干密度對石灰改良黃土滲透性及強度的影響研究

張 超

（甘肅省疏勒河流域水資源利用中心，甘肅 酒泉 735211）

0 引言

黃土在我國分布廣泛且具有膠結性弱、水敏性強和欠壓密等不良工程性質[1]，遇水后其結構發生破壞，強度顯著降低，易引起地基沉陷、邊坡失穩和建筑物開裂等問題，嚴重影響渠道、公路等工程構筑物的使用安全的使用壽命。為了提高黃土的強度和穩定性，通常采用水泥、粉煤灰和石灰等材料對其進行改良。楊忠誠等[2]設計了不同配合比條件下改良黃土的物理力學試驗，分析了水泥摻量與養護齡期等對改良黃土的壓縮系數、壓縮模量及強度的影響規律。鐘秀梅等[3]在不同干濕循環周期條件下開展改良黃土的動三軸試驗，分析了粉煤灰改良黃土的動殘余變形和動強度演化規律，提出了粉煤灰改良黃土的最優配比。李萍等[4]研究發現，摻入石灰后，黃土的CBR 值對水的敏感性顯著減小。夏瓊等[5]依托于蘭新鐵路蘭武復線工程，通過改良黃土的無側限抗壓強度試驗，研究了石灰、粉煤灰和水泥改良黃土的強度特性與水穩性。李志清等[6]研究了石灰粉煤灰改良黃土的抗剪強度及崩解特性，并提出了黃土改良的最佳方案。梁志超等[7]針對非飽和黃土的增濕變形問題，進行了石灰改良黃土的壓縮試驗，結果表明干密度對石灰改良黃土的變形特征影響較大且石灰可有效地消除黃土的濕陷性。王翰越和蔣應軍[8]通過凍融循環試驗，研究了石灰改良黃土路基填料的抗凍性能并提出了改良黃土合理的石灰摻量。周建基等[9]在飽和、非飽和2 種狀態下進行了石灰改良黃土的固結試驗，分析了石灰摻量對改良黃土的壓縮性能的影響。

以上成果為黃土改良的理論研究與工程應用奠定了較好的基礎。文章以渠基黃土為研究對象，設計不同干密度和石灰摻量條件下改良黃土的滲透試驗和無側限抗壓強度試驗，研究干密度和石灰摻量對黃土滲透性和強度的影響規律，以期為實際工程提供一定參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試驗土樣

試驗所用黃土樣品取自某渠道綜合改造工程現場，取樣深度為0.5 m。土樣呈淺黃褐色，土質均勻疏松，較為濕潤。根據室內標準擊實試驗[10]測試得到黃土的最大干密度和最優含水率，擊實曲線如圖1 所示。采取液塑限聯合測定法測定土樣的液限、塑限，采用密度計法測試并統計土樣的顆粒粒徑分布情況如圖2 所示，得到土樣的基本物理指標見表1。

表1 土樣基本物性指標

圖1 土樣顆粒粒徑分布曲線

圖2 土樣擊實曲線

1.2 重塑黃土和石灰改良黃土的擊實試驗

根據《土工試驗方法標準》[10]將取回的土樣烘干、碾碎后過2 mm 篩，進行重塑黃土和石灰改良黃土的擊實試驗，研究石灰摻量對黃土擊實特性的影響。試驗時設置石灰與黃土的質量比分別為0%（重塑黃土）、3%、6%、9%、12%、15%，測試得到重塑黃土和石灰改良黃土的擊實曲線如圖3所示。

圖3 不同石灰摻量下土樣的擊實曲線圖

根據圖3 和圖4 可知，重塑黃土的最優含水率為14.79%，最大干密度為1.82 g∕cm3。摻入石灰后，土樣的擊實曲線發生了明顯的變化。隨著石灰產摻量的增加，改良黃土的最大干密度逐漸減小，最優含水率逐漸增加。當石灰摻量從0%增加至15%時，黃土的干密度從1.82 g∕cm3減小至1.68 g∕cm3，減小了7.7%；最優含水率從14.79%增大至19.29%，增大了30.4%。原因是石灰密度相比于黃土較小，摻入黃土后導致其干密度隨石灰摻量增加而減小。同時，石灰顆粒吸附水的能力強于黃土顆粒并吸水后發生化學反應，導致改良黃土的最優含水率隨石灰摻量增加而增大。另外，當石灰摻量大于9%時，改良黃土的最優含水率基本不再發生變化，這是因為石灰摻量過多時石灰與黃土的反應不充分而導致的。

