石灰改良膨胀土的水稳定性研究

边加敏

(1.南京交通职业技术学院 江苏省道路交通节能减排技术研发中心，南京 211188；2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098)



石灰改良膨胀土的水稳定性研究

边加敏1，2

(1.南京交通职业技术学院 江苏省道路交通节能减排技术研发中心，南京 211188；2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098)

为研究石灰改良膨胀土的水稳定性，以某边坡弱膨胀土及石灰改良膨胀土为研究对象，进行了击实试验、无侧限抗压强度试验和压缩模量试验，并引用其他学者的相关土水特征曲线(SWCC)试验结果，分析了石灰改良膨胀土的水稳定特性。结果显示：石灰改良膨胀土的可击实范围比素土宽，且最优含水率和最大干密度随掺灰率的增大分别线性增大和线性减小；石灰改良膨胀土经过1 d的吸湿后，无侧限抗压强度与压缩模量降低幅度最大，之后随着吸湿天数的增加，无侧限抗压强度和压缩模量降低的幅度逐渐减小，最终趋于稳定；经过1次干湿循环后，无侧限抗压强度降低幅度最大，之后随着干湿循环次数的增加，无侧限抗压强度降低幅度逐渐减小。试验后的石灰改良膨胀土强度及模量的衰减程度较素土有了较大幅度的降低，表明石灰改良土的水稳定性有了较大的改善。此外，SWCC的研究表明石灰改良膨胀土的水稳定性得到了较大幅度的提高。

石灰改良膨胀土；水稳定性；无侧限抗压强度；压缩模量；SWCC

1 研究背景

膨胀土工程问题由于其处理的复杂性，常常被认为是工程建设中的“癌症”，具有多次反复性与长期潜伏性。目前在我国广泛开展的高速公路建设及南水北调工程中广泛遇到这种特殊性质的土，根据公路规范的相关规定，公路工程中不能使用强膨胀土铺筑路堤，中、弱膨胀土经过处理后可以用来铺筑路堤，目前工程上最常用的膨胀土改良方法有物理法与化学法，其中以石灰改良运用最为广泛。

在研究石灰改性土作为路基填料的工程应用中，广大学者的研究范围集中在石灰改良膨胀土的强度、变形、压缩、路基的压实、承载力等方面[1-9]，对石灰改良膨胀土水稳定性的研究较少。实际上，石灰改良膨胀土的水稳定性也是需要研究的重要内容，对石灰改良膨胀土水稳定性进行研究对于石灰改良膨胀土的路用性能，尤其是对确定石灰改良膨胀土的最佳掺灰率及最优施工含水率具有一定的意义。本文将通过击实试验、强度试验、SWCC试验等研究石灰改良膨胀土的水稳定性。

2 石灰的改性原理

在膨胀土中加入石灰进行膨胀土的改良处理，主要是石灰可以改变黏土矿物的微结构，从而引起膨胀土工程性质的变化，这种作用的机制主要体现在以下4个方面[10]。

2.1 离子交换作用

膨胀土的微小颗粒在水中呈现一定的胶体性质，并带有负电荷，表面吸附一定数量的钠、钾、钙、氢等低价阳离子。石灰是一种强电解质，在土中加入石灰后，石灰在水中电离出来的高浓度钙离子(Ca2+)能与土中的钠离子(Na+)产生离子交换作用，减少了土颗粒表面吸附水膜的厚度，使颗粒之间更为接近，分子引力随之增加，许多单个土粒聚成小团粒，组成一个稳定结构。

2.2 结晶作用

在石灰稳定土中只有一部分熟石灰Ca(OH)2进行了离子交换作用，而绝大部分饱和的Ca(OH)2可以自行结晶，将膨胀土颗粒胶结成一个整体。

2.3 碳酸化作用

石灰稳定土中的Ca(OH)2与空气中的CO2作用生成坚硬的CaCO3结晶体。该结晶体可以将膨胀土颗粒胶结起来，阻止外界水分与强吸水矿物的有机结合，从而大大提高膨胀土的强度和整体性能。

