石灰作用下桂林红黏土的抗剪强度特性研究

2022-06-25叶子明王瑜利钰连

重庆建筑 2022年6期

叶子明，王瑜，利钰连

（柳州工学院土木建筑工程学院，广西柳州 545000）

0 引言

红黏土是由碳酸盐岩经过红土化作用而形成的一种土，其中黏粒的含量较高，一般可达55%～70%，红黏土主要由高岭石、伊利石和蒙脱石等黏土类矿物组成，粒度较均匀，分散性较高[1]，主要分布在云南、贵州、广西、安徽、四川东部等亚热带地区。由于红黏土具有特殊的工程力学性质，因此，许多国家的学者对红黏土进行了比较深入的研究[2-4]，我国地域辽阔，红黏土分布广泛，国内对红黏土的研究也较多[5-8]。

红黏土具有含水率高、孔隙比大、液限高、水稳定性差等特点，公路、铁路尤其是近年来快速兴起的高速铁路工程很多穿越红黏土地区。若用它作为路基的填筑材料，在旱季和雨季容易产生路基开裂、不均匀沉降等工程问题，给交通安全造成巨大隐患。因此通过改良红黏土以提高其土体的强度，对实际工程建设具有重要的意义。关于红黏土的改良方面，许多学者已进行了大量的研究。刘宝臣[9]、张天红[10]、卢雪松[11]等主要通过在红黏土中掺入化学添加剂（水泥、ISS 固化剂等），研究化学改良剂对土体的抗剪强度以及无侧限抗压强度的影响；杨俊[12]、肖庆一[13]、庞邦辉[14]等加入物理添加剂（风化砂、聚丙烯纤维、轮胎橡胶等）来研究改良土强度特性与掺入比例之间的关系，分析了改良剂对红黏土的强度增长机理。

由于石灰在工程应用中比较常见，来源较广，取材方便，一些学者通过掺入石灰[15-17]来研究对红黏土强度的改变机理。但是研究内容主要集中在添加剂、改良剂等单一因素对土体宏观力学性质的影响，针对微观结构与宏观力学之间的影响关系鲜有涉及。本文以桂林地区的红黏土为研究对象，将石灰按不同比例掺入红黏土中，控制含水率进行快剪试验，研究石灰改良桂林红黏土抗剪强度的变化特征，确定石灰改性黏土的最佳掺量范围及最佳含水率范围，可为红黏土地区的工程设计和施工提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验所需的红黏土取自桂林市临桂区某工地，土样颜色呈棕红色，稍湿，土质较均匀，依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)，测定其基本物理性质为：液限WL=64 %，塑限WP=45%，塑性指数IP=19，土粒比重GS=2.75，基本性质指标见表1。

表1 红黏土的基本物性指标表

本试验所用石灰为桂林灵川县金山灰钙粉厂生产，质量等级为一等品，其中CaO 的质量分数约为70%，细度为0.125mm，试验用水为蒸馏水。

1.2 试验仪器及方案

本次试验中所采用的仪器为南京土壤仪器厂有限公司生产的ZJ 型应变控制式直剪仪（四联剪）。桂林地区属于亚热带季风气候，结合桂林地区的气候条件以及工程实际，本试验通过以含水率与石灰掺入比（石灰与红黏土质量之比）为控制变量，设定石灰掺入比为0%、3%、5%、7%、9%，含水率为28%、32%、36%、40%。按不同含水率将试验分为4个大组，再以不同石灰掺入比为控制变量将每个大组分为5 个小组，每个小组有4 个试件，共80 个试件。每个小组的4 个试件分别在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa 的垂直压力下进行快剪试验并记录数据，详见表2。

表2 试样方案变量控制表

1.3 试验流程

（1）将取回的土样自然风干，将其碾碎过2mm 筛。

（2）按照不同的石灰配比与制备好的红黏土拌匀，然后分别按照不同的含水率往拌匀的石灰土样加入蒸馏水再次搅拌均匀，随后将制备好的石灰土样放入保鲜袋中密封24h，再将密封好的石灰土样用千斤顶按照90%的压实度制备环刀样，环刀尺寸为61.8×20mm，为防止水分蒸发，将制备好的环刀样用保鲜膜密封，将配好的土样放入室内阴暗不通风的地方静置，养护时间为7天，温度一般为（23±2）℃。

（3）经过7 天养护期之后，取出土样在四联剪仪上进行快剪试验。分别施加100kPa、200kPa、300kPa、400kPa 的上覆垂直压力，并保持0.8mm/min 的匀速剪切速率，直至土样剪切破坏。

2 试验结果及分析

本次直接剪切试验按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行，按不同石灰掺入比和不同含水率共20 个小组试验，通过图表分析来大致确定最佳掺入比及最佳含水率。不同石灰掺入比和不同含水率相对应的内摩擦角和粘聚力关系的试验结果如图1—图4 所示。

通过试验结果（图1—图4）分析可以得出以下结论：石灰土的抗剪强度受到石灰掺入比、含水率的影响，随石灰掺入比的增大，石灰土的内摩擦角一直增大，而粘聚力先增大后减小；在相同石灰掺入比条件下，石灰土的内摩擦角和粘聚力都随着含水率的增大先增大后减小。

