基于不同石灰摻量和養(yǎng)護(hù)時間的分散性路基土性能研究

張黎明 路再紅 李文舉

摘要：為降低分散性土的分散度，提高分散性土的性能，使其更好地應(yīng)用于工程實踐中，文章采用不同石灰摻量（干土質(zhì)量的3%、5%、7%、9%）和養(yǎng)護(hù)時間（7 d、14 d）改善分散性路基土的性能，研究不同石灰摻量和養(yǎng)護(hù)時間對分散性路基土各項性能（分散度、化學(xué)特性、壓實度、粒徑分布、無側(cè)限抗壓強度、加州承載比）的影響。結(jié)果表明：摻入石灰可以有效降低分散性路基土的分散度；增加石灰摻量或養(yǎng)護(hù)時間可提高分散性路基土的最佳含水率，降低其最大干密度；隨著石灰摻量的增加，分散性路基土的液限和塑性指數(shù)均有所下降，塑限略有提高；石灰使得分散性路基土粒徑分布發(fā)生變化，黏土組分減少，砂礫組分增加；石灰的摻入提高了分散性路基土的無側(cè)限抗壓強度和加州承載比值（CBR）。

關(guān)鍵詞：分散性路基土；石灰改性；養(yǎng)護(hù)時間；加州承載比；無側(cè)限抗壓強度

中圖分類號：U416.03 A 30 095 4

0 引言

近年來，許多分散性土工程遭受到破壞，逐漸引起工程界的重視。分散性土屬于一種水敏感性土，由于含水量和交換性鈉的差異，遇水則散，抗沖蝕能力差，很容易被分散和沖蝕［1］。分散性土在含鹽量較低的水中，細(xì)顆粒之間的粘聚力大部分或全部消失，呈團(tuán)聚體存在的顆粒體就會自行分散成原級的黏土顆粒，導(dǎo)致土體自行分解［2］。分散性土危害極大，容易造成堤壩管涌、路基失穩(wěn)定等，誘發(fā)工程事故。然而，分散性土在世界各地分布廣泛，是工程建設(shè)就地取材的主要材料，一般工程不可避免地要使用分散性土作為筑基、筑壩、筑堤等原材料［3］。

分散性土最早由土壤學(xué)家在20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)，并研究了其分散的原因。1949年美國俄克拉荷馬州Wister大壩發(fā)生嚴(yán)重破壞，對公路的路基沖刷破壞進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)采用分散性土作為防滲材料是造成路基沖刷破壞的主要原因，分散性土逐漸引起國內(nèi)外科研人員的重視［4］。科研人員通常采用鈉離子吸附比（SAR）、交換性鈉離子百分比（ESP）、雙比重法、針孔試驗、碎塊試驗等方法來確定土體的分散性［5］。VAKILI采用硅酸鹽水泥和火山灰作為添加劑對分散性土壤進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)單獨摻入3%的硅酸鹽水泥和5%的火山灰更有利于土壤分散性的消除［6］。化學(xué)穩(wěn)定法是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的土壤處理方法，目前多采用化學(xué)的方法對分散性土進(jìn)行改性，一般采用水泥、石灰、硫酸鋁、粉煤灰、氯化鋁、氯化鈣等多種材料。經(jīng)過合理改性的分散性土，能夠用于工程，保證工程的安全。

為此，本文針對石灰摻量和養(yǎng)護(hù)時間對分散性土性能進(jìn)行研究，系統(tǒng)分析石灰摻量和養(yǎng)護(hù)時間對分散性土壤的影響規(guī)律，針對摻入石灰后分散性土壤的分散性、化學(xué)特性、壓實度、粒徑分布、無側(cè)限抗壓強度和CBR等進(jìn)行評價。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 土壤

土壤采用廣西地區(qū)分散性土，該土壤在干燥的情況下，具有足夠的強度，但隨著水分的增加，逐漸失去強度。5個取土坑分別簡寫為P-1、P-2、P-3、P-4、P-5。