2.4 硬凝作用

石灰与土中的活性氧化硅、氧化铝起化学反应生成含水的硅酸钙和铝酸钙，其在水作用下逐渐结硬。硅酸钙和铝酸钙是一种水稳性良好的结合材料，硬凝反应是构建石灰土早期强度的原因之一。

3 试验材料

试验用土为南京芜申线胥河边坡东坝航道段膨胀土，自由膨胀率为50，按照相关试验规范，该土为高液限的弱膨胀土。根据路基设计规范，该土不能直接用于路基的铺设。试验用土的物理性质参数及级配组成分别见表1和表2。

表1 膨胀土物理性质

表2 膨胀土颗粒级配组成

试验用消石灰主要化学成分及含量为：CaO(74.2%)和MgO(0.67%)。

4 石灰土的水稳定性试验

4.1 击实曲线

为了研究石灰土的水稳定性，笔者采用高淳胥河膨胀土0%，2%，4%，6% 4种不同掺灰率的石灰土进行了相关击实试验，并与临海高等级公路启东北段2#取土坑的土样击实曲线进行比较研究。由于石灰改良胥河膨胀土的击实曲线与临海高等级公路启东北段2#取土坑类似，笔者仅绘制了不同掺灰率的临海高等级公路土的击实曲线，如图1所示。

图1 最大干密度与含水率的关系Fig.1 Relationship between maximum dry density and water content

图1显示，随着石灰掺量的增加，石灰改良土的击实曲线逐渐趋于平缓，说明石灰改良土的干密度对含水量的敏感性比素土小。并且在文中掺灰率范围内，石灰改良土击实曲线的扁平程度有随着掺灰率的增加而增加的趋势，这一趋势表明，石灰改良土的水敏感性有随着石灰掺量的增加而逐渐减小的趋势。相关研究成果显示，水敏感性与水稳定性负相关，即水敏感性越弱，水稳定性越强。

笔者分别选取2种试验用土，研究不同掺灰率所对应的最优含水率和最大干密度，见表3。并进行了数据拟合，拟合关系见图2。

表3 掺灰率与最大干密度及最优含水率关系

(a)掺灰率与最大干密度关系(b)掺灰率与最优含水率关系图2 掺灰率与最大干密度和最优含水率的拟合关系Fig.2 Fittingrelationshipsofmaximumdrydensityandoptimalwatercontentvs.limecontentrespectively

通过比较研究以上2种掺灰率的石灰土可知，对于石灰改良土而言，在一定的掺灰率范围内石灰土的最大干密度和最优含水率均与掺灰率近似成线性关系。最大干密度随掺灰率的增加线性减小，最优含水率随掺灰率的增加线性增加。

4.2 水稳定性试验

4.2.1 强度水稳定性试验

为定性研究石灰改良土的水稳定性，笔者采用素土(0%)及2%，4%，6% 4种掺灰率的胥河膨胀土制作成95%压实度的试块，用于不同增湿量的无侧限抗压强度与压缩模量试验。

由于实际工程中的路基土往往处于地下水位之上，用毛细作用吸取地下水。因此，为了准确地模拟这一现象，笔者在水槽中铺设透水石，在透水石之上铺设滤纸，并将土样放置于滤纸上，加水至距离透水石顶面约2 mm，让土样缓慢通过透水石吸收水分，并通过吸水时间控制土样饱和度的大小。试件在标准养护室中养护6 d，自然风干1 d，放置于透水石上，分别吸水0，1，2，3，4 d，测试吸水后的无侧限抗压强度和压缩模量，分析素土、石灰改良膨胀土不同饱水时间的变化规律(见图3)。素土在经过1 d的饱水后，土体崩解，无法测定其相关数据，故仅对其他掺灰率的试验结果进行分析。

