花崗巖殘積土路用性能石灰改良試驗研究

胡煥校，沈俊喆，孫端陽

(中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410006)

花崗巖殘積土路用性能石灰改良試驗研究

胡煥校，沈俊喆，孫端陽

(中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410006)

為了改善云母含量較高、含水率較大的粗細粒含量近似等分花崗巖殘積土路用性能，進行石灰改良處置，通過室內試驗和現場檢測，研究該石灰改良土路用性能變化規律和應用效果．試驗結果表明：隨著摻灰量增加，塑限上升、液限下降，但塑限變化大于液限；摻灰量與擊實指標關系曲線存在平緩段，此時摻灰量適中(3%-5%)；CBR (全稱California bearing ratio，是美國加利福尼亞州提出的一種評定基層材料承載能力的試驗方法)與摻灰量之間存在三次多項式關系，擬合方程參數受含水率控制，為石灰穩定土CBR強度值預估提供參考．同時探究泡水前后石灰改良土CBR強度值變化情況．對比現場試驗段檢測結果表明粗粒含量相近花崗巖殘積土改良摻灰量為5 %-6 %為宜．

石灰改良；花崗巖殘積土；路用性質

在我國高速公路建設蓬勃發展時期，路基工程領域亟需解決特殊性巖土對工程的不利影響，尤其是普遍分布的高液限花崗巖殘積土，對于該類土的處置成為高速公路建設的重要問題．花崗巖殘積土地層自上而下砂礫含量呈遞增趨勢，細粒成分主要為高嶺石、伊利石、絹云母等粘土礦物，粗粒成分主要為長石、石英、云母等成巖礦的實踐研究工作：夏明曉[1]針對黏性土路基進行了石灰改良的研究，發現10%摻量效果最佳；趙磊軍[2]對南岳地區花崗巖殘積土進行纖維、水泥物及其低風化產物，含少量鐵質礦物，路用性能不良，一般需要特殊處置才能作為路基填料，目前常用處置方法有換填、改良等，考慮到經濟性等因素，改良成為處置高液限花崗巖殘積土的首選．改良分為兩類：物理改良和化學改良，其中化學改良主要采用水泥、石灰或其它固化劑等進行處置，其中針對石灰改良，許多學者做了大量和石灰改良，并研究強度特性和干濕循環崩解特性，發現石灰改良效果最佳，最優摻入量為6 %；此外，侯江波等人[3-6]對全風化花崗巖石灰改良進行試驗分析，并取得良好的實踐效果，對全風化花崗巖石灰改良實踐具有指導意義．但花崗巖殘積土具有其特性，不同于全風化花崗巖，前者含有大量粘土礦物，風化程度高，且區別于粘性土，一般粗粒成分較多．

本文以粗細顆粒含量相近花崗巖殘積土作為研究對象，其液限超過50 %，具有含水率高、壓實困難、翻曬效果差等特點，結合前人研究并針對粗細粒含量近似等分花崗巖殘積土特點，對其進行石灰改良試驗研究．在分析素土礦物成分和基本路用性質基礎上，研究該類花崗巖殘積土石灰改良后物理力學性能的變化規律，得出改良土CBR強度與摻灰量、含水率之間的關系，對改良土強度預估具有重要意義，并針對現場應用提出指導意見．

1 花崗巖殘積土礦物成分及基本路用性質

本文石灰改良花崗巖殘積土項目依托于湖南中部某在建高速公路，公路路基范圍及周邊廣泛分布花崗巖殘積土，其中粗細顆粒含量相近殘積土占有一定比例．建設區屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，全年雨水充沛，年平均降雨量超過 1 500 mm，嚴寒期短，暑熱期長，本區地形以丘陵、崗地為主，水網密布，植被繁茂，形成有利于花崗巖風化的氣候和地質環境，經過長期的雨水沖刷和淋濾作用，地表2 m-3 m以下花崗巖風化后保留殘積土，取土面見圖1．

