礦渣和石灰改良膨脹土力學性能直剪試驗研究

中圖分類號：TQ177.2 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）05-0064-05

Abstract：The expansive soil slag can be efectively reduced by the resource utilization of expansive soil after slag lime improvement，but the mechanical properties of expansive soil modified by slag lime are not clear.Therefore，the shear strength characteristics of improved expansive soil samples with different curing ages were studied by direct shear test.The results showed that the cohesion of the slag-lime modified expansive soil sample after 28 days of curing reached more than 5 times thatof the unimproved expansive soil.The internal friction angle was more than 1.39 timesof the internal friction angleof theunimproved expansivesoil.With theincrease of theoverlying stress，the britleness indexand dilatationangleof the slag-lime improved sample graduallydecreased，andthe deformationbehaviorof the slag-lime improved sample gradualytransformed fromdilatancy toshear contraction.The shear behavior of the unimproved expansive soil sample was shear-hardening，butthe shear behavior of thesample after the improvement of slag lime became dilatation-softening，and the research resultscan provide a theoretical reference for the improvement and utilization of expansive soil.

Key words：slag lime；expansive soil improvement；shear strength；shear behavior膨脹土在我國西南地區廣泛分布，隨著西南地 區交通建設事業的蓬勃發展，高速鐵路建設及高速

公路建設不可避免地要穿過膨脹土地區。線路工程建設過程中，隧道開挖、邊坡開挖會產生大量的膨脹土棄渣，但膨脹土具有遇水宜膨脹軟化、抗剪強度低、工程性質差等特點[13]，不能將膨脹土直接作為路基填料進行應用。若將膨脹土經過改良后用作路基填料，不但可以減少膨脹土棄渣的產生，還能做到固廢利用，具有顯著的環境友好性。常用的膨脹土改良方法包括水泥改良[4-5]、石灰改良[6-7]、化合物改良[8-10]等方法，在膨脹土中摻入一定比例的改良劑，發生反應后提升膨脹土的強度。由于石灰改良具有改良材料來源廣泛、價格低廉的特點，在膨脹土改良中具有顯著的優勢。劉俊等研究了石灰改良對特殊土抗壓強度的影響，隨著石灰摻量的增大，改良土無側限抗壓強度顯著增大，主要是由于石灰摻量越高，石灰水化生成的膠結物越多，對土顆粒的膠結作用就越顯著[1I-13]。吳雷等研究了在保持壓實度不變的情況下，石灰改良對試樣強度的影響規律，試樣強度先隨著石灰摻量的增加而增大，而后試樣強度隨著石灰摻量增大而減小，存在一個最優石灰摻量[14-15]。王眾等研究了養護時間對石灰改良試樣的影響，隨著養護齡期的增加，試樣強度逐漸增大，在養護齡期為7～14d時，改良土試樣強度增加最顯著[16-17]。鄧明超針對石灰改性路基土進行了研究，并得出了粉煤灰摻量為 15% 和生石灰摻量為10% 時的改良效果最佳[18]。但目前對于采用礦渣石灰對膨脹土改良的研究報道較少?；诖耍ㄟ^直剪試驗對不同養護齡期條件下的礦渣石灰改良試樣進行研究，明確了養護齡期對改良膨脹土試樣應力-位移曲線、抗剪強度、剪切變形特性的影響規律，試驗結果可為膨脹土的改良利用提供理論參考。

1試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用膨脹土取自廣西某公路在建項目，所取膨脹土位于地表以下 3m 處，天然含水率為38.5% 。將試驗用土取回后首先經過一定時間的自然風干，將風干后的土體用作試驗研究。因膨脹土顆粒粒徑較小，故采用馬爾文試驗測試膨脹土的顆粒級配，級配曲線如圖1所示。

由圖1可知，試驗所用膨脹土顆粒粒徑分布均勻且級配良好，采用擊實試驗確定其最大干密度及最優含水率，擊實曲線如圖2所示。

由圖2可知，試驗所用膨脹土最大干密度為 ，最優含水率為 18% ，且由飽和度曲線可知，該膨脹土的最優飽和度為 85% 。采用XRD試驗確定膨脹土的礦物成分，如圖3所示。

