石灰改良红层无侧限抗压强度试验研究

周 宇， 李国玉，3， 武红娟， 穆彦虎， 赵文斌， 毛云程

（1.中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000； 2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院西北生态环境资源研究院大兴安岭冻土工程与环境观测试验研究站，黑龙江 加格达奇 165000；4.西北民族大学，甘肃 兰州 730030； 5.甘肃民航机场集团有限公司，甘肃 兰州 730020）

0 引言

红层是外观以红色为主色调的中、新生代的碎屑沉积岩层，以陆相沉积为主，岩性以砂岩、泥岩、页岩为主，岩性组合以互层为特性［1］。我国红层分布总面积约826 400 km2，在我国华北、华东、中南、西南、西北等地均有广泛分布［2］。红层形成时代较新，钙质、泥质胶结物含量较高，以软岩为主且软弱结构面发育［2-4］，岩土体工程性质较差，主要表现为强度低，水稳定性差，易风化、崩解，具有一定的膨胀性和流变性［5-9］。直接使用红层软岩风化物作为填筑材料时，常会导致不均匀沉陷、承载力不足、路面鼓包和翻浆冒泥等工程病害［10-11］。但受制于工程造价、填料缺乏等原因，工程填筑一般都就地取材。因此，开展红层改良研究十分必要。

国内外学者在大量工程实践和室内研究的基础上，提出诸多红层改良措施，主要包括预崩解法、隔水保护法、压实法、化学加固法等［12-15］。其中，通过掺加固化剂对红层软岩进行改良是工程中较为常见的处治方法。研究表明，传统固化剂如水泥、石灰和粉煤灰等能够大幅改善红层的抗压强度、击实特性、浸水崩解特性、浸水后软化系数和CBR 值等［16-20］，并在实际工程应用中得到验证［21-22］。此外，钱普舟等［23］、吴丹［24］还通过新型固化剂对红层的工程性质进行改良，也取得良好的效果。一般认为经固化剂改良的红层软岩结构状态发生改变，基本满足建筑物的强度及稳定性要求，然而在遭受周期性的降雨及蒸发、地下水位升降等干湿循环过程后，岩土体的工程性质会发生显著变化［25-26］。大量研究表明，红层区边坡、路基、坝基等的失稳问题大多与水的影响有关［27-30］。就红层而言，富含亲水膨胀性矿物是其特殊水-岩作用的关键，在干湿循环过程中，土颗粒间不仅存在失水收缩的拉破坏，还存在吸水膨胀引起的压剪破坏［31］。长期的干湿循环作用会引起土体结构发生改变，最终导致其抗压强度［32-33］、抗剪强度［33-34］、水稳性［35］等力学性能发生不同程度降低。然而，关于干湿循环作用对改良后红层工程性质的影响研究仍然较少

因所处环境和气候条件的差异，不同地区红层性质差距很大。甘肃陇南成州机场地处陇南徽成盆地，第三系红层软岩分布广泛［36］，气候潮湿，降水量大，土体经常遭受干湿循环作用。目前的研究多针对干湿循环对红层结构、强度、崩解性等方面的影响，而对改良后红层在干湿循环作用下性质变化的研究较少。无侧限抗压强度对评价土体的承载力及抗剪强度具有重要意义，是设计、施工中重要的力学参数。因此，本文依据成州机场实际工况，针对不同石灰掺量下的改良红层试样进行干湿循环试验和无侧限抗压强度试验，分析干湿循环作用对陇南石灰改良红层无侧限抗压强度特性的影响规律，以期为工程施工及病害防治提供依据。

1 试验材料及方法

1.1 材料与试样制备

试验用土取自陇南成州机场跑道附近的红层软岩风化物。成州机场地处徽成盆地，上部土层主要为第四系黄土，其下为暗红色泥质砂岩、粉砂岩、砂质泥岩及互层状红层，红层矿物成分主要有石英石、石灰石、多水高岭石以及无定形游离氧化铁等［37-39］。根据土工试验方法标准（GB/T 50123—1999）［40］及公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTG E51—2009）［41］进行颗分、比重、液塑限、最优含水率及最大干密度试验，试验结果如图1、表1 所示。试验选用熟石灰作为固化剂对红层进行改良。该石灰产自天津市致远化学试剂有限公司，为白色结晶性粉末，Ca（OH）2含量大于等于95%。

