干缩湿胀往复变形的高塑性黏性土.膨胀土具有胀缩性、多裂隙性、超固结性、强度衰减性、崩解性、风化特性等与一般黏土不同的工程特性[1].因此对于直接用膨胀土填筑的铁路(公路)路基，常常发生边坡滑塌、路基沉陷、路面变形、构造物损毁等一系列问题.我国许多膨胀土分布的地区，其气候特征存在着明显的旱季雨季，在雨季和旱季相互交替的过程中，膨胀土经历着吸水—失水—吸水—失水无限次的干湿循环.因此我国铁路(公路)路基在运营期间会因为经历这种干湿循环而产生反复胀缩变形、土体开裂、强度衰减等工程病害，给铁路(公路)的运营埋下安全隐患.

工程中需要对膨胀土地基或者膨胀土填料进行处理以降低其工程危害后方可使用，目前主要的处理方法有换土法、包边法、表水防护、桩基础法和化学改良法，其中化学改良法应用较为广泛，包括掺入有机类改良剂和无机类改良剂两种方法.

目前，化学改良膨胀土常用的无机改良法以掺入石灰、粉煤灰等添加剂为代表.杨俊[2]、张福海[3]、向文俊等[4]研究了掺灰改良膨胀土和二次掺灰工艺；查甫生等[5]研究了石灰-粉煤灰改良膨胀土的工程特性；陈雷等[6]对宁怀高速公路路基膨胀土进行了石灰改良室内试验，重点研究了石灰改良土的线膨胀率、膨胀力、无侧限抗压强度、黏聚力、内摩擦角等指标；周葆春等[7]对石灰改良湖北荆门膨胀土的应力-应变-强度特征进行室内试验研究；边加敏等[8-9]重点研究了初始含水率、掺灰量、养护龄期对石灰改良膨胀土抗剪强度指标的影响；齐嘉炜等[10]进行了石灰改良安徽张庄矿尾矿坝填料膨胀土的膨胀性和水稳定性室内试验研究.本文通过消石灰改良膨胀土的干湿循环试验，重点研究消石灰改良膨胀土在干湿循环过程中裂隙发育规律、胀缩变形规律和抗剪强度变化规律.

1 试样制备

1.1 膨胀土选取

本文所用土料取自某铁路试验段，取土深度为2～4 m，土体呈灰黄色～红褐色，硬塑～坚硬，将被作为路基填料使用.土样取回后先进行风干，风干后土样含水率为4.9%，风干土样全部过5 mm筛.其主要物理性质指标见表1.根据《铁路工程岩土分类标准》(TB 10077-2001)试验所用土样为弱膨胀土.

表1 液塑限和膨胀性指标

1.2 膨胀土改良方式

消石灰改良膨胀土的掺灰方法为：将土样风干后过2 mm筛；取筛下土样配制到最优含水率(允许误差为±1%)闷料24 h后测定其含水率，并将土样分成3份.按干土质量计算，分别掺加3%、5%、7%的消石灰(即每100 g干土分别加入3 g、5 g、7 g消石灰)拌和均匀，后用静压法制样.试样的密度与要求密度的差值不超过0.02 g/cm3；试样直径为61.8 mm、高度为20 mm；制样后埋入同掺量同含水率的消石灰改良膨胀土中养护，改良前后的最大干密度和最优含水率见表2.

表2 不同掺灰量膨胀土的最大干密度和最优含水率

注：掺量为0即表示素膨胀土，击实方法均为干法重型击实.

2 试验方案

对素土和3%、5%、7%消石灰改良土试样进行干湿循环试验(掺量为3%、5%、7%的试样埋入同掺量同含水率的石灰改良膨胀土中养护28 d后方可进行干湿循环试验，素土试样不养护直接进行干湿循环试验)，试样共经历8次干湿循环.干湿循环分为浸水膨胀和失水收缩两个过程，浸水膨胀过程为：将试样放置在透水石上，先加水至水面和透水石顶面同高，试样吸水饱和，逐渐将水位升至淹没试样表面为止，浸水24 h即认为试样吸水膨胀稳定；失水收缩过程为：将浸水饱和后的试样风干至制样初始质量，即认为试样失水收缩稳定.每次干湿循环前后对试样的高度进行量测，以统计试样每次干湿循环前后的膨胀率和收缩率.试样经历0次、1次、2次、3次、4次、6次、8次干湿循环后，将试样浸水饱和后进行固结快剪试验.同时对于消石灰掺量为3%、5%、7%的试样，当试样养护至1 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d后按照《铁路工程土工试验规程》(TB10102-2010)中相关规定进行自由膨胀率试验.

3 结果与分析

3.1 消石灰掺量和龄期对自由膨胀率的影响

素土和掺量为3%、5%、7%的消石灰改良膨胀土自由膨胀率试验结果见图1.从图1可以看出，改良膨胀土的自由膨胀率随消石灰掺量的增长而减小，掺加3%的消石灰就可以消除膨胀土的膨胀性；3种掺量的改良膨胀土的自由膨胀率随着龄期的增长呈下降趋势，龄期达28 d后自由膨胀率虽仍有下降，但基本稳定；3%的消石灰掺量即可有效地降低自由膨胀率，达到明显的改良效果.同时可以看出，随着掺灰量的增长，改良膨胀土的自由膨胀率总体上呈下降趋势，在7%的范围以内，自由膨胀率随着掺灰量的增长而减小.