2.1 石灰对红黏土抗剪强度的影响结果

在相同含水率条件下，石灰土的内摩擦角随石灰掺入比的增大而增大；粘聚力随着石灰掺入比的增大先增大后减小（图1、图2）。由图1 分析可知，在相同含水率（28%、32%、36%、40%）下，在红黏土中掺入不同量的石灰（3%、5%、7%、9%），随着石灰含量的提高，红黏土的内摩擦角也随之增大，从35.2°提升到了61.1°。由图2 分析可知，石灰掺入比在7%时红黏土的粘聚力达到了峰值，且含水率为28%时石灰土的粘聚力最大，粘聚力为265.8kPa。从图4 可以发现，当石灰掺入比为3%时，与未掺石灰的红黏土的粘聚力比较增加并不明显，究其原因是试验中石灰掺入量比较少，红黏土与石灰的反应不充分，导致红黏土的粘聚力增加并不是很明显。经过试验数据分析得出，当石灰掺入比在7%～9%，含水率在28%～32%的情况下，红黏土的抗剪强度达到最佳状态。

图1 内摩擦角与石灰掺入比的关系图

图2 粘聚力与石灰掺入比的关系图

图4 粘聚力与含水率的关系图

2.2 石灰对红黏土抗剪强度的影响机理

由图1 和图2 可知，在相同含水率条件下，石灰土的抗剪强度随石灰掺入比（一定范围内）的增大而增大。分析原因如下：

（1）红黏土的抗剪强度大小与土粒间结合水膜厚度有重要关系，当红黏土掺入石灰后，一方面由于离子交换的作用，使吸附在黏土颗粒表面的水膜厚度变薄，促使土粒凝聚形成了稳定的团粒结构，另一方面由于石灰与水在硬化过程中形成Ca(OH)2胶体，胶结作用令土粒形成整体，从而使石灰土抗剪强度提高；

（2）在红黏土中掺入石灰后，新形成了针状或片状晶体，联结在黏土团粒的表面，形状清晰可见，如图5、图6 所示。究其原因，由于石灰的主要成分为氧化钙(CaO)，遇水后发生反应，生成氢氧化钙[CaO+H2O=Ca(OH)2]，生成的Ca(OH)2易与空气中的CO2反应生成碳酸钙晶体，反应方程式为Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O。随着石灰掺量的增加，石灰的水化产物CaCO3晶体从黏土表面中结晶出来，土颗粒之间的连接从柔性连接转变为刚性连接，形成针状或片状晶体，在集合体中起着“加筋”作用。在宏观上来说，土颗粒的“加筋”作用使红黏土的抗剪强度进一步提高，更加直观地阐明了石灰土的强度增大机理。

图5 石灰掺入比3%的SEM图片

图6 石灰掺入比9%的SEM图片

2.3 含水率对红黏土粘聚力和内摩擦角的影响分析

由图3 和图4 分析可知，在相同石灰掺入比条件（3%、5%、7%、9%）下，红黏土的粘聚力随含水率增大而减小，内摩擦角随含水率增大先增大后减小。在含水率为32%左右时达到峰值，下面对此问题进行探讨。

图3 内摩擦角与含水率的关系图

2.3.1 含水率对红黏土粘聚力的影响分析

由图4 可知，含水率对粘聚力的影响作用是非常明显的，随着含水率的增大。石灰土的粘聚力减小，原因分析如下：

（1）红黏土的粘聚力主要表现为土粒间的相互引力，红黏土的颗粒小、比表面积较大，所以粒间的相互吸引能力强，当含水率增大时，黏土的饱和度随之增大，颗粒间的空隙被水充满，孔隙水压力增大，基质吸力变小，土粒之间的相互吸引力变小，导致红黏土的粘聚力下降；

（2）红黏土的土粒具有结合水膜，颗粒间的作用力主要依靠水膜胶结作用和联结作用，如图7 所示。因此红黏土的粘聚力随着含水量的不同而变化较大，随着含水率的增加，红黏土颗粒之间的水膜厚度增大，使土粒间距变大，这时水膜胶结作用和联结作用就逐渐减弱，从而使红黏土的粘聚力随着含水率的增加而减小。

图7 红黏土颗粒结合水膜示意图

2.3.2 含水率对红黏土内摩擦角的影响分析

影响红黏土内摩擦角的主要因素有土的颗粒大小、土的颗粒结构、土的密实度、土颗粒间的胶结作用等4 项。根据图3 的试验结果可以得出，当石灰掺入量在一定范围内时，红黏土的内摩擦角随着含水率增大，先是缓慢增加，到达峰值之后再快速减小。

从得出的试验数据来看，产生这种现象的原因是在含水率较低的情况下，红黏土中的游离氧化铁主要以晶体状态和胶结状态存在，以胶结状态存在的游离氧化铁，由于土颗粒的胶结作用形成团粒结构，团粒结构具有一定的水稳性，在一定的含水率范围内，内摩擦角随着含水率的增大缓慢增加；但当含水率继续增大时，土颗粒的饱和度增加，其团粒结构之间的孔隙由于水体的充填逐渐增大，团粒与团粒之间的联结作用降低，宏观表现为内摩擦角减小。通过图1 与图3 的对比，在相同石灰掺入比的情况下，含水率的变化对其内摩擦角的影响比对粘聚力的影响小。