1.1.2 熟石灰

生產(chǎn)熟石灰［Ca（OH）2］的主要原料是石灰石，熟石灰由廣西惠泰通建材有限公司提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 分散度

分散度試驗參照《用雙比重計測定黏土的分散特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》（ASTM D4221-2017）進(jìn)行，雙比重計試驗是對土樣進(jìn)行兩次比重計試驗來測定黏粒（<0.005 mm）的含量。第一次是常規(guī)的加分散劑、煮沸、攪拌的方法，得到一條曲線；第二次不加分散劑，先將土樣放在盛有一定量純水的抽濾瓶中，并與真空泵相連接抽氣10 min，然后把土水懸液沖洗到量筒中，加純水至1 000 mL，倒轉(zhuǎn)量筒30次并來回?fù)u晃，讓黏土顆粒自行水化分散，得到另一條曲線。求得兩次試驗的黏粒含量，根據(jù)式（1）計算分散度：

分散度=非常規(guī)試驗測定的黏粒（＜0.005 mm）含量常規(guī)試驗測定的黏粒（＜0.005 mm）含量（1）

1.2.2 離子含量

土壤化學(xué)分析參照《用原子吸收分光光度法測定淡鹽水，海水和濃鹽水中鋰離子，鉀離子和鈉離子含量的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》（ASTM D3561-2011）進(jìn)行，用原子吸收光譜對鈣、鎂、鉀、鈉離子含量進(jìn)行分析。

1.2.3 阿特伯格極限

參照《耐火極限檢驗檢測》（ISO TS 17892-12-2004）對土壤進(jìn)行液限、塑限、塑性指數(shù)試驗。

1.2.4 壓實度

參照《用標(biāo)準(zhǔn)作用力測定土壤實驗室壓實特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》（ASTM D698）進(jìn)行擊實試驗，繪制擊實曲線，確定土壤的最佳含水量和最大干密度。

1.2.5 無側(cè)限抗壓強度

土壤的無側(cè)限抗壓強度參照《黏性土的無側(cè)限抗壓強度的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》（ASTM D2166M-2016）進(jìn)行分析，其在加載試驗期間不排出水，并在卸掉限制壓力后保持固有強度。

1.2.6 CBR

CBR參照《實驗室壓實土壤的加州承載比（CBR）的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》（ASTM D1883-2016）進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙比重計試驗

雙比重計試驗結(jié)果判定見表1，取土坑土樣在雙比重計試驗中的測量結(jié)果見表2。

基于不同石灰摻量和養(yǎng)護(hù)時間的分散性路基土性能研究/張黎明，路再紅，李文舉

2.2 土壤化學(xué)分析

將1 g樣品放入250 mL的消化瓶中，在未沸騰的條件下加入10 mL 50%的HNO3加熱到95 ℃；冷卻后，加入65%的HNO3進(jìn)行回流，直到?jīng)]有棕色煙霧從樣品中升起；再次冷卻后，緩慢加入10 mL 30%的H2O2，加入過程中，H2O2不得有損失；加入10 mL 37%的HCl進(jìn)行回流，在95 ℃下持續(xù)15 min；用0.45 μm濾紙過濾溶液，然后用去離子水稀釋至100 mL，保持稀釋的溶液在4 ℃；用原子吸收光譜對濾液中的鈣、鎂、鉀、鈉進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

由表3可知：土壤的分散性主要是由于結(jié)構(gòu)中存在交換性鈉，鈉含量高使土壤更加分散。因此，鈉吸收比（SAR）和鈉百分比（PS）是用于檢查分散性土壤化學(xué)相容性的兩個重要參數(shù)。