圖4 土樣擊實特性隨石灰摻量變化規律

1.3 試驗設計與試樣制備

為了分別研究干密度和石灰摻量對改良黃土滲透性和強度的影響，采用TST-55 型滲透試驗儀，開展重塑黃土和改良黃土的室內變水頭滲透試驗；采用應變控制式三軸儀進行無側限抗壓強度試驗，加載速率為0.1 mm∕min。根據2.2 節中擊實試驗得到的重塑黃土和改良黃土的擊實參數，設計試驗方案見表2。

表2 試驗方案

根據表2 中設置的條件，制備不同工況的黃土試樣，開展滲透試驗和無側限抗壓強度試驗。重塑黃土試樣制備時，設置含水率為14.79%，干密度為1.65g∕cm3，加水拌勻后將土樣裝入塑料袋并密封24 h后，制備不同試驗所需的重塑黃土試樣。改良黃土試樣制備時，按照表2中設置含水率與石灰摻入比例，將石灰摻入黃土后拌勻，然后制備滲透試驗和無側限抗壓強度試驗所需試樣，試驗前需將試樣養護14 d。

2 試驗與結果分析

2.1 石灰摻量及干密度對改良黃土滲透特性影響

為了研究石灰的摻量和干密度對改良黃土滲透性的影響，將土樣制成直徑61.8 mm，高40 mm 的圓柱形試樣，采用TST-55型滲透儀進行變水頭滲透試驗，得到滲透系數隨石灰的摻量和制樣干密度的變化曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 滲透系數隨石灰摻量的變化規律

圖6 滲透系數隨干密度的變化規律

由圖5可知，改良黃土的滲透系數隨石灰摻量的增加先增大后減小，但均小于重塑黃土（石灰摻量0%）的滲透系數，表明石灰對黃土滲透系數影響較大，能夠明顯改善黃土的滲透性。在干密度為1.65 g∕cm3的條件下，重塑黃土的滲透系數為13.16×10-7cm∕s，摻入石灰后改良黃土的滲透系數降低至5.54×10-7～8.15×10-7cm∕s。相比于重塑黃土，當石灰摻入量分別為3%、6%、9%時，滲透系數分別降低了40.07%、56.84%、59.26%。分析其原因是，石灰比重及顆粒粒徑較小，摻入黃土后能夠充填黃土孔隙，減小滲水通道。同時，石灰遇水后反應生成Ca（OH）2，隨后與空氣中的CO2發生碳酸化反應，生成CaCO3膠結物[11]，填充土體孔隙并吸附于土顆粒表面，使得土體孔隙減小，膠結物將會不斷充填孔隙并有效地堵塞水分滲流通道，使得土體內部孔隙的連通性降低，導致改良黃土滲透系數減小。石灰摻量繼續增加，改良黃土的滲透系數開始增大，石灰摻量為15%時改良黃土的滲透系數增加至7.15×10-7cm∕s，但仍小于重塑黃土的滲透系數。原因是，土體中水分含量有限，過量的石灰并不能完全發生反應，導致土體的黏結性變差，滲透系數有所增加。

圖6所示為石灰摻入量為6%時，改良黃土的滲透系數隨干密度的變化規律。可知，隨著干密度增大，改良黃土的滲透系數逐漸減小。當干密度從1.48 g∕cm3增加至1.73 g∕cm3時，石灰摻量6%時滲透系數從41.2×10-7cm∕s 降低至3.52×10-7cm∕s，減小了91.46%。原因是，干密度增大時，改良黃土密實度明顯增加，土顆粒空間排列發生變化，土體結構由疏松逐漸轉變為致密，孔隙率逐漸減小，土中滲水通道減小，導致改良黃土的滲透系數隨干密度增大而顯著減小。同時，觀察發現，當干密度從1.48 g∕cm3增加至1.78 g∕cm3時，改良黃土的滲透系數從41.2×10-7cm∕s 降低至12.8×10-7cm∕s，減小了28.4×10-7cm∕s；當干密度從1.63 g∕cm3增加至1.73 g∕cm3時，其滲透系數從5.63×10-7cm∕s 降低至3.52×10-7cm∕s，減小了2.11×10-7cm∕s。表明干密度對改良黃土滲透性的影響主要集中在較低干密度范圍，尤其干密度從1.48 g∕cm3增加至1.53 g∕cm3時影響最顯著，當干密度繼續增加時，滲透系數逐漸保持穩定。原因是，在較低干密度范圍內，改良黃土顆粒結構排列較為疏松[12]，內部孔隙連通性好，使得土體滲透系數較大。隨著干密度增大，土體受到壓實作用的影響愈顯著，結構趨于穩定，土體中原有的孔隙和水分擴散通道進一步縮小，滲透系數變化幅度逐漸穩定。