由圖3可知，膨脹土中含有的主要礦物為石英52.6% ）、伊利石 （3.7% ）、高嶺土（ 23.6% ）、方解石 （3.6% ）、蒙脫石（ 16.5% ）。自由膨脹率為58% ，其他基本物理力學特性見表1。

試驗所用礦渣石灰屬一級石灰，生石灰含量超過 82.5% ，為使得礦渣石灰能夠與膨脹土顆?；旌暇鶆颍囼炈玫V渣石灰顆粒粒徑均小于 2mm 。

1.2試驗方案與試樣制備

為研究礦渣石灰改良養護時間及上覆應力對改良膨脹土力學性能的影響規律，在最大干密度小 ）、最優含水率（ 18% ）狀態下制備試樣，研究養護時間為 和 90d 齡期狀態下飽和礦渣石灰改良試樣的抗剪強度，對試樣分別施加50、100，200，300kPa 的上覆應力，研究上覆應力對礦渣石灰改良試樣抗剪強度特性的影響規律。為明確礦渣石灰改良效果，對干密度為 的飽和膨脹土也進行直剪試驗，明確石灰礦渣改良對膨脹土抗剪強度的影響規律。

礦渣石灰摻量采用式（1進行計算：

式中： r 為礦渣石灰摻量， 為干礦渣石灰質量， 為干土膨脹土質量， g 。

將自然風干的膨脹土繼續放置于 的烘箱中烘烤 24h ，使得膨脹土顆粒完全干燥，將干燥后的膨脹土與礦渣石灰手動拌合均勻，而后噴灑蒸餾水將其加濕至目標含水率，將混合均勻的試驗土體保存于真空密封袋中至少 12h ，使試驗土體水分保持均勻。而后采用擊實制樣方式將試驗用土分3層擊實為直徑 50mm ，高度 的圓柱試樣，將制備好的試樣裝入密封袋后進行標準養護。待標準養護完成后，對于需要飽和的試樣進行抽氣飽和，而后進行直剪試驗，試驗采用 0.5mm/min的快剪試驗，剪切位移為 5mm 。

2 試驗結果與分析

2.1 應力－位移曲線的影響

上覆應力對膨脹土應力-位移曲線的影響如圖4所示。

由圖4可知，隨著上覆應力的增大，膨脹土剪切應力逐漸增大，且膨脹土應力-位移曲線全部為硬化型，剪切應力首先隨著剪切位移逐漸增大，而后逐漸趨于穩定。

不同上覆應力作用下礦渣石灰改良膨脹土的應力-位移曲線如圖5所示。

由圖5可知，礦渣石灰改良試樣的應力-位移曲線全部為軟化型，且隨著上覆應力逐漸增大，到達峰值后，改良試樣在剪切面位置處產生貫通裂縫，剪切應力快速下降，由于有上覆應力的作用，在試樣開裂面處存在摩擦，故改良試樣開裂后應力不會下降至0，而是維持一定的剪切應力。此外，隨著上覆應力增大，改良試樣達到峰值應力所對應的峰值位移逐漸增大。

不同養護齡期礦渣石灰改良試樣的應力-位移曲線如圖6所示，以上覆應力為 200kPa 為例。

由圖6可知，未改良膨脹土應力-位移曲線為硬化型，經礦渣石灰改良后，改良土的應力-位移曲

線為軟化型。

2.2 抗剪強度的影響

采用摩爾-庫倫強度準則對膨脹土試樣及礦渣石灰改良試樣的抗剪強度進行分析，摩爾-庫倫強度線如圖7所示。

由圖7可知，膨脹土及改良土抗剪強度都可以采用摩爾-庫倫強度準則進行擬合分析，圖中所得3條摩爾－庫倫強度線擬合 均高于0.97。此外，隨著養護齡期逐漸增加，在相同上覆應力作用下，試樣抗剪強度逐漸增大，但礦渣石灰改良膨脹土具有早強性，在前28d養護時間內，強度提升最為顯著，后續隨著養護齡期增大，強度提升幅度不大。

未改良膨脹土試樣及礦渣石灰改良試樣粘聚力及內摩擦角變化如圖8所示。

由圖8可知，經礦渣石灰改良后，試樣粘聚力顯著提升，養護28d后礦渣石灰改良試樣的粘聚力達到了未改良膨脹土的5倍以上，內摩擦角達到了未改良膨脹土的1.39倍以上；養護90d后礦渣石灰改良試樣的粘聚力達到了未改良試樣的7倍以上，內摩擦角達到了未改良試樣的1.41倍以上，說明礦渣石灰對膨脹土抗剪強度的提升，主要是提高了試樣的粘聚力。此外，隨著養護齡期的增加，試樣粘聚力逐漸增大，但試樣內摩擦角隨著養護齡期的變化并不顯著。