(a) 无侧限抗压强度与饱水时间关系

(b) 压缩模量与饱水时间关系图3 无侧限抗压强度和压缩模量与饱水时间关系Fig.3 Variations of unconfined compressive strength and compression modulus with water absoprtion time

为了研究石灰改良膨胀土的水稳定性，笔者测定试验后的石灰改良膨胀土含水率，并用增湿量(试验后含水率减去拌土含水率)表示石灰土含水率的增量，并研究其与饱水时间的关系，具体见图4。

图4 饱水时间与增湿量关系Fig.4 Relationship between water absorption time and moisture content increment

研究结果显示：

(1) 素土的初始强度虽然较高，但通过1 d的饱水后，土体崩解，表明水对素土强度的影响较大，素土的水稳定性很差，水对素土的强度及压缩模量的影响非常明显。

(2) 随着石灰改良膨胀土吸水时间的增加，石灰改良膨胀土的增湿量逐渐增大，最后趋于某一定值，但相对于素土而言，其饱水能力有了较大幅度的降低，表明石灰改良膨胀土的水稳定性比素土有了较大幅度的提高。

(3) 结合图3、图4可以看出，在1 d以内石灰改良膨胀土的增湿量急剧增大，而无侧限抗压强度、压缩模量急剧降低；超过1 d后，石灰改良膨胀土的无侧限抗压强度、压缩模量和增湿量都趋于稳定，表明在初始1 d时间内，石灰改良膨胀土或素土的水稳定性减低幅度最大，衰减最明显。而1 d以后石灰改良膨胀土的含水率已经接近于饱和，继续增加浸水时间对无侧限抗压强度和压缩模量的影响逐渐减小。从图3可以看出，饱水4 d的石灰改良膨胀土最低无侧限抗压强度仍大于0.3 MPa，而压缩模量仍大于8 MPa，且随着石灰掺量的增加而有所增加，从另一方面证明了石灰改良膨胀土的水稳定性比素土有了较大幅度的提高。

(4) 饱水后土体的增湿量在某种程度上反映了土体的持水能力，在相同增湿量的情况下，土体的强度衰减越低，表明土体的水稳定性越好。图4显示掺灰率为2%的石灰土增湿量明显低于4%和6%掺灰率的石灰土；结合图3可以看出，2%掺灰率的石灰土4 d后的饱水无侧限抗压强度、压缩模量衰减最快，衰减量分别为0.43 MPa和10.5 MPa，而其他2种掺灰率的石灰土强度的衰减幅度明显低于2%掺灰率的石灰土，表明2%掺灰率的石灰土水稳定性比4%，6%掺灰率的石灰土差。进一步分析比较后发现，4%和6%掺灰率的石灰土饱水4 d的增湿量基本一致，在15%～16%范围内，而无侧限抗压强度、压缩模量的衰减也基本一致，无侧限抗压强度分别衰减0.34，0.35 MPa，压缩模量分别衰减8.8，8.9 MPa。

单位增湿量的无侧限抗压强度或者压缩模量的差值定义为水稳定性指数，水稳定指数的具体计算公式为

(1)

式中：ΔP表示无侧限抗压强度或压缩模量的差值；Δw为增湿量；wsi为水稳定性指数的英文缩写，单位与ΔP单位一致。水稳定性指数越大，表明单位增湿量的强度参数降低值越大，表明水稳定性越改良效果越差，为此，笔者对文中试验用土的无侧限抗压强度及压缩模量的水稳定指数进行了分析拟合，具体见图5。

图5 水稳定性指数与浸水时间关系Fig.5 Relationship between water stability index and water absorption time

图5结果显示，无侧限抗压强度与压缩模量所对应的水稳定性指数表明，2%掺灰率的石灰改良膨胀土水稳定性改良效果最不理想，4%和6%掺灰率的石灰改良膨胀土改良效果比2%掺灰率有了较大幅度的提高，但4%与6%掺灰率的石灰改良膨胀土的改良效果基本一致。表明过多地掺加石灰对于提高石灰改良膨胀土的水稳定性效果影响不明显。

