公路軟土路基改良土性能研究

0 引言

在公路的設計與施工環(huán)節(jié)中，經(jīng)常會遇到具有水分含量高、孔隙比大、承載能力弱及易變形等特征的軟弱地基區(qū)域，這些區(qū)域難以直接適配公路工程的標準要求。若未能對軟土路基實施恰當?shù)奶幚泶胧瑢l(fā)公路在投入使用初期便出現(xiàn)病害問題，進而大幅度縮減公路的使用年限。鑒于此，深入探討軟黏土的力學特性及其相應的處理手段，具有極為關鍵的價值與意義。

大量學者對公路軟土改良進行了研究。王汝佳[1采用了石灰固化公路軟土，對改良后的土體進行三軸試驗，結果發(fā)現(xiàn)隨著石灰摻量的增加土體的體脹現(xiàn)象減弱，土體強度以及超孔隙水壓力均逐漸增加。馬兵林[2采用聚丙烯纖維改良紅黏土，研究了不同摻量、不同圍壓下改良土的三軸不固結不排水試驗，結果發(fā)現(xiàn)纖維的加入有效提高了土體的抗壓強度，改良后的土體黏聚力得到了較大提升。許志堅[3采用石灰改良淤泥質(zhì)軟土路基，通過試驗與有限元模擬，發(fā)現(xiàn)當石灰摻量為 6% 時，對土體的改良效果最佳，滿足設計與經(jīng)濟效益要求。李自華[4]采用了不同比例的砂和石灰對公路軟土進行改良，進行不排水不固結試驗，結果發(fā)現(xiàn)砂和石灰對土體的改良均具有積極作用。

石灰是一種常用的改良土材料，因其取材方便，改良效果好，成本低廉，受到了眾多學者的青睞，且石灰改良土技術目前較為成熟。本文以石灰作為改良材料，對某公路工程中的軟土進行改良，通過擊實試驗等一系列室內(nèi)試驗，研究不同石灰摻量下的改良土的力學性能。試驗結果可為類似的工程實踐提供參考價值。

1工程概況

本文以某地公路項目為研究對象，路段里程自K320+110 延展至 K320+790 ，行車時速設計為 100km/h 路面展寬設定為 30m ，其總長度為 30km 。經(jīng)檢測該公路工程土體為軟土，不可以直接在工程中使用，需要對其進行改良。

2試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用土取自某公路路段，取土深度為 0.2～1.0m 對土樣的基本性質(zhì)進行試驗，試驗得到土體的基本性質(zhì)見表1。試驗采用的固化劑為石灰，其主要成分為氧化鈣和氧化鎂。

表1軟土的基本性質(zhì)

2.2試驗方法

綜合大量學者研究結果[5-6]與本試驗土體的性質(zhì)，采用石灰摻量為0、 5% 、 10% 、 15% ，對不同石灰摻量下石灰改良土進行擊實試驗等一系列室內(nèi)土工試驗。

2.2.1 擊實試驗

試驗采用輕型擊實試驗，試驗得到土體的最佳含水率和最大干密度之間關系曲線圖。將試驗用土放入105^°C 烘箱烘24h，然后過 4.75mm 篩備用。采用干土法將不同配比的石灰與備用土進行混合，預估不同配比下土樣的最佳含水率，以 2% 的梯度加入不同質(zhì)量的水，將水、土、石灰三者攪拌均勻后倒入塑料袋悶料24h。

2.2.2無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度試驗采用三軸儀。在含水率為 24% 下將土體與石灰進行攪拌，按照試驗配比使用電子秤稱量出試樣所需質(zhì)量，采用靜壓法制備高 100mm 、直徑50mm 的圓柱試樣，試樣壓實度為 96% 。制備完成的試樣采用保鮮膜密封包裹，放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7d。

2.2.3抗壓回彈模量試驗

試驗遵循JTG3430—2020《公路土工試驗規(guī)程》的相關規(guī)定，在達到適宜水分條件的基礎上（含水率 24% ，采用重型擊實法，制備一系列具有不同石灰摻量的改性土試樣。采用強度測試儀測定改良土的抗壓回彈模量值。制備的試樣放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7d后進行試驗。

