龔錦林，柳厚祥，王真

（1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410000；2.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

膨脹土廣泛分布于中國南方地區(qū)，因其黏土礦物含量高、干縮濕漲性大［1-2］，在降雨及蒸發(fā)作用下極易導(dǎo)致路堤發(fā)生開裂、垮塌等災(zāi)害，影響道路安全運營，危及這些地區(qū)人們的生命財產(chǎn)安全［3-5］。

為減少膨脹土不良特性對道路路堤的影響，在工程中常采用化學(xué)改良的方法對其進(jìn)行改性，以達(dá)到高速公路運營要求［6-7］。SECO等人［8］利用粉煤灰對膨脹土進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)其可有效提高膨脹土力學(xué)強(qiáng)度。DU等人［9］利用水泥改性膨脹土，研究了水泥改良膨脹土的微觀機(jī)理，建立了水泥改良膨脹土的不同層間陽離子與表面電荷的分子模型。張明敏［10］研究了不同干濕循環(huán)次數(shù)對改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力及內(nèi)摩擦角等的影響。孫健峰等人［11］探討了最佳石灰摻量、最佳摻水量和聚苯乙烯泡沫顆粒（expanded polystyrene，簡稱為EPS）摻量對復(fù)合改良土膨脹性的影響規(guī)律。王東星等人［12］通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、動回彈模量、核磁共振及掃描電鏡等試驗，分析了在干濕-凍融循環(huán)作用下，水泥改性膨脹土的強(qiáng)度特性與微觀結(jié)構(gòu)隨初始含水率、水泥摻量、干濕循環(huán)和凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。符策嶺等人［13］通過石灰改良膨脹土在不同石灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期下的膨脹率、擊實、直剪及干濕循環(huán)試驗，獲得了其力學(xué)性能和水穩(wěn)定性等物理性能指標(biāo)的變化規(guī)律。高曉波等人［14］研究了石灰摻量、壓實系數(shù)及養(yǎng)護(hù)齡期對改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，并通過灰色關(guān)聯(lián)度分析法探討了改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要影響因素。這些研究成果主要集中在由粉煤灰、石灰和水泥等材料改良過的膨脹土的強(qiáng)度、變形、壓縮、路基的壓實和承載力等方面［15-18］，但對石灰改良膨脹土水穩(wěn)定性的研究較少，也未建立改良劑摻量與改良膨脹土力學(xué)特性之間的函數(shù)模型。因此，作者擬通過對不同石灰摻量和養(yǎng)護(hù)時間的石灰改良膨脹土進(jìn)行壓縮試驗、無側(cè)限抗壓試驗及直剪試驗，研究改良膨脹土的壓縮性能、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律，建立石灰摻量與改良膨脹土的壓縮性能、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，為石灰改良膨脹土工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗所用膨脹土均取自廣西百色市郊區(qū)，顏色為棕黃色，裂隙發(fā)育。烘干取回的膨脹土，碾碎，過2 mm篩。依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG343—2020）對其進(jìn)行篩分試驗，測量膨脹土試樣的主要物理指標(biāo)結(jié)果見表1。由表1可知，該膨脹土屬于弱膨脹土。本試驗所用石灰為成都隆峰建材有限公司生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)石灰，其主要含73.4%的CaO、8.5%的MgO及少量SiO2，燒失量為25.1%。

表1 膨脹土的基本特性Table 1 Basic properties of expansive soil

1.2 試驗方法

分別將0、2%、4%、6%、8%的石灰與膨脹土混合后，將其配置成含水率為18.3%的改良膨脹土，密封養(yǎng)護(hù)24 h后，采用靜壓法制備Φ61.8 mm×20 mm的環(huán)刀試樣及Φ50 mm×100 mm圓柱形試樣，試樣干密度為1.69 g/cm3。將制備好的石灰改良膨脹土試樣置于濕度為95%±3%，溫度為20±1℃的室內(nèi)分別養(yǎng)護(hù)1、3、7、14和28 d后，再進(jìn)行壓縮試驗、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗及直剪試驗，測量改良膨脹土在不同養(yǎng)護(hù)時間的壓縮系數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度參數(shù)，具體試驗方案見表2。其中，壓縮試驗利用GJZ單杠桿式三聯(lián)中壓固結(jié)儀進(jìn)行，試驗過程中豎向荷載分別按照25、50、100、200、400和800 kPa的進(jìn)行遞增加載，每級加載時間為24 h。