图1 土样颗分曲线Fig.1 Grain size distribution for sample

表1 土样基本物理性质指标Table 1 Basic physical parameters of soils

为保证试验用土物理性质的均匀性，将土料平铺使其自然风干，并充分拌匀，然后反复碾压过筛（2 mm）。试样均采用两头压实法制备，分别按照0%、3%、5%和10%的掺量称量熟石灰，将风干过筛后的红层与石灰搅拌均匀，因试样制备过程中有水分损失，按稍大于11%含水率来称取蒸馏水，与灰、土搅拌均匀后放入密封袋静置24 h，采用冻土工程国家重点实验室自动制样机，按照干密度为2.01 g·cm-3制备ø39.1 mm×80 mm 圆柱形土样。为保证压实土样的均匀性，压实过程采用变形控制，垂向压实速率为0.05 mm·min-1［42］。将制好的土样在保湿条件下养护，龄期为28 d。

1.2 试验内容与方法

为尽可能模拟干湿循环作用过程，采用浴霸灯照射的方式模拟日照干燥土样，通过调整浴霸灯与土样间的距离保证每次干湿循环时的温度一致。将素土和经养护后的不同掺量石灰土试样干燥至含水率基本不变（2%左右），然后在饱和器中抽真空3 h，浸水饱和12 h，饱和含水率为14%。将饱和后的土样继续干燥至含水率为11%，即完成一次干湿循环，一次完整干湿循环约48 h。有研究表明，在经历第一次干湿循环后土样强度急剧下降，随后对干湿循环次数的增加逐渐趋于稳定［43］。考虑到目前研究的干湿循环次数均较少，为得到长期干湿循环作用下土体的强度，对不同掺量石灰土分别进行0、1、5、20次干湿循环。

为使土样中水分分布均匀，将完成干湿循环作用的试样用保鲜膜包好，静置12 h。利用GDS 非饱和三轴仪测试试样无侧限抗压强度，试验过程中轴向应变速率设定为0.5 mm·min-1，每2 s收集一次应力应变数据。为准确获得土样破坏时的原貌，试验中用一层薄膜对土样进行轻微的包裹，既不影响其受力，也不至土样破坏时大块脱落。试验完成后，观察并记录试样破坏形态。为控制变量，试验采用的不掺灰红层试样与改良土样采用相同规格和养护条件。每组试验有3个平行样。

2 结果与讨论

2.1 不同石灰掺量对红层抗压强度的影响

对未经历干湿循环的不同石灰掺量土样进行无侧限抗压强度试验，得到应力-应变曲线如图2所示。由图可知，在无侧限压缩应力条件下，不同石灰掺量土样的应力-应变关系均表现出一定的应变软化特性，其中素土的无侧限抗压强度较小，峰值强度不明显，强度达到峰值后，曲线形态趋于平缓，强度降低速率逐渐减慢。随着石灰掺量的增大，红层抗压强度逐渐增大，在变形发展初期，应力应变曲线呈现陡直的上升趋势，随着荷载的增大，土体由弹性变形转向塑性屈服，最终导致破坏。峰值强度随石灰掺量的增大而增大，其中石灰掺量为10%的改良土无侧限抗压强度最高，达685.67 kPa，是素土强度的4.60倍，石灰掺量为5%和3%的改良土抗压强度也较高，分别是素土的4.17 倍和3.91 倍，可见掺入石灰能大幅提高红层抗压强度，含量越大改良效果越好（掺量≤10%）。

图2 轴向应力与轴向应变的关系Fig.2 Relationship between axial stress and axial strain

计算应力应变曲线中的直线段斜率，得到不同掺灰量下红层试样的弹性模量变化曲线（图3）。由图可知，土样在掺入石灰后弹性模量显著增大，其中10%掺量的改良土弹性模量是素土的7.25倍，可见在力学性质差的红层软岩中加入石灰具有明显改良效果。对不同掺量下土体弹性模量试验值进行拟合，发现弹性模量与石灰掺量呈指数关系。当石灰掺量较小时，土体弹性模量随石灰掺量的增大而迅速增大，当石灰掺量继续增大时，弹性模量增长幅度逐渐减小，曲线趋于平缓。

图3 石灰掺量与弹性模量的关系Fig.3 Relationship between lime content and elasticity modulus

将土样破坏时对应的点记为失效应变，绘制不同掺灰量下红层试样的失效应变变化曲线如图4所示。由图可知，失效应变随石灰掺量的变化趋势则与弹性模量相反。掺入石灰后，土体的失效应变显著降低，随着石灰掺量的增大，失效应变的降低幅度逐渐减小。可见，石灰在增加红层软岩强度和刚性的同时，也增加了其脆性，其失效应变随石灰掺量的增大而逐渐减小。

