干密度对石灰改良黄土渗透性及强度的影响研究

张 超

（甘肃省疏勒河流域水资源利用中心，甘肃 酒泉 735211）

0 引言

黄土在我国分布广泛且具有胶结性弱、水敏性强和欠压密等不良工程性质[1]，遇水后其结构发生破坏，强度显著降低，易引起地基沉陷、边坡失稳和建筑物开裂等问题，严重影响渠道、公路等工程构筑物的使用安全的使用寿命。为了提高黄土的强度和稳定性，通常采用水泥、粉煤灰和石灰等材料对其进行改良。杨忠诚等[2]设计了不同配合比条件下改良黄土的物理力学试验，分析了水泥掺量与养护龄期等对改良黄土的压缩系数、压缩模量及强度的影响规律。钟秀梅等[3]在不同干湿循环周期条件下开展改良黄土的动三轴试验，分析了粉煤灰改良黄土的动残余变形和动强度演化规律，提出了粉煤灰改良黄土的最优配比。李萍等[4]研究发现，掺入石灰后，黄土的CBR 值对水的敏感性显著减小。夏琼等[5]依托于兰新铁路兰武复线工程，通过改良黄土的无侧限抗压强度试验，研究了石灰、粉煤灰和水泥改良黄土的强度特性与水稳性。李志清等[6]研究了石灰粉煤灰改良黄土的抗剪强度及崩解特性，并提出了黄土改良的最佳方案。梁志超等[7]针对非饱和黄土的增湿变形问题，进行了石灰改良黄土的压缩试验，结果表明干密度对石灰改良黄土的变形特征影响较大且石灰可有效地消除黄土的湿陷性。王翰越和蒋应军[8]通过冻融循环试验，研究了石灰改良黄土路基填料的抗冻性能并提出了改良黄土合理的石灰掺量。周建基等[9]在饱和、非饱和2 种状态下进行了石灰改良黄土的固结试验，分析了石灰掺量对改良黄土的压缩性能的影响。

以上成果为黄土改良的理论研究与工程应用奠定了较好的基础。文章以渠基黄土为研究对象，设计不同干密度和石灰掺量条件下改良黄土的渗透试验和无侧限抗压强度试验，研究干密度和石灰掺量对黄土渗透性和强度的影响规律，以期为实际工程提供一定参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试验土样

试验所用黄土样品取自某渠道综合改造工程现场，取样深度为0.5 m。土样呈浅黄褐色，土质均匀疏松，较为湿润。根据室内标准击实试验[10]测试得到黄土的最大干密度和最优含水率，击实曲线如图1 所示。采取液塑限联合测定法测定土样的液限、塑限，采用密度计法测试并统计土样的颗粒粒径分布情况如图2 所示，得到土样的基本物理指标见表1。

表1 土样基本物性指标

图1 土样颗粒粒径分布曲线

图2 土样击实曲线

1.2 重塑黄土和石灰改良黄土的击实试验

根据《土工试验方法标准》[10]将取回的土样烘干、碾碎后过2 mm 筛，进行重塑黄土和石灰改良黄土的击实试验，研究石灰掺量对黄土击实特性的影响。试验时设置石灰与黄土的质量比分别为0%（重塑黄土）、3%、6%、9%、12%、15%，测试得到重塑黄土和石灰改良黄土的击实曲线如图3所示。

图3 不同石灰掺量下土样的击实曲线图

根据图3 和图4 可知，重塑黄土的最优含水率为14.79%，最大干密度为1.82 g∕cm3。掺入石灰后，土样的击实曲线发生了明显的变化。随着石灰产掺量的增加，改良黄土的最大干密度逐渐减小，最优含水率逐渐增加。当石灰掺量从0%增加至15%时，黄土的干密度从1.82 g∕cm3减小至1.68 g∕cm3，减小了7.7%；最优含水率从14.79%增大至19.29%，增大了30.4%。原因是石灰密度相比于黄土较小，掺入黄土后导致其干密度随石灰掺量增加而减小。同时，石灰颗粒吸附水的能力强于黄土颗粒并吸水后发生化学反应，导致改良黄土的最优含水率随石灰掺量增加而增大。另外，当石灰掺量大于9%时，改良黄土的最优含水率基本不再发生变化，这是因为石灰掺量过多时石灰与黄土的反应不充分而导致的。

图4 土样击实特性随石灰掺量变化规律

1.3 试验设计与试样制备

为了分别研究干密度和石灰掺量对改良黄土渗透性和强度的影响，采用TST-55 型渗透试验仪，开展重塑黄土和改良黄土的室内变水头渗透试验；采用应变控制式三轴仪进行无侧限抗压强度试验，加载速率为0.1 mm∕min。根据2.2 节中击实试验得到的重塑黄土和改良黄土的击实参数，设计试验方案见表2。