4.2.2 干湿循环的水稳定性试验

选取素土与4%掺灰率的石灰土进行不同循环次数的强度试验。在干湿循环的试验过程中，结合图4的试验结果，1 d以后的含水率基本趋于稳定，因此，本文的干湿循环的饱水试验采用4.2.1节的试验方法饱水1 d，然后将试样放在浴霸灯光下照射1 d，以控制每次干湿循环的含水率变化一致。具体试验方法为：试件在标准养护室中养护6 d，自然风干1 d，放置于透水石上，饱水1 d→强光照射1 d→饱水1 d为一个干湿循环。素土由于其水稳定性非常差，经过一次干湿循环后崩解，故本文不对其进行分析研究，4%掺灰率的石灰土干湿循环水稳定性试验结果见图6。

图6 无侧限抗压强度与干湿循环次数关系Fig.6 Relationship between unconfined compressive strength and wetting-drying cycles

研究结果表明：

(1) 由于素土经过一次干湿循环，强度几乎完全丧失，水对素土强度的弱化作用十分明显，因此，相对于素土而言，水对4%掺灰率的石灰改良膨胀土强度的弱化作用较弱，石灰改良膨胀土的水稳定性较素土有了较大的提高。

(2) 干湿循环对4%掺灰率的石灰改良膨胀土强度的弱化作用十分明显。图6显示，经过1次干湿循环后的无侧限抗压强度值减小了约60%，其衰减幅度明显大于饱水后的无侧限抗压强度值，而之后随着干湿循环次数的增多，无侧限抗压强度值逐渐减小，最终趋于稳定。究其原因，笔者认为在干湿循环的过程中，土体内部不断产生损伤，在初次干湿循环时，这种损伤最明显，经过一定的干湿循环次数后这种损伤逐渐趋于稳定，达到稳定值后，其无侧限抗压强度值约为0.3 MPa，这表明初次干湿循环对石灰改良膨胀土的水稳定性影响最大。

5 土水特征曲线试验

土水特征曲线(SWCC)是土壤学的基本概念，后被用于岩土力学中，现阶段对于SWCC的研究开展较为广泛，取得了较多的成果，出现了较多的拟合公式。根据文献[11]的研究结果可知，采用Fredlund-Xing的拟合效果较好。Fredlund-Xing的拟合公式为

(2)

式中：θ为体积含水率；θs为饱和状态下的体积含水率；ψ为基质吸力；ψr为残余含水率θr对应的基质吸力；e为自然对数函数底；a为与(μa-μw)b相关，并大于(μa-μw)b的土性参数，其中μa为孔隙气压力，μw为孔隙水压力，对于本文的SWCC来说是拐点吸力值；n为土体进气值与残余含水率所对应的基质吸力之间的土水特征曲线的斜率，反映土样进气后的脱水速率的快慢，n越大表示脱水速率越快；m是与θr相关的土性参数，表示进气值与残余含水率所对应的基质吸力之间土水特征曲线的范围大小，在a与n值固定的情况下，较小的m值会导致低吸力范围内的SWCC斜率趋于平缓，同时高吸力的SWCC值趋于陡峭。

文献[11]中石灰改良膨胀土与压实土的进气值分别为18与68，石灰改良膨胀土的进气值较低。笔者认为造成这一现象的原因是：对于石灰改良膨胀土而言，由于石灰的化学改良效应，主要是石灰的胶凝作用及碳酸化作用，使得从土体中分离出来的Al2O3和SiO2与土体游离出来的Ca2+进行反应形成水化硅、铝酸硅胶体，附着在土颗粒表面及颗粒之间，从而使得原有的土体胶结成相对独立的聚集体，具有一定数量的大空隙，导致了石灰改良膨胀土的进气值较低；而压实膨胀土是经过压实而成，其结构遭到破坏，因而其进气值较大。

