石灰加固软土路基效果的试验研究

2023-11-06白晓明

辽宁省交通高等专科学校学报 2023年4期

白晓明

（中铁十八局集团有限公司天津国际工程公司，天津 300222）

1 引言

软土路基强度低，压缩量较高，需对其采取特殊的设计与处理，以提升其稳定性及承载能力。修建公路时，常采用水泥、石灰等固化剂对软土路基进行处理，近年来，许多专家学者针对软土路基改良开展相关研究。

陈勇军等人[1］以某地区软土为研究对象，开展动三轴试验，分析石灰掺量对土体承载能力的影响，结果表明，提高石灰掺量可显著提高土体的回弹模量。杨兴华等人[2］以某高速公路路基为研究对象，采用石灰钢渣对其软土速基进行改良，并对改良路段进行沉降监测，结果表明，石灰钢渣不仅可以减小路基沉降，还可降低建筑成本。杨爱武等人[3］以滨海软土为研究对象，采用石灰与粉煤灰为固化剂，对其进行改良，通过室内试验与微观测试，分析固化剂的改良效果，结果表明，石灰与粉煤灰可使土体颗粒胶结成土团粒，提高软土的承载力。王春阳[4］以冻土地区软土为研究对象，开展加州承载比试验，分析石灰对软土路基的改良效果，结果表明，当石灰掺量为7%时，对软土路基的改良效果最优。许志坚[5］以淤泥质软土为研究对象，通过室内试验，并结合数值模拟，分析石灰对其路用性能的改良效果，结果表明，掺入石灰能显著提高其承载能力。

过量添加石灰对软土进行改良会对生态环境造成一定的影响，为避免软土改良过程中的环境污染，本研究以贡贝州库达公路工程为研究对象，在石灰固土过程中加入生物酶，以减少石灰用量，同时可激发石灰对土的固化作用，提升土体的力学性能。开展室内试验，分析生物酶、石灰共同作用的固化改良软土路基的效果，分析其固化机理。

2 工程概况

本研究以贡贝州库达公路工程为研究对象，贡贝州地处尼日利亚东北部，主要为公路工程、桥梁、水沟、涵洞、河道排水渠工程等。该项目地势起伏减小，气候兼有西非典型海洋型气候和非洲亚热带气候，雨季雨水较多。该地区的地质主要为砾石地层，主要由沙和砂岩组成，覆盖层材料为不同程度的沙、沙土和黑土，土质以松软土和膨胀土为主。由于软土的力学性能较差，作为地基的稳定性不高，本研究采用生物酶、石灰固化技术，对软土地基的工程性质进行改善。

3 材料与方法

本研究选取施工现场的土体开展加州承载比（CBR）试验，分析石灰对软土地基的固化及承载力提升效果，并在石灰固土过程中加入生物酶，以激发石灰对土的固化作用，提升土体的力学性能。试验土样的工程性质如表1 所示。

表1 试验土样的工程性质

4 试验结果分析

为分析石灰对软土的固化效果及生物酶对固化的激发效果，以天然土（黏粒含量为20%）为研究对象，开展CBR 试验，分析试样的应力及CBR 强度变化规律，其固化时间-CBR 强度曲线如图1 所示。由图可知，不同试样的固化时间-CBR 强度曲线变化趋势具有一致性，随着固化时间的增大，其CBR 强度逐渐增大；其中，未采用生物酶与石灰固化的试样曲线变化趋势较为平缓，随着时间的增大，其CBR 强度增长不足1%。在同一固化时间下，采用酶、石灰共同固化的CBR 强度较高，且试样采用干法与湿法的CBR 强度具有一定的差异性，其中，当固化方法相同时，采用干法养护的CBR 强度较大。当采用干法时，采用酶石灰共同固化的CBR 强度较高，其次为石灰，再次为生物酶，未处置的土样CBR 强度最小，说明生物酶和石灰度软土进行固化能有效提升土体的强度，采用石灰的固化效果较好，生物酶对石灰的固化具有一定的促进效果，对比仅使用石灰固化的试样可得，生物酶、石灰共同作用下的CBR 强度最高可提升4%。

图1 天然土固化时间-CBR 强度曲线

为分析石灰与酶对软基力学性能及承载能力的影响，分别分析干法、湿法养护28d 下，试样的应力变化规律，干法养护下，试样的贯入量-应力曲线如图2 所示。由图可知，随着贯入量的增大，试样的应力逐渐增大，其中，当养护时间一致时，采用酶、石灰共同固化的试样应力最大，其次为石灰固化试样，再次为酶固化试样，未处置的土样应力最小，且掺入固化剂的试样应力远大于未处置土样，说明采用固化剂对软土进行处理可有效提高土体强度，当采用酶、石灰共同作用时，其强度最高，固化效果最好。对比酶、石灰共同稳定土与石灰稳定土可得，当采用酶、石灰共同固化时，其应力较大，说明生物酶的加入对石灰的固化效果有激发作用，这是由于，生物酶可使土颗粒聚集，二者结合即可产生黏土聚合物互联网络，而石灰的掺入可促进阳离子键，加速酶-黏土分子的形成，从而提高土体的力学性能及承载力。

图2 干法养护贯入量-应力曲线

湿法养护下，试样的贯入量-应力曲线如图3所示。由图可知，采用湿法养护的试样的应力变化规律与干法养护试样具有一致性，其贯入量与应力间呈正相关关系，但是在同一贯入量下，其应力均小于干法养护的应力。根据前人研究可得[6］，当采用湿法养护时，试样的应力值显著下降，对于石灰稳定土而言，其应力值相较于干法养护试样下降78%，说明土样的养护方式会影响其应力值，且采用干法养护的土样CBR 值较高。不同固化剂的试样应力可得，同一贯入量下，石灰稳定土与酶石灰稳定土的应力差距较小，二者间的应力差距小于10kPa，说明当采用湿法养护不仅会降低土样的承载能力，还会影响生物酶对石灰固化的激发效果。在实际工程中，为提升土体的承载力及力学性能，应采用干法养护，以充分发挥固化剂的稳定效果，提升土体的强度。

