生石灰改良滇中高液限土試驗研究

楊元周，楊乾偉，郭彪

(重慶市勘測院，重慶 401121)

1 引 言

高液限土用作路基填料，因其過高的天然含水量及液塑限而難以直接填筑壓實，承載性能低，同時路基的性能易受自然氣候環境變化的影響而發生劣化，高液限土路基易于失水收縮開裂，復浸水后再失水收縮將進一步加深加寬開裂，不斷削弱路基的強度及穩定性能。因此規范規定高液限土不得直接作為路堤填料。

在滇中的公路、市政道路建設中，遇到的高液限土路基填筑問題越來越突出，滇中高液限紅黏土分布廣泛，借用符合要求的路基填料需要遠距離調運，且挖方高液限土數量巨大，廢棄很不經濟，因此研究高液限土的改良及利用十分必要。

關于紅黏土及高液限土改良及處治技術，許多學者進行了有益的改良試驗和工程應用探索，積累了較為豐富的改良方案，總結了很多有效的工程措施。施燦海等[1]研究了纖維、纖維水泥對云南紅黏土強度的影響。葉瓊瑤等[2]通過對高液限紅黏土摻加不同比例的砂礫、石灰、粉煤灰、二灰、水泥及“康耐”改良劑等進行液限、塑限、CBR等試驗，研究了廣西全興高速公路紅黏土的路用性能改良效果。劉春原等[3]針對高液限黏土穩定性差的性質，添加石灰，研究其混合土料的強度變化規律。徐勇等[4]通過重型擊實試驗和無側限抗壓強度試驗，研究了不同石灰摻入量及不同養護時間對石灰土的最大干密度、最優含水率及無側限抗壓強度的影響。劉寶臣等[5]采用水泥攪拌法對桂林軟弱紅黏土無側限抗壓強度、抗剪強度、抗拉強度與水泥摻入比、齡期的關系等主要力學性質進行室內試驗研究。程濤等[6]對廣東省云羅高速沿線9組代表性高液限土進行了摻水泥0%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%后的承載比試驗。欒傳寶[7]以呼和浩特地區的紅黏土為原材料，用粉煤灰改變紅黏土的性質，重點研究粉煤灰對紅黏土強度及含水量的影響。張金利等[8]通過多種試驗研究了聚丙烯纖維紅黏土的力學特性。

以上研究表明，關于高液限土改良技術，石灰、水泥、粉煤灰、NCS、礦渣、砂礫料等改良方法在一定程度上均能達到良好的技術效果，而每種改良方法有其適用范圍和條件，由于路基填筑中涉及的工程量巨大，因此改良方案的選擇及推廣還常常受限于方案的經濟效益，為此已有的工程實踐中最常用的改良方法為砂礫石和石灰改良。鑒于改良方案的經濟技術優越性，結合地區特點及沿線建材情況，本文采用生石灰添加劑對滇中高液限土進行改良研究，通過系統的路用物理力學實驗，論證其改良效果。

2 試驗材料及試驗內容

試驗采用云南玉溪至楚雄高速公路沿線高液限土，紅褐色，天然含水率28%～32%，液限61%，塑限27%，塑性指數34。

擬采用加入1%、3%、5%、8%生石灰(干質量之比)幾種改良方案進行試驗研究，為進行對比，同時對素土進行試驗研究。試驗包括擊實試驗、CBR試驗、回彈模量試驗、收縮試驗以及干濕循環試驗等。系統評價生石灰改良滇中高液限土的改良效果。

3 擊實試驗

對素土以及加入1%、3%、5%、8%生石灰的高液限土進行標準擊實試驗，擊實曲線如圖1所示。從圖可知各改良方案的最佳含水率以及最大干密度如表1所示，可以看出，隨著生石灰加入量的增加，土樣的最佳含水率逐漸增大，而最大干密度則逐漸減小。由于玉楚高速高液限土的天然含水率較高，一般在28%～32%，遠高于最佳含水率，而要降低其天然含水率是較為困難的，需要大量的粉碎、翻曬工作，因此從滿足最佳含水率方面來說，對高液限土進行改良時，生石灰加入量越多越好。

圖1 擊實曲線

不同配比試樣最大干密度與最佳含水率 表1

4 CBR試驗

CBR值是土體承載性能的重要指標。對素土以及加入1%、3%、5%、8%生石灰的高液限土進行CBR試驗貫入力與貫入量曲線如圖2所示。

圖2 不同摻灰比條件下改良紅黏土貫入力與貫入量曲線

根據圖2進行進一步計算，可以得到各改良方案的高液限土的CBR值見表2及圖3所示。可以看出，相比素土來說，加入1%的生石灰后試樣的CBR值從6增大到41.71，增大幅度達695%，改良效果非常顯著，進一步將生石灰的加入量增加到3%后，試樣的CBR值進一步增長到50.06，但當石灰摻量增加到5%、8%時，試樣CBR值并沒有增加，反而有一定程度的降低。可見，從提高土體CBR值角度，最優的生石灰摻量在3%左右。