2.3 路基土的分類

各個取土坑土樣的基本特性及分類見表4。

由表4可知：每個取土坑采集到的具有代表性的土樣分散度均＞50%，為分散性土，經(jīng)濕篩粒度分析，細(xì)粒土通過0.075 mm篩孔的比例均＞67%。依據(jù)AASHTO和USCS土壤分類系統(tǒng)，土樣在AASHTO系統(tǒng)中均屬于高塑性黏土，在USCS系統(tǒng)中為高塑性黏土（CH）和高塑性粉土（MH）。

雙比重計和可交換鈉離子含量在土壤的鑒別和分類中起著重要的作用。交換性鈉百分比與分散度呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)線性關(guān)系，即交換性鈉百分比越大，土體的分散度越強。其主要原因是土粒擴(kuò)散層越厚，顆粒間的引力越小，土的分散性就越強。

2.4 石灰對分散性路基土分散度的影響

通過雙比重計試驗對石灰改善分散性路基土進(jìn)行研究，試驗結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明：在7 d養(yǎng)護(hù)期內(nèi)，隨著石灰摻量的增加，土壤分散度不斷降低，由69.2%下降到42.6%。

2.5 養(yǎng)護(hù)時間對分散性路基土分散度的影響

養(yǎng)護(hù)時間的增加會提升土體的強度，然而分散度的降低程度是不確定的。采用不同的石灰摻量（3%、5%、7%和9%），分別養(yǎng)護(hù)5 d、7 d、14 d，通過雙比重試驗分析養(yǎng)護(hù)時間對分散度和石灰穩(wěn)定過程的影響。摻入石灰后土樣的分散度評價見表5，不同石灰摻量和養(yǎng)護(hù)時間下，2號取土坑土樣的分散度見圖2。

由圖2可知：隨著石灰摻量和養(yǎng)護(hù)時間的增加，分散度呈下降趨勢。相同石灰摻量下，養(yǎng)護(hù)時間越長，分散度越低。表5中亦表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

2.6 石灰對分散性路基土化學(xué)性質(zhì)的影響

不同石灰摻量下，分散性土壤中游離陽離子隨養(yǎng)護(hù)時間的變化情況見表6和表7。

由表6和表7可知：鈉離子濃度被石灰提供的鈣離子所取代，隨著石灰摻量的增加，SAR和SP值逐漸變小，土壤劃分為非分散性土。

2.7 石灰對分散性路基土阿特伯格極限的影響

通過阿特伯格極限試驗研究了石灰摻量和養(yǎng)護(hù)時間對土壤塑性的影響，試驗結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3可知：隨著石灰摻量從3%增加到9%，土的液限和塑性指數(shù)均有所下降，塑限略有提高。隨著石灰摻量的增加，黏土含量降低，粗顆粒數(shù)量相應(yīng)增加。當(dāng)石灰摻量為7%時，塑性指數(shù)降為8.22，此后隨著石灰摻量的增加，塑性指數(shù)不再發(fā)生變化。

由圖4可知：在天然土樣中添加石灰，降低了土樣的液限，提高了土樣的塑限，從而降低了土樣的塑性指數(shù)；7%摻量石灰改性的土樣在養(yǎng)護(hù)14 d后，塑性指數(shù)接近于0；7%石灰摻量是顯著降低分散性路基塑性指數(shù)的最佳摻量。

2.8 石灰對路基土壓實度的影響

不同石灰摻量的MH土養(yǎng)護(hù)14 d的擊實曲線見圖5。

由圖5可知：隨著石灰摻量的遞增，土樣的最佳含水率從22.80%提高到30.23%，最大干密度從1.66 g/cm3降低到1.50 g/cm3。

2.9 石灰對路基材料粒徑分布的影響

不同石灰摻量的分散性路基土養(yǎng)護(hù)7 d的粒徑分布曲線見圖6，不同摻量石灰處理的分散性土壤的分類見表8，摻入石灰養(yǎng)護(hù)7 d和14 d分散性土壤性質(zhì)見表9。