图4 石灰掺量与失效应变的关系Fig.4 Relationship between lime content and failure strain

2.2 干湿循环作用对红层抗压强度的影响

为了研究干湿循环作用对红层无侧限抗压强度的影响，对经历0、1、5、20次干湿循环后的试样进行无侧限抗压强度试验，整理无侧限抗压强度-干湿循环次数曲线如图5 所示。由图可知，不同石灰掺量下干湿循环作用对改良土无侧限抗压强度的影响不尽相同。当石灰掺量低于5%时，随着干湿循环次数的增加，改良土的无侧限抗压强度不断降低，其中素土在经历1次干湿循环后，土样强度急剧衰减，随后降幅逐渐减小，趋于稳定。当石灰掺量高于5%时，改良土的无侧限抗压强度随着干湿循环次数的增加而不断增加，在经历20 次干湿循环后，土样强度得到显著提升。当石灰掺量等于5%时，随着干湿循环次数的增加，土样抗压强度略微提升。素土和石灰掺量为3%的改良土在经历20次干湿循环后抗压强度急剧衰减，降幅分别为60.03%和31.65%，而石灰掺量为5%和10%的改良土在经历20次干湿循环作用后抗压强度增大，增幅分别为2.63%和82.36%，在一定程度上可以说明，当石灰掺量较低时，随着干湿循环次数的增加，改良红层强度越低，而当石灰掺量较高时，随着干湿循环次数的增加，改良红层强度越高。但高石灰掺量改良土在经历多次（20 次以上）干湿循环作用后抗压强度的变化规律仍需进一步研究，才能更好地揭示干湿循环对石灰改良红层特性影响的过程和机制。

图5 无侧限抗压强度与干湿循环次数的关系Fig.5 Relationship between the unconfined compressive strength and number of drying-wetting cycles

整理不同干湿循环次数下单轴抗压试验数据，拟合得到石灰掺量CL与无侧限抗压强度qu的关系曲线，如图6 所示。当土样经历干湿循环作用较少（0 次、1 次、5 次）时，试样无侧限抗压强度qu与石灰掺量CL呈指数关系，关系式为

图6 石灰掺量与无侧限抗压强度的关系Fig.6 Relationship between lime content and the unconfined compressive strength

式中：a、b为常数，可通过试验获得。

随着干湿循环次数的增加，曲线的切线斜率逐渐减小。当干湿循环作用达到20次时，试样无侧限抗压强度qu与石灰掺量CL呈线性关系，关系式为

式中：a、b为常数，可通过试验获得。

由此可见，当干湿循环次数较少时，土体中掺入少量石灰即可获得较大的强度增长，而随着掺灰量的继续增加强度增长幅度不大；当干湿循环次数较大时，土体无侧限抗压强度随石灰掺量的增加而不断增大。因此，考虑改良土耐久性情况下，干湿循环作用对石灰改良红层最佳掺量的确定有很大影响。

以上分析表明，干湿循环作用对不同掺灰量红层试样抗压强度的影响明显不同。当掺灰量较少时，土体在干旱条件体积缩小，引起土颗粒的集聚和排列发生变化，原生隐微裂隙扩张和加深，部分短小裂隙贯通，发展形成长大裂隙，为土中水分蒸发和地表水下渗提供了良好通道，土体的整体性与均一性得到破坏［44］；湿润条件下，水分沿裂隙渗入土体，红层中蒙脱石及其混层矿物具有较强的亲水性及弱膨胀性，吸水后膨胀软化，强度降低。扫描电镜、超声波测速等微细观试验表明，反复干湿循环作用下，不断胀缩交替导致土体结构重新调整，颗粒之间距离增大，胶结变弱，黏聚力下降，最终导致土体强度大幅降低［45-47］。与此不同的是，当掺灰量较大时，随着干湿循环次数的增大，石灰土的强度显著增大，这与石灰土强度形成机制有关。一般认为熟石灰改良土强度的形成主要源于离子交换作用、碳化作用和灰结作用等，无论哪种强度形成机理，都需要水分参与或水分为强度形成的条件［48-49］。显然，常规的保温保湿养护并不能满足高石灰掺量石灰土的强度形成条件，仍有部分石灰未参与反应。随着干湿循环的进行，水分与土颗粒充分接触，尚未反应完全的熟石灰继续进行离子交换作用、碳化作用和灰结作用等，使得石灰土的强度随干湿循环次数的增加而不断增加。但20 次以上干湿循环作用后强度的变化规律尚不明确，可以推测，随着干湿循环次数的增加，石灰反应完全后土体强度将逐渐减小。该结论对石灰改良红层的设计与施工有一定的指示意义。