圖1 取樣部位

1.1 化學成分及礦物成分

選定不同路段，對花崗巖殘積土分布進行現場調研，獲取試驗土樣．對土樣進行XRF熒光光譜和XRD粉晶衍射試驗，見表1和圖2，薄片試驗觀察其原狀土細觀結構，見圖3．

表1 化學成分及其含量

圖2 礦物成分

圖3 原狀土細觀結構

土樣成分分析結果表明：(1)硅氧化物含量最多，其次是鋁氧化物，而鐵氧化物不足4 %，表明紅土化作用較弱，而鉀氧化物較多，表明含鉀礦物較多，如云母、鉀長石；(2)主要礦物成分是云母、石英和高嶺石族粘土礦物，結合其細觀結構，說明土中片狀礦物大量存在，孔隙較多，而粘土礦物含量超過30 %，填充孔隙，使土具有良好的持水能力；(3)云母中不可避免地存在絹云母，具有水化的特性，而且與高嶺石等形成絹云母粘土，對殘積土粘性、可塑性具有重要的影響；(4)長石、云母等原巖礦物產出粘土礦物，石英長石伴生，粗顆粒被包裹，形成粗顆粒為點，片狀礦物為聯結，粘土礦物充填孔隙的土體架構．

1.2 基本路用性質

依據公路土工試驗規程，對土樣分別進行篩分、液塑限、擊實和CBR強度試驗，其基本物理性質見表2．

同時，多次標準重型擊實和CBR強度試驗結果表明，最優含水率為 14.1 %，最大干密度為1.689 g/cm3；98擊下，CBR均不滿足5 %的規范要求，35擊和53擊下，含水率小于24 %才能滿足，但是相應壓實度無法滿足要求．

表2 花崗巖殘積土基本性質

圖4 標準擊實曲線

圖5 35擊、53擊、98擊下CBR曲線

2 石灰改良試驗研究

首先對石灰改良花崗巖殘積土進行室內試驗，所用石灰為Ⅱ級鈣質生石灰，石灰摻量以干土為基準．研究不同摻灰量、含水率、摻曬工藝對混合料性能影響．同時，通過現場試驗路段檢測結果，分析石灰改良花崗巖殘積土填筑效果．

試驗設計：以摻灰量為變量，摻灰量分別為0、1%、3%、5%、7%，進行3組液塑限、擊實、CBR平行試驗，結果取平均值．

2.1 石灰改良對界限含水率的影響

圖6結果表明，隨著生石灰摻量的增加，液塑限變化經歷3個階段：變化不明顯階段，變化顯著段和平緩段．其中塑限的變化明顯大于液限．塑限大幅上升，液限稍有降低，塑限指數大幅下降，從素土的23 %左右下降到14 %左右，下降9 %．石灰和土體產生了復雜的物理化學反應，石灰摻量對液塑限的影響原因主要是石灰電解出鈣離子與土顆粒表面鉀離子、鈉離子發生交換，削弱粘土礦物的粘結和吸水作用，使土體釋水并“砂化”，導致改良土達到可塑狀態所需水分更多，而粗顆粒對該作用反應不似細小顆粒那樣明顯，且土中片狀顆粒較多，所以液限不如塑限變化大，很多研究和分析[7-8]印證這一結果．

圖6 摻灰量對界限含水率影響

2.2 石灰改良對擊實性能和CBR強度影響

擊實和承載比試驗均按照標準重錘98擊進行，先對土樣進行風干處理，降低其含水率，后摻灰，燜料成樣．試驗結果如表3所示．

2.2.1 摻灰量對擊實性能影響

最大干密度和最優含水量與摻灰量的關系如圖7所示，摻灰量0 %-3 %和5 %-7 %較3 %-5 %最大干密度與最優含水量均出現變化速率大的情況，說明3 %-5 %的摻灰量對于該類花崗巖殘積土的影響存在一個“瓶頸”．最大干密度降低的原因是石灰比重比花崗巖殘積土比重小，生石灰吸水體積膨脹，同時縮小土體可塑性范圍，降低土樣粘結性；最優含水量升高則是因為石灰“砂化”作用，破壞土顆粒表面水膜，吸取土樣中自由水，從而需要更多的水潤滑才能使混合料達到最密實狀態．

