不同石灰配合比對昔格達土性能的影響試驗研究

阮小龍1, ，黃雙華 ，羅 強

(1．西華大學建筑與土木工程學院， 四川 成都 610039；2.攀枝花學院土木與建筑工程學院 ，四川 攀枝花 617000)

攀西地區地處云南四川交界處，地勢復雜，山坡較多，在區域經濟不斷發展的同時，區域建設也不斷增多，因而常會遇見修建高回填昔格達土邊坡。而此地區的昔格達土是弱膠結半成巖，結構顆粒分散，凝聚力小，抗剪強度低，遇水易膨脹軟化，這些不利工程性質都為高邊坡產生失穩甚至滑坡等地質災害埋下安全隱患。虞躍等[1]曾做過用水玻璃改良昔格達土物理力學性質的試驗研究，而石灰是一種價格更低廉的建筑材料，目前較多用于路基路面中改良土的壓實性能[2-3]，也常用于改善土質和增強土體強度[4-5]。本文利用石灰對攀枝花某高回填邊坡的昔格達土進行改性試驗研究。由于土體抗剪強度對高邊坡穩定性起控制作用，故用1∶9、2∶8、3∶7、4∶6的灰土配合比，通過界限含水率試驗、擊實試驗和三軸試驗，探究了不同灰土配合比對昔格達土的塑液限、擊實性能和抗剪強度指標的改性效果,并結合工程實際分析了該摻石灰高回填昔格達土邊坡多年的使用狀況。

1 試驗材料

1.1 昔格達土

昔格達土按地層分為黏土巖和砂巖，屬于弱膠結半成巖。本試驗用土取自攀枝花某高邊坡工程，屬于人工回填昔格達土。該土屬于泥質粉砂巖，塑限為45.7%，液限為26.2%，泥質粉砂巖膠結程度低，結構顆粒松散，該土的主要物理指標參見表1。

表1 昔格達土的物理性質

1.2 石灰

石灰是一種以氧化鈣為主要成分的氣硬性無機膠凝材料。試驗所選用生石灰CaO和MgO總質量分數約為72%，MgO質量分數≤5%，屬Ⅲ級鈣質石灰。生石灰(CaO)經過充分熟化生成Ca(OH)2，晾干后方可用于試驗。

2 界限含水率試驗

2.1 試驗方案

取適量土樣風干，測定風干含水率，碾碎，過0.5 mm篩。將生石灰熟化，風干后過0.5 mm篩，按1∶9、2∶8、3∶7、4∶6的配合比例與原樣土拌合，裝入塑料袋，放置1 d，讓土的含水率均勻。然后，分別測定各界限含水率，以了解不同石灰配合比對昔格達土界限含水率的影響。

2.2 石灰土塑、液限的變化

取出試樣，利用塑液限聯合測定儀分別測定對重塑土以及不同配比的石灰拌合土的塑、液限，試驗成果見表2，塑、液限變化趨勢見圖1。

表2 不同石灰配合比灰土的塑液限指標

從變化趨勢圖可以看出，塑限、液限總體呈現增大趨勢，但在摻入配比約為3∶7時出現峰值，之后塑限呈減小趨勢；而塑限指數呈減小趨勢，從20.42%減小到12.70%，減少了38%，這說明石灰對昔格達土的親水性有較好的降低改性效果。灰土的塑液限增大而塑限指標降低，這是因為生石灰熟化不充分，摻入的石灰中含有少量未熟化生石灰，生石灰熟化消耗掉土中的一部分水而致使灰土處于一種粉砂狀態，與此同時石灰與空氣中的二氧化碳發生化學反應，生成強度更高的碳酸鈣，包裹住原來的土粒，使原來的散粒結構形成團粒結構。

圖1 塑液限變化趨勢圖

3 擊實試驗

3.1 試驗方案

本擊實試驗根據GB/T 50123—1999土工試驗方法標準，重塑土碾碎過5 mm篩，石灰過2 mm篩，重塑土和灰土(配合比分別為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6)以不同的設定含水率進行拌合制樣，裝入塑料袋，放置1 d，使水分均勻分布到土體。然后，再使用擊實儀測各土的最優含水率和最大干密度。

3.2 石灰土最優含水率、最大干密度的變化

試驗采用輕型擊實儀，輕型擊實試驗擊實功約為592.2 kJ/m3，分3層擊實，每層27擊，分別對重塑土及不同配合比的灰土進行擊實，再測定擊實后的干密度及含水率，然后得到擊實曲線。通過擊實曲線可以得出重塑土及不同配合比的灰土最優含水率和最大干密度(見表3)，不同配合比最優含水率變化趨勢曲線、最大干密度變化趨勢曲線見圖2、圖3。

表3 不同配合比灰土的最優含水率及最大干密度

圖2 最優含水率隨石灰摻入百分量變化趨勢

圖3 最大干密度變隨石灰摻入百分量變化趨勢

從表2可以發現，隨著摻灰量的增加，最優含水率不斷增大，最大干密度不斷減小。從圖2、圖3可以看出，隨著石灰摻入配比的增加，最優含水率逐漸增大而最大干密度幾乎接近直線下降。這是因為石灰與土拌和，石灰與空氣中的二氧化碳發生化學反應，細小顆粒凝聚和絮聚，土結構發生變化，成為較大顆粒，影響了土的壓實性能。

