基于环境影响的石灰土强度特性研究

夏 静

（中设设计集团市政设计院，江苏 南京 210006）

江苏省境内普通干线公路沿线广泛分布着高液限黏土、淤泥、粉土和盐渍土等特殊土，这些土的工程性质差，不能直接作为路基填料，一般考虑掺加石灰对原土质进行处治改性，来满足路基强度和耐久性的要求。米海珍等人［1］分析了石灰土的含水量、含灰最及养护龄期对石灰土抗剪强度、压缩性及渗透性的影响。韩晓雷等人［2］和赵寿刚［3］等分析了影响石灰土工程性质的因素。

在自然环境中的气温、气候（湿度）、水分浸析和长期交通动荷载作用下，石灰土的力学行为逐渐劣化，造成普通干线公路未到设计使用年限就开膛破肚［4-6］。但现行路基路面设计规范中，没有充分考虑石灰处治土长期性能劣化对路基路面的影响，缺乏考虑石灰处治土劣化的路基设计方法与技术指标标准，路基路面协调设计不足，使得重载普通干线公路运营过程中路基路面出现早期损害，严重影响公路的使用寿命和行车安全。由于石灰土性能劣化引起路基病害的防治，江苏每年投入高达数亿元，全国每年资金投入则高达数十亿元［7-9］。因此，如何保证石灰处治土路基具有足够强度和耐久性，研究石灰处治土路基长期劣化演化规律已成为当务之急。

A1-Abdul Wahhab等［10］研究了利用石灰改良土在干旱地区修筑高速公路的可行性。王天亮等［11］研究了不同冻融次数、冷却温度和围压下石灰改良土的应力-应变关系、静强度参数和破坏图像。张立新和王家澄［12］研究了冻结状态下石灰土的物理力学性质，分析了不同石灰含量对石灰土冻胀特性的影响。唐剑潇［13］定量阐明干湿循环过程对石灰改良土动力特性的影响程度。本文主要研究干湿循环、冻融循环和浸水对石灰土的无侧限抗压强度、含水量和pH值的影响，为江苏公路建设的路基填土改良提供理论依据。

1 素土的干湿循环试验

1.1 试样制作

土样取自宁靖盐高速高速公路盐城北段，位于苏北平原的中偏东部，盐城境内串场河以东，新洋港以北，黄沙港以南，地貌上属于滨海平原工程地质区滨海低地亚区。地势平坦低洼，地面标高一般小于2 m，地貌形态简单，河渠纵横。土样的物性指数分别为：IP=11.2，wL=32.0%，wP=20.8%，粉粒含量高，受气候影响明显，具有一定的代表性。

将风干后的土样过2 mm筛，按最优含水量加水拌匀再在塑料袋内润湿24 h后，按击实试样的制作法在制样器内分4层制成高8.0 cm、直径3.91 cm、压实度95%的击实试样。

1.2 试验结果分析与讨论

在开放式系统中进行干湿循环试验。图1为经过干湿循环的试样含水量变化规律。初始含水量为15%，经过第1次24 h吸水后，土样饱水后的含水量达到22.2%；第2次，为22.8%；第3次，为23.6%，吸水后的含水量逐渐增加。一次吸水脱水后的含水量为17.2%；2次后，为18.4%，3次后，为18.7%；脱水后的含水量略有增加。第3次试验中，吸水后的试样在自重作用下有明显变形。

图1 干湿循环的含水量随时间变化规律

图2为素土的破坏形式，图2表明，未经过干湿循环，含水量为15%的土样破坏形式表现为脆性剪切破坏，含水量为17%的试样为张裂破坏形式，破坏面为竖直平面。含水量为15%的试样经过一次干湿循环，为鼓胀、开裂破坏，经过两次，以鼓胀破坏为主，经过3次，试样的破坏形式为鼓胀。