2.2.1 摻灰量對CBR的影響

試驗結果表明，摻灰量、含水率不同對CBR結果影響較大：1)摻灰之后CBR強度值是素土的幾十倍；2)不同含水率下 5 %摻灰量花崗巖殘積土CBR值比其它時大，由于隨著石灰摻量的增多，氧化鈣、氫氧化鈣等化合物水合分子作用和聯結顆粒作用增強，晶體膨脹占據細微孔隙[9]，當摻灰量超過一定比例，水合晶體體積過大，聯結作用減弱，CBR值因此下降，強度降低．對于該類花崗巖殘積土，可以分析石灰摻量、含水率與CBR值的關系，圖 8是不同含水率下摻灰量與CBR值變化關系擬合曲線，擬合結果見表4．

表3 不同灰量下擊實和CBR試驗結果

圖7 摻灰量對最大干密度、最優含水率的影響

圖8 不同含水率下CBR-摻灰量曲線

表4 不同含水率下摻灰量與CBR值擬合關系

對于該類花崗巖殘積土，摻灰量和CBR擬合方程可表示為

式中：CBR為泡水4 d的CBR值，單位%；η為石灰摻量，單位 %；a、b、c、d為方程參數，經計算，參數與含水率關系如下

其中，擬合優度為 R2a=0.9783，R2b=0.7415，R2c=0.9955，R2d=0.7719，表明擬合關系良好．

本試驗所用素土為云母含量超過35 %，粘土礦物超過25%的一類粗細粒含量相近花崗巖殘積土，石灰改良試驗得到擬合關系，增加1組試驗，試驗結果符合已建立的關系，說明該擬合關系對石灰改良花崗巖殘積土 CBR強度值預估具有參考意義，并說明不同含水率下摻灰量對粗細粒相近花崗巖殘積土CBR強度值改變有規律性．

2.3 泡水對石灰改良土CBR值的影響

探究泡水對石灰改良花崗巖殘積土 CBR強度值的影響，分別進行泡水(4 d)和未泡水試樣進行CBR強度值貫入試驗．花崗巖殘積土摻入石灰后，泡水前CBR強度值小于泡水4 d試樣，從表5、圖9-圖11結果表明：(1)素土摻入石灰后，灰土發生反應并在灰土接觸部位形成阻礙二者進一步反應氫氧化鈣，從而導致石灰改良土性能的效果達不到最佳；(2)泡水以后，外來的水分與改良土中未反應的生石灰充分發生反應，并使泡水前反應生成的氫氧化鈣形成水合晶體，產生更強的粘結土顆粒的作用，所以泡水后強度大幅提高；(3)泡水 CBR強度值曲線峰值對應的含水率隨摻灰量的增加而增加，從強度極值考慮，花崗巖殘積土含水率越大，對應采用摻灰量越大．

表5 不同摻灰量下泡水與未泡水CBR強度值試驗結果

圖9 素土(0%)泡水、未泡水CBR值

圖10 3%摻灰量泡水、未泡水CBR值

2.4 試驗路段檢測

為探究石灰改良粗細粒相近花崗巖殘積土實踐效果，選定100 m×30 m的96區試驗路段，設計彎沉200×0.01 mm，按照寬度等分4%、5%、6%的3個摻灰量進行分區，每個分區為100 m×10 m．摻灰采用先翻曬后摻灰結合路拌法工藝，劃分網格計算袋裝生石灰數量，以旋耕機多次來回拌合石灰和素土(松鋪厚度25 cm)，最后采用22 t靜壓1次、振動1次、靜壓2次，第二天進行壓實度和回彈彎沉檢測．部分結果如表6所示．

圖11 5%摻灰量泡水、未泡水CBR值

圖12 7%摻灰量泡水、未泡水CBR值

路基驗收檢測結果表明，石灰改良后花崗巖殘積土壓實度和回彈彎沉值較素土填筑明顯提高，基本符合路基設計標準．對比分析 4%摻灰量區域壓實度在規定標準附近，而彎沉離散性較大；5%、6%摻灰量的區域可以滿足要求，綜合考慮采用 5%摻灰量改良粗細粒相近花崗巖殘積土是最佳選擇，應用效果好．