2.3 土样破坏形态

土样的破坏形态与其强度特性密切相关。在本次试验过程中，土样在无侧限压缩条件下的破坏形态主要有三种；一种是脆性剪切破坏，在荷载作用下有明显的剪切带形成，试样破坏集中在剪切带发展部位，而其他部位结构性破坏程度相对较小；另一种是多缝锥形破坏，土体受各向异性的影响，在无侧限压缩条件下，形成多条剪切带，最终形成多缝锥形破坏面；第三种是塑性鼓胀破坏，在外部荷载作用下未形成明显的剪切带，在无侧限压缩过程中土样逐渐向侧向鼓胀，土样并不沿某个特定破坏面发生相对位移，而是呈现出中间大，两端小的鼓胀型。

图7 为不同石灰掺量下未经历干湿循环作用土体的破坏形态，结合应力应变曲线（图2）可知，素土与石灰土的破坏形态有明显差别。素土为塑性鼓胀破坏，裂缝数量较多，抗压强度小，且抗压强度与残余强度差距不大，强度达到峰值后，应力应变曲线趋于平缓。石灰土则为脆性剪切破坏，未经历干湿循环条件下，3%和5%掺量改良土的破坏形态与应力应变曲线均类似，试样均形成了近（45°+φ/2）倾角的破坏面，抗压强度与弹性模量均显著提高。10%石灰掺量红层虽然仍沿一个倾斜剪切面破坏，但侧面已形成多条交叉裂缝，土体破坏需要更多的能量。

图7 破坏后的试样（未经干湿循环）Fig.7 Damaged soil samples（after 0 drying-wetting cycle）

图8 为20 次干湿循环作用后不同石灰掺量红层试样的无侧限压缩破坏形态。结合应力应变曲线（图9）可知，素土在经历干湿循环作用后仍为塑性鼓胀破坏，破坏形态与干湿循环作用前相似，但强度大幅降低，横向变形较大，表面形成纵横交错的裂纹。3%掺量的改良土仍以沿一条剪切带破坏为主，但已形成多条贯通的剪切带，初步具有多缝锥形破坏面形态。随着石灰掺量的增大，土体抗压强度和弹性模量显著增加，微裂纹增多，石灰土则由干湿循环作用前的脆性剪切破坏变为多缝锥形破坏。

图8 破坏后的试样（20次干湿循环）Fig.8 Damaged soil samples（after 20 drying-wetting cycles）

图9 轴向应力与轴向应变的关系（20次干湿循环）Fig.9 Relationship between axial stress and axial strain（after 20 drying-wetting cycles）

试样破坏形态的不同与红层自身结构及石灰土加固机制有关。素土本身塑性较强，颗粒间连结力较弱，在经历干湿循环作用后连结力降低，在无侧限荷载作用下，土颗粒间容易发生错动，产生塑性的侧向变形。素土中掺入石灰后，土颗粒间连结增强，由松散粒状结构逐渐转变为胶结土颗粒，强度增大，脆性增强，试样沿近（45°+φ/2）倾角的剪切面破坏。随着干湿循环次的增多，土样中石灰全部参与反应，在土颗粒间形成较强的连结，各向异性增强，当裂纹扩展遇到较强颗粒连结时，能够有效的约束裂纹发展，使裂纹扩张和发展的方向不断改变，因此土样的破坏不再沿着某一固定的剪切面，而是形成了具有多条裂缝的锥形破坏面。

3 结论

通过对不同石灰掺量下改良红层试样进行干湿循环试验，研究了石灰掺量和干湿循环作用对改良红层无侧限抗压强度影响规律，得出以下主要结论：

（1）在未经历干湿循环作用时，掺入石灰能够显著提高红层的抗压强度，石灰改良红层的无侧限抗压强度及弹性模量均随石灰掺量的增大而增大，而失效应变则随石灰掺量的增大而减小。

（2）不同含灰量下，石灰改良红层的无侧限抗压强度对干湿循环作用的响应不同。当石灰掺量低于5%时，随着干湿循环次数的增加，改良土的无侧限抗压强度不断降低；当石灰掺量高于5%时，改良土的无侧限抗压强度随着干湿循环次数的增加而显著增加。当石灰掺量等于5%时，干湿循环作用对改良土的无侧限抗压强度影响不大，随着干湿循环次数的增加，土样抗压强度略微提升。

（3）未改良红层塑性较大，颗粒间连结力较弱，试样均为塑性鼓胀破坏。掺入石灰后，红层强度增大，脆性增强，呈脆性剪切破坏。随着干湿循环次数的增多，改良土样各向异性增强，石灰改良红层呈多缝锥形破坏。

（4）在常规的保湿养护条件下，石灰掺量较低的改良红层中石灰反应完全，干湿循环作用对石灰改良红层产生不可逆转的弱化作用，强度不断降低。而石灰掺量较高时，改良土中仍有部分石灰未反应完全，干湿循环作用促使石灰继续发生反应，土体强度增大。