表2 試驗方案Table 2 Test scheme

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 改良膨脹土壓縮特性

石灰改良膨脹土壓縮系數(shù)隨石灰摻量的變化曲線如圖1所示。從圖1可以看出，在同一養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)，隨著石灰摻量的增加，石灰改良膨脹土的壓縮系數(shù)顯著減小，最終趨于穩(wěn)定。以養(yǎng)護(hù)時間1 d為例，未添加石灰時，膨脹土的壓縮系數(shù)為0.25 MPa。當(dāng)石灰摻量為2%時，其壓縮系數(shù)為0.18 MPa，減小幅度為28%。當(dāng)石灰摻量超過6%時，其壓縮系數(shù)減小趨勢變得平緩，這是因為石灰摻量的增加導(dǎo)致改良膨脹土的微觀孔隙減小，使改良改良膨脹土難以壓縮，造成其壓縮系數(shù)減小。隨著養(yǎng)護(hù)時間的持續(xù)增長，改良膨脹土的石灰發(fā)生絮凝反應(yīng)，進(jìn)一步縮小其內(nèi)部微觀孔隙，導(dǎo)致其壓縮系數(shù)迅速減小。當(dāng)石灰摻量為2%，改良膨脹土的養(yǎng)護(hù)時間分別為1、3、7、14和28 d時，石灰改良膨脹土的壓縮系數(shù)分別為0.18、0.16、0.14、0.12和0.11 MPa。當(dāng)石灰摻量為6%，改良膨脹土的養(yǎng)護(hù)時間分別為1、3、7、14和28 d時，壓縮系數(shù)分別為0.12、0.1、0.07、0.06和0.05 MPa。這表明：隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，改良膨脹土壓縮系數(shù)迅速減小，最后趨于穩(wěn)定。這主要原因是養(yǎng)護(hù)初期石灰與水反應(yīng)迅速生成絮凝產(chǎn)物，填充孔隙，從而導(dǎo)致其壓縮系數(shù)迅速減小，后期石灰反應(yīng)完全，絮凝產(chǎn)物生成量減?。?5］，改良膨脹土后期壓縮系數(shù)趨于穩(wěn)定。

圖1 壓縮系數(shù)指數(shù)模型擬合曲線Fig.1 Fitting curve of exponential model of compressioncoefficient

從圖1還可以看出，不同石灰摻量對石灰改良膨脹土壓縮系數(shù)的變化規(guī)律符合指數(shù)函數(shù)，其表達(dá)式為：

式中：α為改良膨脹土壓縮系數(shù)，MPa；x為石灰摻量，%；A、B、C均為擬合參數(shù)。不同養(yǎng)護(hù)時間可得到5種不同的擬合結(jié)果。

①當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間為1 d時，擬合表達(dá)式為：

②養(yǎng)護(hù)為3 d時，擬合表達(dá)式為：

③養(yǎng)護(hù)時間為7 d時，擬合表達(dá)式為：

④養(yǎng)護(hù)時間為14 d時，擬合表達(dá)式為：

⑤養(yǎng)護(hù)時間為28 d時，擬合表達(dá)式為：

式中：R2為均方誤差。

2.2 改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與石灰摻量的關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間一定時，隨著石灰摻量的增加，改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈先快速增長后趨于穩(wěn)定趨勢，其增長幅度隨石灰摻量的增加而逐漸減小。以養(yǎng)護(hù)時間為1 d的改良膨脹土為例，未摻入石灰時膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為227.8 kPa，當(dāng)石灰摻量為2%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為539.7 kPa。增長幅度達(dá)136.9%。當(dāng)石灰摻量分別為4%、6%和8%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別 為746.6、924.4和1 059.2 kPa，增 幅 分 別 為227.7%、305.8%和365.0%。當(dāng)石灰摻量一定時，在養(yǎng)護(hù)初期的改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度急劇增長，隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，強(qiáng)度增長趨緩。當(dāng)石灰摻量為4%時，改良膨脹土在養(yǎng)護(hù)時間分別為1、3、7、14和28 d時，無 側(cè) 限 抗 壓 強(qiáng) 度 分 別 為746.6、857.2、968.5、1 027.6和1 075.2 kPa。將改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和石灰摻量進(jìn)行擬合，兩者之間符合指數(shù)函數(shù)，其表達(dá)式為：