文献[11]中的拟合参数如表4所示。结合图7及表4可以看出，石灰改良膨胀土的进气值与残余含水率之间的曲线明显比压实膨胀土陡峭，表明在含水率变化相同时，石灰改良膨胀土的基质吸力变化较小，石灰改良膨胀土的水稳定性较好。

图7 膨胀土SWCCFig.7 SWCC of expansive soil

表4 荆门膨胀土SWCC的Fredlund-Xing模型参数[11]

Table 4 The Fredlund-Xing model parameters[11] of SWCC of Jingmen expansive soil

根据D. G. Fredlund[12]的研究结论，SWCC的斜率表征土样持水能力，斜率越小表示土样的持水能力越强，而土样的持水能力与水稳定性正相关即土样的持水能力越强，水稳定性越好。

6 结 论

(1) 随着石灰掺量的增加，石灰土的击实曲线呈现扁平化的趋势，表现出石灰土水敏感性的降低。

(2) 对于石灰改良膨胀土而言，在一定的掺灰率范围内石灰土的最大干密度和最优含水率均与掺灰率成近似线性关系，最大干密度随掺灰率的增大而减小，最优含水率随掺灰率的增大而增大。

(3) 石灰改良膨胀土的水稳定性比压实素土的水稳定性有较大幅度的提高，对于试验用土而言，2%掺灰率的石灰改良膨胀土的水稳定性提高幅度最大，4%和6%掺灰率的石灰改良膨胀土的稳定性提高幅度基本一致。

(4) 干湿循环的室内试验表明，石灰改良土的水稳定性比素土有了较大幅度的提高；4%掺灰率的石灰土的第一次干湿循环对石灰土的水稳定性的影响最大，之后随着干湿循环次数的增加而影响逐渐减小。

(5) SWCC试验表明石灰改良膨胀土的进气值比压实膨胀土低，SWCC及n值表明石灰改良膨胀土的水稳定性比压实膨胀土高。

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(编辑：黄 玲)

Water Stability of Lime-treated Expansive Soil

BIAN Jia-min1，2

(1.Research Center of Energy Saving and Emission Reduction of Traffic Engineering Technology of Jiangsu Province, Nanjing Communications Institute of Technology, Nanjing 211188, China; 2.Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering under Ministry of Education, Hohai University, Nanjing 210098, China)

The water stability of lime-treated expansive soil is researched through compaction test, unconfined compression test and compression modulus test on weak expansive soil and lime-treated expansive soil in association with the test results of soil-water characteristic curve (SWCC) by other scholars. Results reveal that the compaction scope of lime-treated expansive soil is wider than that of natural expansive soil, and the optimum water content and the maximum dry density respectively increases and decreases linearly with the increment of lime content. The reduction of unconfined compressive strength and compression modulus of lime-treated expansive soil is the largest after one-day water absorption, and with the increase of water absorption time, the reduction rate gradually gets smaller and finally tends to be stable. Moreover, the reduction of unconfined compressive strength is up to maximum after 1 day’s wetting-drying cycle, and with the increasing of wetting-drying cycle, the reduction rate also decreases. The decreased margins of unconfined compressive strength and compression modulus of lime-treated expansive soil are remarkably smaller than that of natural expansive soil, indicating that the water stability of lime-treated expansive soil is greatly improved. In addition, researches of SWCC also show that the water stability of lime-treated expansive soil is improved.

lime-treated expansive soil；water stability；unconfined compressive strength；compression modulus；SWCC

2014-01-06；

2014-01-27

国家自然科学基金重点项目(506390101)；教育部博士点基金项目(20100094110002)；南京交通职业技术学院课题(JY1402,JY1507)

边加敏(1979-)，男，江苏南京人，讲师，博士，主要从事非饱和土的教学与科研工作，(电话)15951670241(电子信箱) bianjiamin1114@aliyun.com。

10.11988/ckyyb.20140013

2016,33(01):77-82

TU443

A

1001-5485(2016)01-0077-06