表6 壓實度和回彈彎沉檢測結果

3 結論

對粗細粒含量相近花崗巖殘積土進行石灰改良試驗研究，得出如下結論：

(1)由于灰土物理化學作用，摻入石灰對粗細粒含量相近花崗巖殘積土塑限提升明顯，液限稍有下降；在摻灰量與擊實性能影響試驗研究表明摻灰量5 %時曲線段斜率出現轉折，表明在摻灰量5 %附近石灰改良土擊實性能較好；

(2)建立了改良粗細粒含量相近花崗巖殘積土石灰摻量與CBR強度值擬合多項式關系，方程中參數受含水率控制，三者擬合關系良好，可為石灰改良土CBR強度值預估提供參考；隨著摻灰量增加，改良土CBR強度值先增大后減小，主要是隨著石灰摻量增多，氧化鈣、氫氧化鈣等化合物水合分子作用和聯結顆粒作用增強，晶體膨脹占據細微孔隙，當摻量超過一定比例，水合晶體體積過大，聯結作用減弱，CBR強度值下降；

(3)石灰改良粗細粒含量相近花崗巖殘積土充分與水接觸(泡水)，CBR強度值大幅提高，表明石灰利于改良類似高含水率花崗巖殘積土；改良粗細粒含量相近花崗巖殘積土路基填筑現場試驗段檢測效果良好，摻灰量為5 %和6 %為宜．

[1]夏明曉. 黏性土路基加固改良實驗研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2006.

[2]趙磊軍. 改良花崗巖殘積土強度特性及崩解特性的研究[D].湘潭: 湖南科技大學, 2015.

[3]侯江波, 王永和, 蔡君君, 等. 全風化花崗巖石灰改良土室內試驗分析[J]. 公路, 2009(4): 213-216.

[4]周援衡, 王永和, 何群, 等. 全風化花崗巖改良土路基的長期穩定性試驗研究[J]. 巖土力學, 2011, 32(增1): 596-602.

[5]劉剛, 劉建華.全風化花崗巖路基處治對比分析[J]. 公路,2012(11): 204-208.

[6]許魁, 過年生, 黃杰. 全風化花崗巖路基改良土試驗研究[J].公路工程, 2012, 37(3): 168-172.

[7]Bell F G. Lime stabilization of clay minerals and soils[J].Engineering Geology, 1996, 412(4): 223-237.

[8]Locat J, Tremblay H, Lerouueil S. Mechanical and hydraullic behavior of a soft inorganic clay treated with lime[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1996, 33(4): 654-669.

[9]張小平, 施斌, 陸現彩. 石灰改良膨脹土微孔結構實驗研究[J].巖土工程學報, 2003, 25(6): 761-763.

[10]Zhang Xiaoping, Shi Bin, Lu Xiancai. Experimental study on micro-pore structure of expansive soil improved by lime[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2003, 25(6):761-763

(責任編校：徐贊)

Experimental Study on Road Performance of Granite Residual Soil with Lime Improvement

HU Huan-xiao,SHEN Jun-zhe,SUN Duan-yang
(School of Geoscience and Info-Physics, Central South University, Changsha, Hunan, 410006, China)

In order to improve the road performance of a certain kind of granite residual soil with high mica content and water content, lime improved method is adopted. Through indoor tests and field examinations, change regularity and application effect of lime-stabilized soil road performance have been studied. The results reveal that plastic limit rises and liquid limit decreases, but the variation range of plastic limit is greater than liquid limit ; the curves of lime dosage with maximum dry density and optimum moisture content appear flat section and this moment the range of lime dosage is 3 % to 5 %; there exists three polynomial relation between CBR value and lime content, and the parameters in the fitting equations are controlled by water content , which provides reference for prediction of CBR strength of lime stabilized soil.In addition, the changes of lime improved soil CBR value no mater it is soked or not have been analyzed.Finally according to the field tests, the results provide guidance for the lime-stabilized treatment and utilization of granite residual soil.

lime improvement; granite residual soil; road performance

U416.03

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.02.0003

1672–7304(2017)02–0010–06

2017-03-06

胡煥校(1968-)，男，浙江慈溪人，教授，博士生導師，主要從事地質工程、巖土工程方面研究；沈俊喆(1991-)，男，湖南益陽人，碩士研究生，主要從事巖土工程研究，E-mail: csugeosjz@163.com.