图1 改良膨胀土自由膨胀率随龄期变化规律

3.2 干湿循环过程中消石灰掺量对裂隙发育的影响

素土和改良膨胀土干湿循环过程中裂隙发育情况.第一次干湿循环后，素土试样边缘与环刀脱离，试样产生了数条没有贯通表面的裂隙；掺量为3%、5%和7%的改良膨胀土试样均没有明显收缩现象，且表面未有肉眼可识别的裂缝出现.第三次干湿循环后，素土试样边缘与环刀脱离，表面裂缝宽度扩大，且出现贯通裂缝；掺量为3%的试样细微裂隙逐渐扩大，试样与环刀有稍许脱离，收缩较明显；掺量为5%和7%的试样完整，没有明显收缩现象，也未产生明显裂隙.第六次和第八次干湿循环后，素土试样表面的贯穿裂隙及试样与环刀间的缝隙均逐渐变宽，贯穿裂隙周围的分枝裂隙变宽并逐渐延伸至试样边缘，试样表面局部土体脱落更加严重，试样结构逐渐破坏；掺量为3%的改良土试样边缘裂隙逐渐扩大，试样脱离环刀，收缩明显，且试样边缘土块剥落比较严重，有较大的贯穿裂缝显现；掺量为5%的有明显的收缩现象，试样边缘裂缝数量增加，试样边缘土块剥落现象较前几次比较严重，但能整体上保证试样完整，未有明显的贯穿裂缝出现;掺量为7%的试样完整，有稍许收缩现象，但依旧未产生明显裂缝，亦未有土块剥落现象产生.由以上试验结果可以看出，消石灰的掺入有效地抑制了干湿循环过程中裂缝的发育，且随着掺量的增大改良效果愈加明显，但5%掺量和7%掺量的改良土试样在经历6次干湿循环以后相差不大，故可确定合适掺量为5%.

图2 素土和改良膨胀土干湿循环裂隙发育情况

3.3 干湿循环过程中消石灰掺量对胀缩变形的影响

定义试样的绝对膨胀率、相对膨胀率、绝对收缩率和相对收缩率分别如下[11]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：h0为土样的初始高度,hei为试样第i次膨胀稳定后的高度,he(i-1)为试样第i-1次膨胀稳定后的高度,hsi为试样第i次收缩稳定后的高度,hs(i-1)为试样第i-1次收缩稳定后的高度.

素土和改良膨胀土绝对膨胀率、相对膨胀率、绝对收缩率、相对收缩率随干湿循环次数的变化规律.由图3和图4可知，干湿循环过程中，素土和改良膨胀土的绝对膨胀率和绝对收缩率随着干湿循环次数的增加逐渐增加，但其增加速率逐渐变缓，经历6次干湿循环以后，绝对膨胀率基本趋于稳定，绝对收缩率大于零.结合绝对膨胀率随干湿循环次数的变化关系可知，干湿循环过程中膨胀土发生了不可逆的膨胀变形.相对膨胀率随着干湿循环次数的增加先增大后减小，在经历6次干湿循环以后，相对膨胀率基本趋于稳定，这因为随着干湿循环次数的增加，膨胀土经历了削弱、部分恢复、再削弱、再部分恢复的循环过程，当达到一定程度(6次干湿循环)后，膨胀土的胀缩性也就趋于一种稳定状态.改良膨胀土的相对收缩率在经历6次干湿循环以后也基本趋于稳定，但是素土的相对收缩率处于上升态势.综合图3、图4、图5和图6，每次干湿循环后改良膨胀土绝对膨胀率、相对膨胀率、绝对收缩率、相对收缩率相对于素膨胀土均大幅度减小，说明消石灰起到了明显的改良效果.

图3 绝对膨胀率随干湿循环次数的变化规律

图4 相对膨胀率随干湿循环次数的变化规律

图5 绝对收缩率随干湿循环次数的变化规律

图6 相对收缩率随干湿循环次数的变化规律

3.4 干湿循环过程中消石灰掺量对强度参数的影响

素土和改良膨胀土试样经历1次、2次、3次、4次、6次、8次干湿循环后，将试样浸水饱和后进行固结快剪试验，试验结果见图7和图8.从图7和图8中可以看出，素土和改良膨胀土的内摩擦角基本上不随着干湿循环的次数增加而变化，黏聚力则随着干湿循环次数的增加呈衰减态势，且第一次衰减最明显.但掺量为3%、5%、7%的改良膨胀土在后几次干湿循环过程中黏聚力衰减变缓，甚至有出现黏聚力增加的现象，这是因为改良膨胀土存在着龄期效应，在后几次干湿循环过程中试样的养护时间相比于前几次有所增加.对比素土和改良膨胀土可知，改良膨胀土的内摩擦角和黏聚力这两个参数每次干湿循环后均比素土高，说明经过石灰改良后的膨胀土其水稳定性相比素膨胀土有很大提高，但掺量为7%的膨胀土的黏聚力在每次干湿循环试验前后均比掺量为5%和3%的小.笔者认为这是掺量为7%的试样由于消石灰掺量过高导致膨胀土过度沙化，使其黏聚力降低，这同时也反映出合适掺量在5%到7%之间，和前面改良膨胀土干湿循环裂隙发育情况得出的关于最优掺量的结论吻合.