图2 素土的破坏形式

图3为素土试样无侧向抗压试验的应力-应变曲线。图3表明，试样未经过干湿循环，表现为脆性破坏，出现应变软化现象；经过干湿循环，为塑性破坏，未出现应变软化现象。

素土试样达到应力峰值时的应变均为2.5%，说明干湿循环对素土试样的破坏应变影响不大。未经历干湿循环，土样的无侧限抗压强度为446 kPa，经历1次后，强度急剧衰减，为187 kPa；第2次后，为133 kPa；第3次后，为88 kPa，说明素土试样的水稳性很差。

图4为经过不同干湿循环次数，素土试样的无侧限抗压强度qu和含水量增加Δw与循环次数的关系。图4表明，随干湿循环次数增加，土样饱水后的体积略有增大，土样风干后的含水量略有增大，导致qu降低。经过1次干湿循环后，土样强度急剧衰减，降幅58%，第2次后，降幅70%，第3次后，降低80%。无侧限抗压强度的降低幅度大，素土的干湿稳定性差。

图3 干湿循环土样的应力－应变曲线

图4 无侧限抗压强度和含水量增量与循环次数的关系

素土试样经过干湿循环后，土样的含水量增加，无侧限抗压强度降低。根据干湿循环1次和2次的试样含水量分别为17.2%和18.3%，制备相同含水量的试样，比较含水量相同的经过干湿循环和未经干湿循环试样的无侧限抗压强度，如图5所示。含水量相同，经过干湿循环试样的无侧限抗压强度比未经干湿循环试样的强度小。因此，含水量增加和干湿循环作用都是无侧限抗压强度降低的原因。

图5 经过干湿循环和未经干湿循环试样的强度比较

图6为确定含水量增加和干湿循环对无侧限抗压强度降低的贡献的分析方法。经过一次干湿循环，由0→1，分解为由0→1'和由1'→1，由0→1'是由含水量增加引起的强度降低，强度降低了266 kPa，由1'→1是由干湿循环作用引起的强度降低，强度降低了166 kPa，含水量降低引起强度减小的幅度大。经过第2次干湿循环，由1'→2，分解为由1'→2'和由2'→2两部，由1'→2，强度降低了182 kPa，由2'→2强度降低了74 kPa。含水量降低引起强度减小的幅度大。

图6 含水量增加和干湿循环对强度减小的贡献比较

2 石灰土的干湿循环试验

图7为掺加6%石灰的石灰土试样经过干湿循环的含水量变化规律。石灰土样初始含水量为14.63%，经过第1次24 h吸水后，含水量达到21.6%；第2次为20.97%；第3次为20.72%，吸水后土样的含水量逐渐减小，与素土不同，分析其原因是石灰土水化吸水的结果。3次吸水脱水后的含水量变化很小，表明脱水后的含水量基本不变。

图7 石灰土样干湿循环中的含水量变化

图8为石灰土样的应力－应变曲线，由图8可以看出，经过干湿循环，石灰土试样的无侧限抗压强度变化很小，试样表现为脆性破坏。未经历干湿循环，应变达到0.1%时应力就达到峰值，试样破坏。经历干湿循环，试样破坏时的应变稍有增加，基本稳定在0.15%左右，说明试样刚度有一定衰减。未经历干湿循环，试样强度为7 890 kPa，经历1次，强度急剧衰减，为540 kPa，经历第2次后，为480 kPa，第3次后，为420 kPa。与素土比较，石灰土的强度衰减程度较小，水稳定性良好。

图8 石灰土样的应力－应变曲线

图9为石灰土抗压强度、含水量和pH值与干湿循环次数的关系，由图9可以看出，随干湿循环次数增加，第1次干湿循环强度降低31.6%左右，第2、3次干湿循环强度分别降低了11%、12%左右。3次干湿循环后，强度约为未经历干湿循环的53%。强度衰减程度大，说明干湿循环对石灰土强度影响大。第1次干湿循环，石灰土饱水后的含水量显著增加，第2次，含水量平稳增加，说明经历2次循环后，内部微裂缝扩展到一定程度，含水量增量有增加趋势。第1次干湿循环，石灰土饱水后pH值减小，随后缓慢减小；第2次后，pH值减小0.1%；第3次，减小0.27%，说明经历2次循环后，pH值减小有增加趋势。