采用脆性指數對膨脹土試樣及礦渣石灰改良試樣在剪切過程中的剪切行為進行分析，脆性指數參照式（2）進行計算：

式中： 為脆性指數； 為峰值抗剪強度， kPa 為殘余抗剪強度， kPa 。

脆性指數隨豎向荷載的變化如圖9所示。

由圖9可知，礦渣石灰改良試樣的脆性指數都大于1，反映出改良試樣的應力-位移曲線全部為軟化型。但未改良膨脹土試樣的脆性指數全部保持為1不發生變化，反映出未改良膨脹土試樣的應力-位移曲線全部為硬化型。且隨著上覆應力的增加，礦渣石灰改良試樣的脆性指數在逐漸減小，反映出試樣應力-位移曲線逐漸由軟化型向硬化型過渡。

試樣在剪切過程中豎向位移隨水平位移的變化如圖10所示，豎向位移為正，表示試樣產生剪縮；豎向位移為負，表示試樣產生剪脹。

由圖10可知，在剛開始的剪切過程中，試樣豎向位移隨著水平位移的增加呈線性增大趨勢，而后隨著水平位移繼續增大，豎向位移增加速率逐漸減緩，在較大的水平位移時（大于等于 3.6mm ），隨著水平位移的增加，豎向位移幾乎不發生變化。

采用剪脹角對試樣在剪切過程中的剪脹變形進行分析，剪脹角參照式（3）進行計算：

式中： ψ 為剪脹角； Δ y 為豎向位移增量， mm；Δ x 為水平位移增量， mm 。

試樣在剪切過程中剪脹角變化如圖11所示。

由圖11可知，未改良膨脹土試樣在剪切過程中全部發生剪縮，而經礦渣石灰改良后，試樣在剪切過程中全部產生剪脹，且隨著上覆應力逐漸增大，試樣剪脹角在逐漸減小，說明上覆應力可以有效限制試樣在剪切過程中的剪脹性，且隨著上覆應力的增加試樣在剪切過程中的變形行為逐漸由剪脹向剪縮過渡。

試樣脆性指數隨剪脹角的變化如圖12所示。

由圖12可知，未改良膨脹土試樣的脆性指數全部為1，應力-位移曲線全部為硬化型，剪脹角全部小于 ，試樣在剪切過程中全部產生剪縮，其剪切行為為：剪縮-硬化。但經礦渣石灰改良后，改良土試樣的脆性指數全部大于1，應力-位移曲線全部為軟化型，剪脹角全部大于零度，試樣在剪切過程中全部產生剪脹，其剪切行為為：剪脹-軟化。膨脹土經礦渣石灰改良后，其剪切行為由剪縮-硬化轉變為剪脹-軟化。

3結語

（1）養護28d后礦渣石灰改良膨脹土的粘聚力達到了未改良膨脹土的5倍以上，內摩擦角達到了未改良膨脹土的1.39倍以上，礦渣石灰對膨脹土抗剪強度的提升，主要是提高了粘聚力；

（2）隨著上覆應力的增加，礦渣石灰改良試樣的脆性指數在逐漸減小，增加上覆應力可以有效減少礦渣石灰改良試樣的脆性，試樣應力－位移曲線逐漸由軟化型向硬化型過渡；

（3）隨著上覆應力逐漸增大，試樣剪脹角在逐漸減小，增加上覆應力可以有效限制試樣在剪切過程中的剪脹變形，且隨著上覆應力增加，試樣在剪切過程中的變形行為逐漸由剪脹向剪縮過渡；

（4）未改良膨脹土試樣的脆性指數全部為1，剪脹角全部小于零度，其剪切行為為：剪縮-硬化。但經礦渣石灰改良后，改良土試樣的脆性指數全部大于1，剪脹角全部大于零度，其剪切行為為：剪脹-軟化。膨脹土經礦渣石灰改良后，其剪切行為由剪縮-硬化轉變為剪脹-軟化。

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（責任編輯：蘇幔）