图3 湿法养护贯入量-应力曲线

以黏粒含量为40% （C-40）的土体为研究对象，开展CBR 试验，分析试样的应力及CBR强度变化规律，其固化时间-CBR 强度曲线如图4所示。由图可知，固化时间与试样的CBR 值呈正相关关系，其固化时间-CBR 强度曲线变化趋势与天然土曲线变化趋势具有一致性，其中，采用酶、石灰共同固化的试样CBR 强度最大，未采用固化剂处理的试样CBR 强度最小，且采用干法养护的CBR 值大于采用湿法养护的CBR值。对比天然土（黏粒含量为20%）的CBR 值可得，当采用固化剂对土样进行处理时，黏粒含量为40%的试样CBR 值较高，其CBR 值提升4.2%，但为采用固化剂进行处理的CBR 值无明显的差异，说明当土体的黏粒含量较高时，采用固化剂的固化效果较好，可提高土体的承载能力。这是由于，当土体的黏粒含量较高时，其中的黏土会与石灰发生火山灰反应，提升土体的强度。

图4 C40 固化时间-CBR 强度曲线

以高岭土为研究对象，开展CBR 试验，分析试样的应力及CBR 强度变化规律，其固化时间-CBR 强度曲线如图5 所示。由图可知，高岭土的CBR 强度变化与天然土的变化趋势具有一致性，但是其CBR 强度远大于天然土，当采用干法养护，固化剂为酶、石灰时，其CBR 强度有最大值，其值为314%，说明采用固化剂对高岭土进行处理的效果较好，可显著提高其强度特性。当固化剂一致时，采用干法与湿法进行养护的试样CBR 强度差距较小，说明养护条件对高岭土CBR 强度的影响较小。对比仅采用石灰进行固化的试样可得，采用酶、石灰共同作用的试样的CBR 强度显著提高，二者间的CBR 强度差值为207%，说明采用生物酶可有效激发石灰的固化效果，且其激发效果对于高岭土较为显著。

图5 高岭土固化时间-CBR 强度曲线

由于膨润土具有吸水膨胀的特性，因此养护方法仅采用干法养护，以膨润土为研究对象，开展CBR 试验，分析试样的应力及CBR 强度变化规律，其固化时间-CBR 强度曲线如图6 所示。由图可知，膨润土的CBR 变化趋势与前文所述土样存在一定的差异性，在同一固化时间下，采用石灰处理的膨润土试样的CBR 强度最大，其次为酶、石灰，再次为酶，未处理的土样强度最小；说明对于膨润土而言，生物酶不仅对石灰的固化效果无激发作用，而且还会一致石灰的固化效果，减小土样的强度。这是由于，膨润土的缓冲能力较低，对pH 值黏性土的固化具有抑制作用，且生物酶会影响土与石灰反应，导致采用酶、石灰固化膨润土的强度较低。

图6 膨润土固化时间-CBR 强度曲线

为分析不同固化剂对土体应力、应变规律的影响，开展室内试验，当固化剂为石灰时，不同土体的贯入量-应力曲线如图7 所示。由图可知，随着贯入量的增大，不同试样的应力总体呈增大趋势，其中，当贯入量大于3mm 时，黏粒含量为40%的试样应力呈缓慢下降趋势。当土体一致时，采用干法养护的试样应力均大于采用湿法养护的试样，在同一贯入量下，不同土样的应力具有一定的差异性，其中，采用干法养护的高岭土试样的应力最大，采用湿法养护的膨润土试样应力最小，这是由于，膨润土具有吸水膨胀的特性，当采用湿法养护时，其力学性能较差。对比未处置土样而言，除湿法养护的膨润土土样外，其他试样的应力均大于为养护土样，说明采用石灰对土体进行固化可显著提升土体的力学性能，提高土体强度，这是由于，土体内的黏粒会与石灰发生火山灰反应，生成水化物结晶，时土体形成整体骨架结构，提高土体的强度。

图7 石灰稳定土贯入量-应力曲线

当固化剂为生物酶时，不同土体的贯入量-应力曲线如图8 所示。由图可知，同一贯入量下，高岭土与膨润土的应力最大，其中，高岭土的应力值最大，当贯入量为12mm 时，其最大应力为1821kPa，说明生物酶对高岭土与膨润土对的固化效果较好。对于其他土样而言，生物酶对其承载力的改善效果较不明显，其最大应力均在300kPa 以内。对比采用石灰为固化剂的土样可得，采用生物酶固化的高岭土与膨润土的应力提升效果较为显著，而其他土体的应力与石灰稳定土的差异较小，说明对于高岭土与膨润土而言，采用生物酶的固化效果大于石灰，而对于其他土体的而言，两种固化剂的固化效果差异并不明显。

图8 生物酶贯入量-应力曲线

当固化剂为生物酶、石灰时，不同土体的贯入量-应力曲线如图9 所示。由图可知，酶、石灰共同作用时，各土样的承载力均有显著的提升，其中，高岭土的提升效果最为显著，其最大应力可达到5236kPa，相较于生物酶固化土样提升了2.87 倍，说明酶、石灰共同作用可有效提高土体的承载力，且生物酶的加入对石灰的固化效果有激发作用，生物酶可使土颗粒聚集，二者结合即可产生黏土聚合物互联网络，而石灰的掺入可促进阳离子键，加速酶-黏土分子的形成，从而提高土体的力学性能及承载力。