表2 试验方案

根据表2 中设置的条件，制备不同工况的黄土试样，开展渗透试验和无侧限抗压强度试验。重塑黄土试样制备时，设置含水率为14.79%，干密度为1.65g∕cm3，加水拌匀后将土样装入塑料袋并密封24 h后，制备不同试验所需的重塑黄土试样。改良黄土试样制备时，按照表2中设置含水率与石灰掺入比例，将石灰掺入黄土后拌匀，然后制备渗透试验和无侧限抗压强度试验所需试样，试验前需将试样养护14 d。

2 试验与结果分析

2.1 石灰掺量及干密度对改良黄土渗透特性影响

为了研究石灰的掺量和干密度对改良黄土渗透性的影响，将土样制成直径61.8 mm，高40 mm 的圆柱形试样，采用TST-55型渗透仪进行变水头渗透试验，得到渗透系数随石灰的掺量和制样干密度的变化曲线分别如图5、图6所示。

图5 渗透系数随石灰掺量的变化规律

图6 渗透系数随干密度的变化规律

由图5可知，改良黄土的渗透系数随石灰掺量的增加先增大后减小，但均小于重塑黄土（石灰掺量0%）的渗透系数，表明石灰对黄土渗透系数影响较大，能够明显改善黄土的渗透性。在干密度为1.65 g∕cm3的条件下，重塑黄土的渗透系数为13.16×10-7cm∕s，掺入石灰后改良黄土的渗透系数降低至5.54×10-7～8.15×10-7cm∕s。相比于重塑黄土，当石灰掺入量分别为3%、6%、9%时，渗透系数分别降低了40.07%、56.84%、59.26%。分析其原因是，石灰比重及颗粒粒径较小，掺入黄土后能够充填黄土孔隙，减小渗水通道。同时，石灰遇水后反应生成Ca（OH）2，随后与空气中的CO2发生碳酸化反应，生成CaCO3胶结物[11]，填充土体孔隙并吸附于土颗粒表面，使得土体孔隙减小，胶结物将会不断充填孔隙并有效地堵塞水分渗流通道，使得土体内部孔隙的连通性降低，导致改良黄土渗透系数减小。石灰掺量继续增加，改良黄土的渗透系数开始增大，石灰掺量为15%时改良黄土的渗透系数增加至7.15×10-7cm∕s，但仍小于重塑黄土的渗透系数。原因是，土体中水分含量有限，过量的石灰并不能完全发生反应，导致土体的黏结性变差，渗透系数有所增加。

图6所示为石灰掺入量为6%时，改良黄土的渗透系数随干密度的变化规律。可知，随着干密度增大，改良黄土的渗透系数逐渐减小。当干密度从1.48 g∕cm3增加至1.73 g∕cm3时，石灰掺量6%时渗透系数从41.2×10-7cm∕s 降低至3.52×10-7cm∕s，减小了91.46%。原因是，干密度增大时，改良黄土密实度明显增加，土颗粒空间排列发生变化，土体结构由疏松逐渐转变为致密，孔隙率逐渐减小，土中渗水通道减小，导致改良黄土的渗透系数随干密度增大而显著减小。同时，观察发现，当干密度从1.48 g∕cm3增加至1.78 g∕cm3时，改良黄土的渗透系数从41.2×10-7cm∕s 降低至12.8×10-7cm∕s，减小了28.4×10-7cm∕s；当干密度从1.63 g∕cm3增加至1.73 g∕cm3时，其渗透系数从5.63×10-7cm∕s 降低至3.52×10-7cm∕s，减小了2.11×10-7cm∕s。表明干密度对改良黄土渗透性的影响主要集中在较低干密度范围，尤其干密度从1.48 g∕cm3增加至1.53 g∕cm3时影响最显著，当干密度继续增加时，渗透系数逐渐保持稳定。原因是，在较低干密度范围内，改良黄土颗粒结构排列较为疏松[12]，内部孔隙连通性好，使得土体渗透系数较大。随着干密度增大，土体受到压实作用的影响愈显著，结构趋于稳定，土体中原有的孔隙和水分扩散通道进一步缩小，渗透系数变化幅度逐渐稳定。