由表8可知：不同石灰摻量路基CH土養(yǎng)護(hù)7 d，黏土組分從41.21%減少到19.57%，砂組分從29.4%增加到55.8%，碎石從0增加到3.26%，這是由于絮凝反應(yīng)，黏土組分減少，砂礫組分增加。由表9可知：隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，土壤的液限降低，塑限升高，塑性指數(shù)降低。

由圖6可知：9%石灰摻量的土樣按照AASHTO分類為A-5，將土壤顆粒從A-7-5變?yōu)锳-5和A-2-4的最佳石灰用量為7%～9%。

2.10 石灰對路基土無側(cè)限抗壓強度的影響

天然路基土無側(cè)限抗壓強度為55～100 kPa，為中等路基質(zhì)量。由于石灰摻量和養(yǎng)護(hù)時間的不同，石灰處治的天然路基土強度有很大差異。不同石灰摻量的路基在不同養(yǎng)護(hù)時間（5 d、7 d、14 d）的無側(cè)限抗壓強度見表10。

由表10可知：養(yǎng)護(hù)時間相同的情況下，石灰摻量越高，路基土的無側(cè)限抗壓強度越高，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，路基土的無側(cè)限抗壓強度逐漸升高。熟石灰是穩(wěn)定分散性土壤的合適添加劑，在石灰摻量為9%時，可獲得較高的強度。

2.11 石灰對路基CBR的影響

不同石灰摻量的路基在不同養(yǎng)護(hù)階段（7 d、14 d）的CBR值見后頁表11。

由表11可知：養(yǎng)護(hù)7 d時，隨著石灰摻量的增大，CBR值從3%提高到6%。養(yǎng)護(hù)14 d時，隨著石灰摻量的增大，CBR值從3%提高到22.31%。石灰的最佳摻量為7%～9%，在石灰摻量為9%時，路基土的CBR值在7 d和14 d均有顯著提高。

3 結(jié)語

（1）石灰在穩(wěn)定分散性路基土方面具有較好的效果，隨著石灰摻量和養(yǎng)護(hù)時間的增加，土壤的分散度呈下降趨勢。當(dāng)石灰摻量增加到9%，養(yǎng)護(hù)7 d時，2號取土坑土樣分散度由69.2%下降到42.6%，養(yǎng)護(hù)14 d時，由69.2%下降到33.2%。

（2）交換性鈉百分比與分散度呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)線性關(guān)系，交換性鈉百分比越大，土體的分散度越強。隨著石灰摻量的增加，鈉離子濃度被石灰提供的鈣離子所取代，SAR和SP值逐漸變小，土壤劃分為非分散性土。

（3）石灰摻量從3%增加到9%，土的液限和塑性指數(shù)均有所下降，塑限略有提高。當(dāng)石灰摻量為7%時，塑性指數(shù)降為8.22，此后隨著石灰摻量的增加，塑性指數(shù)不再發(fā)生變化。7%石灰摻量是顯著降低分散性路基塑性指數(shù)的最佳摻量。

（4）隨著石灰摻量的遞增，土樣的最佳含水率從22.80%提高到30.23%，最大干密度從1.66 g/cm3降低到1.50 g/cm3。

（5）由于絮凝反應(yīng)，黏土組分減少，砂礫組分增加。不同石灰摻量CH路基土養(yǎng)護(hù)7 d，黏土組分從41.21%減少到19.57%，砂組分從29.4%增加到55.8%，碎石從0增加到3.26%。

（6）熟石灰是穩(wěn)定分散性土壤的合適添加劑，隨著石灰摻量和養(yǎng)護(hù)時間的增加，路基無側(cè)限抗壓強度和CBR呈上升趨勢。石灰摻量為9%，養(yǎng)護(hù)14 d的MH路基土，無側(cè)限抗壓強度為237.62 kPa，CBR值為22.31%，兩者均有顯著提高。

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收稿日期：2023-09-15