不同改良方案下試樣CBR值 表2

圖3 不同配比試樣的CBR值

在進行CBR試驗時同時測試了試樣的膨脹率如圖4所示，可以看出，加入生石灰后，高液限土的膨脹率大幅下降，石灰加入越多，膨脹率越小，但差別不明顯。

圖4 不同配比試樣的膨脹率

5 回彈模量試驗

對素土及加入1%、3%、5%、8%的高液限土進行回彈模量試驗，單位壓力與回彈變形的關系曲線如圖5所示。

圖5 不同配比試樣的單位壓力與回彈變形曲線

不同配比試樣的回彈模量 表3

根據圖5進一步分析計算，可得到各配比試樣的回彈模量見表3及圖6所示。可以看出，添加生石灰可以明顯提高高液限土的回彈模量，石灰加入越多，回彈模量越大，不過當石灰含量大于3%時，回彈模量的增長率明顯降低，因此從提高路基回彈模量角度，最優的石灰摻量也在3%左右。

圖6 不同配比試樣的回彈模量變化曲線

6 收縮試驗

為了檢驗生石灰改良高液限土的失水收縮特性，對素土及加入1%、3%、5%、8%的改試驗進行標準收縮試驗，各配比試樣的含水率與線縮率關系曲線如圖7所示。

根據圖7進一步分析計算，可得到不同配比條件下高液限土的收縮系數見表4及圖8所示。可以看出，素土的收縮系數達0.402，加入石灰改良后，收縮系數顯著減小，石灰含量越大，效果越明顯，當加入8%石灰時，收縮系數僅0.09。說明加入生石灰能夠有效抑制高液限土遇水膨脹，失水收縮開裂的不利特征。

圖7 不同配比試樣含水率與線縮率關系曲線

不同配比試樣收縮系數 表4

圖8 不同配比試樣收縮系數變化曲線

7 干濕循環試驗

以上試驗結果表明，加入生石灰可以顯著增大高液限土的CBR值及回彈模量，并明顯減小試樣的膨脹系數及收縮系數，顯著改善高液限土的路用性能。不過，道路處于野外環境，直接受氣候影響，為了檢驗石灰改良后的高液限土在干濕交替作用下的長期性能，對素土試樣及加入3%生石灰的高液限土試樣，進行5次干濕循環后進行CBR試驗以及回彈模量試驗。5次干濕循環后素土及改良土的貫入力與貫入量曲線如圖9所示，單位壓力與回彈變形的關系曲線如圖10所示。

由圖9、圖10進行進一步計算分析，進行5次干濕循環后，素土的CBR值由6.0衰減為2.21，衰減率達63.2%，回彈模量由 120.7 MPa衰減為25，衰減率為79.3%。而加入3%生石灰的試驗測CBR值由50.06增長為68.0，增長率為34.8%，回彈模量由 202.3 MPa增長到 239.4 MPa，增長率為18.3%。這表明，不進行改良時，高液限土在干濕循環作用下的性能迅速劣化，引起嚴重的路基病害，因此高液限土不能直接用于路基填筑。而加入生石灰改良后，在5個干濕循環周期后，改良土的性能不僅沒有衰減，反而有一定的增強，這是因為在進行干濕循環過程中，生石灰繼續與土體進行化學反應，性能得到進一步增強，因此，采用生石灰對高液限土進行改良，不僅可顯著增強其短期性能，對高液限土的長期性能的增強作用更加明顯，改良后高液限土可以滿足路基填筑要求。

圖9 5次干濕循環后試樣貫入力與貫入量曲線

圖10 5次干濕循環后試樣單位壓力-回彈變形曲線

8 結 論

本文針對滇中高液限土，對不同生石灰摻量的改良土進行了擊實試驗、CBR試驗、回彈模量試驗、收縮試驗以及干濕循環試驗，系統評價了生石灰對滇中高液限土的改良效果，得到以下結論：

(1)滇中高液限土生石灰最優摻量為3%左右。

(2)生石灰對滇中高液限土CBR值改良效果非常顯著，相比素土來說，加入1%的生石灰后試樣的CBR值從6增大到41.71，增大幅度達695%，進一步將生石灰的加入量增加到3%后，試樣的CBR值進一步增長到50.06，但當石灰摻量增加到5%、8%時，試樣CBR值并沒有增加，反而有一定程度的降低。

(3)加入生石灰后，高液限土的膨脹率大幅下降，石灰加入越多，膨脹率越小，但差別不明顯。

(4)添加生石灰可以明顯提高高液限土的回彈模量，石灰加入越多，回彈模量越大，不過當石灰含量大于3%時，回彈模量的增長率明顯降低。

(5)加入石灰改良后，高液限土收縮系數顯著減小，石灰含量越大，效果越明顯。

(6)高液限土在干濕循環作用下的性能迅速劣化，而加入生石灰改良后，在5個干濕循環周期后，改良土的性能不僅沒有衰減，反而有一定的增強，因此，采用生石灰對高液限土進行改良，不僅可顯著增強其短期性能，對高液限土的長期性能的增強作用更加明顯，改良后高液限土可以滿足路基填筑要求。