2.2 石灰掺量及干密度对改良黄土强度的影响规律

为了研究石灰掺量和制样干密度对改良黄土强度特性的影响，根据表2中设置的条件，将土样制成直径31.9 mm，高80 mm 的圆柱形试样，采用应变控制式三轴仪进行改良黄土的无侧限抗压强度试验，试验时控制加载速率为0.1 mm∕min。根据试验结果，得到石灰掺量和干密度对改良黄土的无侧限抗压强度的影响规律分别如图7、图8所示。

图7 无侧限抗压强度随石灰掺量变化图

图8 无侧限抗压强度随干密度变化图

由图7可知，石灰掺量对改良黄土的轻度特性具有较为显著的影响，随着石灰掺量的增加，其强度明显增大。重塑黄土的无侧限抗压强度为169.53 kPa，石灰掺量为3%时增长至为533.21 kPa，增大了2.15倍。当石灰掺量分别为9%、15%时，改良黄土的无侧限抗压强度分别为836.29 kPa、925.34 kPa，相比于重塑黄土分别提高了3.93、4.46倍，表明掺入石灰可以显著提高黄土的强度。原因是，重塑黄土试样颗粒间的胶结程度较低，存在较多的大孔隙，结构强度较小。石灰加入后，遇水后反应生成Ca（OH）2，Ca（OH）2随后解离，产生Ca+与土颗粒表面吸附的阳离子发生离子交换反应，使得土颗粒表面原有的双电层结构变薄，土颗粒之间的间距减小。同时Ca（OH）2与空气中的CO2反应生成CaCO3胶结物，吸附于土颗粒之间，胶结土颗粒形成更稳定的团聚结构，使得土体的宏观强度不断提高。随着石灰掺量继续增加，水化反应、离子交换反应以及胶凝反应不断进行，胶结物持续胶结颗粒、填充土体孔隙，使得土体结构越来越密实，有效地提高黄土强度。但是，土体中水分含量有限，石灰掺量过多时水化反应、离子交换反应以及胶凝反应[11]等不能充分发生，使得改良黄土强度增幅逐渐减小，表现为无侧限抗压强度的增长率随石灰产量的增加而逐渐减小。

土体结构与其强度特性密切相关。由图8可知，当石灰掺量一定时，改良黄土的无侧向抗压强度随其干密度的增加呈线性增长趋势。石灰掺量为6%，改良黄土的干密度为1.48 g∕cm3时，干密度增加至1.53 g∕cm3时，无侧限抗压强度增大了45.8%，达到470.60 kPa；当干密度为1.63 g∕cm3、1.73 g∕cm3时，改良黄土的无侧限抗压强度分别为649.65 kPa、971.81 kPa，分别提高了101.34%、198.69%，表明干密度对改良黄土强度的影响显著。分析其原因是，一方面，石灰掺入后与黄土发生一系列化学反应，产生胶结物，进一步黏结土体颗粒的同时填充土体孔隙，土体结构变得更加致密使得改良黄土强度不断增大；另一方面，与干密度对渗透系数的影响类似，干密度较小时，土体结构疏松，孔隙率较大，当干密度逐渐增大时，其压实度显著提高。随着击实作用的加强，干密度逐渐增大导致土体内部颗粒间发生错动，土颗粒重新排列，土体内部孔隙在击实作用的影响下逐渐被压缩，土体骨架被进一步压实，其结构密实度和结构强度得到了较大程度的提升，改良黄土抗变形及抵抗破坏的能力大幅增强，表现为无侧限抗压强度不断增大。

3 结论

在不同石灰掺量和干密度条件下开展石灰改良黄土的渗透试验和无侧限抗压强度试验，分别研究了2种因素对改良黄土的强度及渗透性的影响效果，基于试验结果得到以下结论：

（1）掺入石灰后，黄土的击实特性发生了明显变化。随着石灰产掺量的增加，改良黄土的最大干密度逐渐减小，最优含水率逐渐增加。当石灰掺量从0%增加至15%时，黄土的最大干密度减小7.7%了，最优含水率增大了30.4%。

（2）石灰掺入后能够显著提高黄土的强度，改善其渗透性。随着石灰掺量的增加，改良黄土的强度明显增大，渗透系数先增大后减小且均小于重塑黄土的渗透系数。干密度一定时，相比于重塑黄土，改良黄土的无侧限抗压强度提高了2.15～4.46倍，渗透系数降低了40.07%～59.26%。

（3）干密度与改良黄土的物理力学性质密切相关。当石灰掺量一定时，随着改良黄土的干密度逐渐增大，改良黄土密实度明显增加，无侧向抗压强度增加呈线性增长趋势，但渗透系数逐渐减小。同时，干密度对改良黄土渗透性的影响主要集中在较低干密度范围，尤其干密度从1.48 g·cm-3增加至1.53 g·cm-3时影响最显著。