2.2 石灰摻量及干密度對改良黃土強度的影響規律

為了研究石灰摻量和制樣干密度對改良黃土強度特性的影響，根據表2中設置的條件，將土樣制成直徑31.9 mm，高80 mm 的圓柱形試樣，采用應變控制式三軸儀進行改良黃土的無側限抗壓強度試驗，試驗時控制加載速率為0.1 mm∕min。根據試驗結果，得到石灰摻量和干密度對改良黃土的無側限抗壓強度的影響規律分別如圖7、圖8所示。

圖7 無側限抗壓強度隨石灰摻量變化圖

圖8 無側限抗壓強度隨干密度變化圖

由圖7可知，石灰摻量對改良黃土的輕度特性具有較為顯著的影響，隨著石灰摻量的增加，其強度明顯增大。重塑黃土的無側限抗壓強度為169.53 kPa，石灰摻量為3%時增長至為533.21 kPa，增大了2.15倍。當石灰摻量分別為9%、15%時，改良黃土的無側限抗壓強度分別為836.29 kPa、925.34 kPa，相比于重塑黃土分別提高了3.93、4.46倍，表明摻入石灰可以顯著提高黃土的強度。原因是，重塑黃土試樣顆粒間的膠結程度較低，存在較多的大孔隙，結構強度較小。石灰加入后，遇水后反應生成Ca（OH）2，Ca（OH）2隨后解離，產生Ca+與土顆粒表面吸附的陽離子發生離子交換反應，使得土顆粒表面原有的雙電層結構變薄，土顆粒之間的間距減小。同時Ca（OH）2與空氣中的CO2反應生成CaCO3膠結物，吸附于土顆粒之間，膠結土顆粒形成更穩定的團聚結構，使得土體的宏觀強度不斷提高。隨著石灰摻量繼續增加，水化反應、離子交換反應以及膠凝反應不斷進行，膠結物持續膠結顆粒、填充土體孔隙，使得土體結構越來越密實，有效地提高黃土強度。但是，土體中水分含量有限，石灰摻量過多時水化反應、離子交換反應以及膠凝反應[11]等不能充分發生，使得改良黃土強度增幅逐漸減小，表現為無側限抗壓強度的增長率隨石灰產量的增加而逐漸減小。

土體結構與其強度特性密切相關。由圖8可知，當石灰摻量一定時，改良黃土的無側向抗壓強度隨其干密度的增加呈線性增長趨勢。石灰摻量為6%，改良黃土的干密度為1.48 g∕cm3時，干密度增加至1.53 g∕cm3時，無側限抗壓強度增大了45.8%，達到470.60 kPa；當干密度為1.63 g∕cm3、1.73 g∕cm3時，改良黃土的無側限抗壓強度分別為649.65 kPa、971.81 kPa，分別提高了101.34%、198.69%，表明干密度對改良黃土強度的影響顯著。分析其原因是，一方面，石灰摻入后與黃土發生一系列化學反應，產生膠結物，進一步黏結土體顆粒的同時填充土體孔隙，土體結構變得更加致密使得改良黃土強度不斷增大；另一方面，與干密度對滲透系數的影響類似，干密度較小時，土體結構疏松，孔隙率較大，當干密度逐漸增大時，其壓實度顯著提高。隨著擊實作用的加強，干密度逐漸增大導致土體內部顆粒間發生錯動，土顆粒重新排列，土體內部孔隙在擊實作用的影響下逐漸被壓縮，土體骨架被進一步壓實，其結構密實度和結構強度得到了較大程度的提升，改良黃土抗變形及抵抗破壞的能力大幅增強，表現為無側限抗壓強度不斷增大。

3 結論

在不同石灰摻量和干密度條件下開展石灰改良黃土的滲透試驗和無側限抗壓強度試驗，分別研究了2種因素對改良黃土的強度及滲透性的影響效果，基于試驗結果得到以下結論：

（1）摻入石灰后，黃土的擊實特性發生了明顯變化。隨著石灰產摻量的增加，改良黃土的最大干密度逐漸減小，最優含水率逐漸增加。當石灰摻量從0%增加至15%時，黃土的最大干密度減小7.7%了，最優含水率增大了30.4%。

（2）石灰摻入后能夠顯著提高黃土的強度，改善其滲透性。隨著石灰摻量的增加，改良黃土的強度明顯增大，滲透系數先增大后減小且均小于重塑黃土的滲透系數。干密度一定時，相比于重塑黃土，改良黃土的無側限抗壓強度提高了2.15～4.46倍，滲透系數降低了40.07%～59.26%。

（3）干密度與改良黃土的物理力學性質密切相關。當石灰摻量一定時，隨著改良黃土的干密度逐漸增大，改良黃土密實度明顯增加，無側向抗壓強度增加呈線性增長趨勢，但滲透系數逐漸減小。同時，干密度對改良黃土滲透性的影響主要集中在較低干密度范圍，尤其干密度從1.48 g·cm-3增加至1.53 g·cm-3時影響最顯著。