3 石灰土的冻融循环

将6%石灰土试样用保鲜膜密封包裹，在-20 ℃冷冻24 h后，再在20 ℃解冻24 h，如此经过6次循环。将包裹了保鲜膜的石灰土试样放入装满水的量杯中，根据排除水的体积，测量每次经过冻融试样的体积，计算冻胀和溶陷变形。图10为石灰土的冻融变形，由图10可以看出，石灰土的冻融变形主要发生在前3次循环中，第4次冻融循环后，石灰土的冻融变形基本稳定。

图9 抗压强度、含水量和pH值与干湿循环次数的关系

图10 石灰土的冻融变形

图11为抗压强度、含水量增量和pH值与冻融循环次数的关系，由图11可以看出，第1次冻融循环引起试样强度降低34%，引起含水量增量为2.1%，引起pH值减小0.3；第2、3、4次冻融循环引起强度降低47%、52%和54%，引起含水量增量2.3%、2.6%和2.8%，引起pH值增量为0.2、0.1和0.1。

图11 抗压强度、含水量增量和pH值与冻融循环次数的关系

开放系统条件下，每一次冻融循环都产生不可恢复残余冻胀变形。石灰土冻胀后，孔隙率提高，压缩性增大。当循环次增加，石灰土的冻胀量大于试件允许膨胀变形量时，石灰土出现胀裂破坏现象。随着循环次数增加，石灰土由表及内都出现胀裂裂隙，石灰土强度降低。

4 石灰土的浸水影响

20 ℃室温下，将石灰土试样分别浸泡7 d、14 d、28 d和60 d。图12为浸水后的石灰土样，由图12可以看出，浸泡7 d后，石灰土样上下面出现脱落现象，浸泡14 d的石灰土样上下面出现脱落现象比较严重，浸泡28 d的石灰土样上下面模糊不清，土颗粒掉落现象严重，浸泡60 d的石灰土试样，其上下面基本看不出平面，呈凹凸状。

图12 浸水后的石灰土样

图13 抗压强度、含水量增量和pH值与浸水时间的关系

图13为抗压强度、含水量增量和pH值与浸水时间的关系，由图13可以看出，石灰土试样经过7 d浸水后，强度降低54%，含水量增量为7.3% ，pH值降低0.3；经过14 d、28 d和60 d浸水，强度降低72%、84%和92%，含水量增量为9.8%、11.6%和13.2%，pH值降低0.8、1.6和2.2。

5 结论

通过对素土和石灰土进行干湿循环试验、石灰土冻融循环和浸水试验，得到以下结论：

（1）石灰土经过干湿循环、冻融循环和浸水过程，石灰土的耐久性受到很大影响，石灰土的强度降低、含水量增加、pH值减小。

（2）素土和石灰土的经过多次干湿循环，强度均有很明显的减小。干湿循环和冻融循环过程的第1个过程对石灰土强度、含水量增量和pH值的影响最大，特别是在冻融循环过程中，经过第1次冻融过程，石灰土强度衰减程度完成了大部分。

（3）在干湿循环、冻融循环和浸水过程中，浸水对石灰土强度、含水量增加和pH值的影响最大。石灰土浸水后的OH-部分扩散迁移至水中，导致石灰土的pH值大幅度降低。

（4）与素土相比，石灰土的抗干湿循环、冻融循环和浸水的能力较强。在干湿循环、冻融循环和浸水林滤过程中，浸水林滤是路基石灰土性质劣化的主要因素。因此，江苏地区的路基填土掺石灰十分必要，路基排水对石灰土的耐久性是至关重要的。

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