2.2.4加州承載比試驗

試驗采用重型擊實法制備試樣，隨后安裝千分表并進行零點校準，之后按規(guī)定時間迅速進行浸水處理，此過程需嚴格遵循相關規(guī)范。試驗中，貫入桿以1mm/min的恒定速率逐步向試樣施加壓力，以測定其各項特性參數(shù)。本次試驗的貫入深度設定為 2.5mm 。制備的試樣（含水率 24% ）放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7d后進行試驗。

2.2.5劈裂抗拉試驗

試驗采用采用電子萬能試驗機，試樣的制備方法與無側限抗壓強度試驗的相同。制備的試樣（含水率24% ）放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7d后進行試驗。試樣的劈裂抗拉強度計算公式如下：

式中： F_s 為土體的劈裂抗拉強度，單位為MPa； P 為試樣破壞受到的力，單位為 kN D 為試樣直徑，單位為 mm . H 為試樣高度，單位為 mm 。

3試驗結果分析

3.1擊實試驗結果

擊實試驗結果如圖1，從圖1可以看到：隨著石灰摻量由 0% 提升至15% ，改良土的最大干密度呈現(xiàn)下降趨勢，由 1.79g/cm³ 減少至 1.66g/cm³ 同時其最佳含水率則有所上升，從15.5% 增長至 17.7% 。

分析認為，石灰的密度低于土體，隨著石灰含量的增加，試樣中石灰質(zhì)量增加，相應的干密度則呈現(xiàn)減小的趨勢。在石灰含量保持穩(wěn)定的狀況下，改良土的干密度會依據(jù)含水率的變動而有所起伏。當含水率處于尚未達到最優(yōu)水平的階段時，水分起到了關鍵的潤滑效果，降低了土顆粒間的摩擦阻力，使得在壓實過程中，土顆粒間的空隙得以被壓縮并緊密排列，從而推動了干密度的上升，因此隨著含水率的逐步增加，干密度也呈現(xiàn)增長的趨勢。

然而，一旦干密度達到其極限值后，盡管水分會填滿土顆粒間的所有間隙，但由于水分本身不易受外界壓力影響而壓縮，此時干密度反而會因含水率的進一步增加而表現(xiàn)出下降的趨勢。

3.2無側限抗壓強度試驗結果

軟土中摻入不同石灰后進行無側限抗壓強度試驗得到結果如圖2。從圖2可以看到：軟土中石灰摻量的增加，改良土的抗壓強度呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，最大無側限抗壓強度為 0.6MPa 。

分析認為，由于石灰通過水化反應逐漸溶解于土體內(nèi)，在此過程中進行了石灰和土顆粒之間的離子交換，以及石灰水合物的形成，這些反應導致了土體中孔隙率的降低。同時石灰參與火山灰反應，產(chǎn)生更為復雜的膠凝產(chǎn)物，這些產(chǎn)物對土體結構具有加固作用。由此可以看出，石灰不僅能夠降低土體的孔隙率，而且還能增強土骨架的強度，從而提高了土的整體力學性能。

從圖2還可以看到，石灰摻量從 0% 增加到 5% ，改良土的無側限抗壓強度增加了 150% ；石灰摻量從 5% 增加到 10% ，改良土的無側限抗壓強度增加了 56% ；石灰摻量從 10% 增加到 15% ，改良土的無側限抗壓強度增加了2.5% 。這說明石灰的加入，有效提高了土體的抗壓強度。隨著石灰摻量的增加土體的強度提升越來越小，證明石灰在土體中的作用接近飽和。

3.3抗壓回彈模量試驗結果

不同石灰摻量下改良土的抗壓回彈模量試驗結果如圖3。從圖3可以看到：隨著石灰摻量的增加，改良土的抗壓回彈模量增加。改良土的最大抗壓回彈模量值為 118.35MPa ，相比素土提高了5.5倍。石灰摻量從 0% 增加到 5% ，改良土的抗壓回彈模量增加了 226% ；石灰摻量從 5% 增加到 10% ，改良土的抗壓回彈模量增加了47.6% ；石灰摻量從 10% 增加到 15% ，改良土的抗壓回彈模量了 14.7% 。