圖2 改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰摻量變化規(guī)律Fig.2 Variation of unconfined compressive strength of modified expansive soil with the amount of lime admixture

式中：F為改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；x為石灰摻量，%；A、B、C均為擬合系數(shù)。

在5種不同養(yǎng)護(hù)齡期下，可得到5種不同的擬合函數(shù)。

1）當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間為1 d時，擬合表達(dá)式為：

2）當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間為3 d時，擬合表達(dá)式：

3）當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間為7 d時，擬合表達(dá)式為：

4）當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間為14 d時，擬合表達(dá)式為：

5）當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間為28 d時，擬合表達(dá)式為：

式中：R2為均方誤差。

從式（8）～（12）可知，隨著養(yǎng)護(hù)時間的持續(xù)增長，擬合系數(shù)A、B均隨之先減小后增大，而系數(shù)C隨養(yǎng)護(hù)時間的增長一直減小。

2.3 改良膨脹土抗剪強(qiáng)度

改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨石灰摻量的變化規(guī)律，如圖3所示。從圖3（a）可以看出，在不同養(yǎng)護(hù)期內(nèi)，改良膨脹土黏聚力c均隨著石灰摻量的增長而快速增長。養(yǎng)護(hù)時間為1 d時，未摻入石灰的膨脹土的黏聚力僅為27.8 kPa，石灰摻量分別為2%、4%、6%和8%的石灰改良膨脹土，其黏聚力分別為39.7、46.6、54.4和59.2 kPa，增幅分別為42.8%、67.6%、95.7%和112.9%。這主要原因是養(yǎng)護(hù)時間為1 d時，石灰絮凝程度較小，主要起填充孔隙及增強(qiáng)顆粒間黏聚的作用。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間延長后，石灰絮凝產(chǎn)物逐漸增多，改良膨脹土的黏聚力快速增長，而隨著養(yǎng)護(hù)時間的持續(xù)，石灰逐漸完全絮凝，導(dǎo)致產(chǎn)生的絮凝產(chǎn)物含量不再增加，從而使其黏聚力增長幅度逐漸減小。從圖3（b）還可以看出，隨著石灰含量的增長，其內(nèi)摩擦角開始快速增長，后趨于穩(wěn)定，這主要是由于摻入石灰后，石灰細(xì)度較小，黏聚力較大且逐漸與水發(fā)生反應(yīng)，從而使膨脹土顆粒發(fā)生聚集，形成大顆粒，增加了顆粒間滾動的難度，從而使其內(nèi)摩擦角增大。隨著石灰摻量持續(xù)增長，其內(nèi)部絮凝程度逐漸變緩，從而導(dǎo)致其內(nèi)摩擦角增長速率變緩，與文獻(xiàn)［14，16］結(jié)論一致。

圖3 改良膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨石灰摻量變化規(guī)律Fig.3 Variation of shear strength parameters of modified expansive soil with lime admixture

從圖3可以看出，改良膨脹土黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ與石灰摻量之間的關(guān)系為：黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ與石灰摻量間均符合指數(shù)函數(shù)，擬合結(jié)果見表3。

表3 黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ與石灰摻量間指數(shù)函數(shù)關(guān)系Table 3 Exponential function between cohesion c，internal friction angleφand lime admixture

3 結(jié)論

本研究通過壓縮試驗、無側(cè)限抗壓試驗及直剪試驗，分析了石灰改良膨脹土在不同石灰摻量、養(yǎng)護(hù)時間時的壓縮性能、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度參數(shù)，得到結(jié)論為：

1）隨著石灰摻量及養(yǎng)護(hù)時間的增加，石灰改良膨脹土的壓縮系數(shù)均呈現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢，且石灰摻量與改良膨脹土的壓縮系數(shù)間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

2）改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與石灰摻量的關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)，隨著養(yǎng)護(hù)時間的持續(xù)增長，其擬合參數(shù)A、B均先減小后增大，而參數(shù)C隨養(yǎng)護(hù)時間的增長一直減小。

3）不同養(yǎng)護(hù)時間下，改良膨脹土黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ與石灰摻量間均符合指數(shù)函數(shù)增長趨勢，養(yǎng)護(hù)時間為1 d時，摻量分別為2%、4%、6%和8%石灰改良膨脹土的黏聚力的增幅分別為42.8%、67.6%、95.7%和112.9%。