4 三軸試驗

4.1 試驗方案

根據最大干密度(分別為1.58 、1.52 、1.46 、1.42 、1.37 g/cm3)和擊實儀的體積以及所需試件個數大概估算所需土料質量，并以各灰土配合比(1∶9、2∶8、3∶7、4∶6)的最優含水率(分別為20.7%、21.3%、23.4%、 24.4%、 26.9%)配制土料，放入塑料袋擱置12 h，讓土體含水率均勻，分別制成3個試件，在同等條件下養護1周。

4.2 抗剪強度指標

圖4 養護7 d重塑土莫爾應力圓

圖5 養護7 d 1∶9灰土莫爾應力圓

圖6 養護7 d 2∶8灰土莫爾應力圓

圖7 養護7 d 3∶7灰土莫爾應力圓

圖8 養護 7 d 4∶6灰土莫爾應力圓

取出試件，用土工三軸試驗儀器使試件分別在不同圍壓(100、200、300 kPa)作用下施壓軸向壓力直至試件破壞并繪出莫爾應力圓，如圖4—8所示。不同石灰配合比灰土的抗剪強度指標如表4所示。不同石灰配合比灰土的凝聚力變化趨勢和內摩擦角變化趨勢如圖9—10所示。

表4 不同石灰配合比灰土的抗剪強度指標

圖9 凝聚力Cu變化趨勢圖

圖10 內摩擦角Φu變化趨勢圖

通過觀察內摩擦角Φu變化趨勢圖及凝聚力Cu變化趨勢圖，可以發現隨石灰配合比的不斷增加，凝聚力和內摩擦角增加不少，呈現先不斷增加后緩慢減小的變化趨勢，凝聚力和內摩擦角都在石灰摻量約3∶7時，到達最大值，因此得出結論，昔格達土的最佳灰土配合比為3∶7。

5 摻石灰高回填昔格達土邊坡的使用狀況

該高回填昔格達土邊坡修建于攀枝花某運動場，在回填土中摻有一定比例的石灰，通過對該邊坡的觀察發現，使用十余年，坡面依然完好，坡體仍然穩固，從建成至今沒有出現過任何坍塌、滑坡等地質災害。因為石灰與昔格達土形成的復合土體經過長時間碳化后在表面生成碳酸鈣(CaCO3)硬殼，阻止了雨水從表面滲透進入坡面內部，從而有效地防治了昔格達土吸水膨脹軟化等不利工程性質，避免了出現由此而引起的邊坡失穩問題。至于滲透系數的具體改性效果，有待繼續研究。

6 結論

1) 生石灰熟化不充分，摻入的石灰中含有少量未熟化生石灰，生石灰熟化消耗掉土中的一部分水而致使灰土處于一種粉砂狀態，與此同時石灰與空氣中的二氧化碳發生化學反應，生成強度更高的碳酸鈣，包裹住原來的土粒，使原來的散粒結構形成團粒結構。試驗結果表明石灰摻入昔格達土后，石灰對昔格達土的親水性有很好的降低改性效果，且改良親水性的最佳灰土配合比約為3∶7。

2) 由于石灰與土拌和，熟石灰與空氣中的二氧化碳發生化學反應，細小顆粒凝聚和絮聚，土結構發生變化，成為較大顆粒，影響了土的壓實性能。石灰密度比土小，而石灰產生化學反應需要消耗很多的水，故隨著石灰摻入量的增加，最大干密度不斷減小，最優含水率不斷增大。

3) 由于石灰摻入土體后，熟石灰與空氣中的二氧化碳發生化學反應，改變了土體原內部結構，使土體凝聚力更強，內摩擦角更大。隨著石灰摻入量的不斷增加，凝聚力和內摩擦角增加不少，呈現先不斷增加后緩慢減小的變化趨勢，凝聚力和內摩擦角都在灰土配合比約3∶7時，到達最大值。最后得出結論，昔格達土的最佳灰土配合比約為3∶7。

4) 通過對攀枝花某高回填邊坡實際工程的多年觀察發現，石灰與昔格達土的復合土，增強了土體的滲透力，阻止了雨水從表面滲透進入坡面內部，隔絕了雨水與坡體內昔格達土接觸，從而有效地防治了昔格達土吸水膨脹軟化等不利工程性質引起的邊坡失穩工程事故。

[1]虞躍,陳廷方,張俊,等.水玻璃改良昔格達土物理力學性質的試驗研究[J].路基工程,2010(2):84-85.

[2]賀建清,張家生.石灰改良軟土路基填料飽水強度特性研究[J].礦冶工程,2004,24(4):18-21.

[3]葉需寶.淺談石灰土在高等級公路中的應用[J].黑龍江交通科技,2006,29(7):17,19.

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[6]南京水利水電科學研究所.土工試驗技術手冊[M].北京：人民交通出版社，2003.