圖1改良土擊實試驗結果

圖2改良土無側限抗壓強度試驗結果

圖3改良土抗壓回彈模量試驗結果

圖4改良土加州承載比試驗結果

圖5改良土劈裂抗拉強度試驗結果

綜合來看，石灰摻量的增加，改良土的抗壓強度模量增長速率逐漸減小。石灰的增加，對土體力學性能有較大提高，但效果在逐漸下降。

3.4加州承載比試驗結果

不同石灰摻量下改良土的加州承載比試驗結果如圖4。從圖4可以看到：隨著石灰的增加，石灰改良土的CBR值逐漸增加。在石灰摻量為 15% 時，最大的CBR值為 33.6% ，相比素土的CBR值提高了3.7倍。由此說明，石灰的加入對土體的CBR值具有積極作用。

分析認為，在土體中摻加石灰，石灰與土發(fā)生化學反應，形成一種膠凝性的物質(zhì)。這些膠凝物質(zhì)能夠填充并膠結土顆粒之間的空隙，同時促使土粒凝聚成團塊。隨著時間的推移和水分的滲透，這些團塊逐漸硬化，最終形成了堅固的土骨架結構。改良土的物理性能得到顯著提升，其強度也隨之增強，從而大幅提高了土體的承載能力。

3.5劈裂抗拉強度試驗結果

不同石灰摻量下改良土的劈裂抗拉強度試驗結果如圖5。從圖5可以看到：石灰摻量的增加改良土的劈裂抗拉強度逐漸增加，最大的劈裂抗拉強度值為0.0375MPa ，較素土強度提高了2.5倍。

分析認為，由于石灰加入量增多，石灰與土體的反應增強。這一過程中產(chǎn)生了新的物質(zhì)，這些物質(zhì)能夠在土體中形成堅固的膠結結構，進而促使土顆粒緊密地團聚起來，形成更加穩(wěn)定的整體，導致改良土的抗拉強度增加。

4結論

本文以某地公路工程中的軟土作為依據(jù)，采用石灰對軟土進行改良，通過擊實試驗等一系列室內(nèi)土工試驗，研究不同石灰摻量下的改良土力學性能。得到如下結論：

1）隨著軟土中石灰摻量由 0% 提升至 15% ，改良土的最大干密度呈現(xiàn)下降趨勢，由 1.79g/cm³ 減少至1.66g/cm³ ；同時其最佳含水率則有所上升，從 15.5% 增長至 17.7% 。隨著軟土中石灰摻量的增加，土體的抗壓強度增加，最大無側限抗壓強度為 0.6MPa 。隨著石灰摻量的增加，改良土的抗壓回彈模量增加。改良土的最大抗壓回彈模量值為 118.35MPa ，相比素土提高了5.5倍。

2）隨著石灰的增加，石灰改良土的CBR值逐漸增加，證明石灰的加入對土體的CBR值具有積極作用。在石灰摻量為 15% 時，最大的CBR值為 33.6% ，相比素土的CBR值提高了3.7倍。隨著石灰摻量的增加，改良土的劈裂抗拉強度逐漸增加，最大的劈裂抗拉強度值為0.0375MPa ，較素土強度提高了2.5倍。

參考文獻

[1]王汝佳.石灰加固軟土力學特性的實驗研究[J].黑龍江科技大學學報，2022，32（2）：160-165.

[2]馬兵林.高速鐵路軟土路基紅黏土改良試驗研究[J].建筑施工，2020，42（1）：27-29.

[3]許志堅.石灰改良淤泥質(zhì)軟土路用特性試驗研究[J].交通建設與管理，2019，（3）：98-101.

[4]李自華.改良軟土抗剪強度的試驗研究[J].公路交通科技（應用技術版），2011，7（10）：165-167.

[5]嚴赬強，白宇帆，徐永福，等.石灰改良土無側限抗壓強度及剪切強度特性研究[J].鐵道勘察，2023，49（1）：102-106+138.

[6]陳寶，郭家興，李池龍.交通荷載下石灰改良軟土路基的動力特性試驗研究[J].路基工程，2014（5）：103-109.