王　博

(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆　乌鲁木齐　830006)



高速公路路基石灰改良土试验研究

王博

(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆乌鲁木齐830006)

文章通过室内土工试验和理论分析，对石灰改良黄土的物理性质、应力-应变关系及压缩特性进行了研究。试验验结果表明：石灰改良土最大干密度随着石灰掺合比的增加而逐渐减小，最优含水率逐渐增大；石灰改良黄土的应力-应变关系曲线存在明显的应力峰值点，石灰改良土表现出明显的脆性破坏；石灰改良土压缩系数<0.1 MPa-1，即属于低压缩性土。

高速公路；路基；石灰改良黄土；应力-应变关系；压缩特性；最大干密度；试验研究

0　引言

填土路基的质量与路基填料工程性质好坏直接相关。西安某新建环城高速公路对路基填筑质量提出了较为严格的要求。然而路基的变形会直接影响到路面上，路基病害会由过大或不均匀的路基变形导致，造成路面的不平顺，甚至会出现重大事故。马学宁[1]试图通过对黄土的石灰改良试验研究，提出满足强度、水稳定性以及压缩特性方面的控制标准来满足路基填料；杨和平[2]通过对不同剂量的石灰处治高液限土的研究，分析了其强度变化规律及物理力学性质；刘福春[3]探讨了石灰、水泥改良土的室内试验方法和改良土的物理力学性质。本文通过对石灰改良土的室内试验研究，得出一些可行性的结论，以期为进一步填料的选择及改良奠定基础。

1　石灰改良土强度形成机理

关于石灰改良土的强度形成机理国内外研究已经较为成熟，目前较为一致的观点可用几个反应过程表示[4-5]：(1)由Ca(OH)2进行水化反应生成的Ca2+进行离子交换的团粒化作用；(2)Ca(OH)2结晶产物中较大者产生的胶凝效应；(3)Ca(OH)2与二氧化碳作用(即Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O)生成CaCO3；(4)Ca(OH)2和SiO2及Al2O3之间相互反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，虽然该反应是强度形成的主要途径，但相比较而言，其形成的过程是相当缓慢的。因此，石灰改良土的早期强度相对其它改良土而言会低一些。

2　试验材料和方法

2.1试验材料

试验黄土土样取自西安某工点的黄土，黄土物理力学性质指标见表1。

表1　黄土物理性质指标表

石灰为熟石灰粉末，已经过筛，活性较强且新鲜干燥，其有效氧化钙及氧化镁含量为77.2%。

2.2试验方法

2.2.1击实试验方法

取部分土样，放入干燥箱中烘干、碾碎，过20 mm筛，将熟石灰与过筛的黄土按比例拌合，其掺合比分别为2%、4%、6%、8%，称取定量试样，进行击实试验，压实系数分别为0.9和0.95。

2.2.2固结试验

固结仪及加压设备校准完后，将带有试样的环刀装入护环内，将固结容器置于加压框架正中，使加压框架中心与加压上盖对准，安装位移传感器，并确定需要施加的各级压力，读出数据。

2.2.3三轴压缩试验

按不同配合比石灰改良黄土的最优含水量配置土料，制备试样，养护龄期为28 d，进行不同压实度下的不固结不排水剪试验。

3　试验结果分析

3.1击实试验

如图1所示为不同掺合比石灰改良土的干密度与含水率的关系曲线，该试验通过重型击实试验得出。

由图1可知，石灰改良土最大干密度随着石灰掺合比的增加而逐渐减小，最优含水率随着石灰掺合比的增加而逐渐增大，其原因是土的密度大于熟石灰的密度，导致最大干密度减小，并且由于石灰与水进行物理化学反应，以至于石灰改良土最优含水率大于黄土最优含水率。因此黄土的最大干密度最大，最优含水率最小[2]。

图1　石灰改良黄土干密度与含水率关系曲线图

3.2压缩特性

通过对不同掺和比、不同密实度的石灰改良土养护28 d后进行压缩试验，试验结果如表2所示，其中η为压实系数。从表2中可以得出，掺合比为2%、4%、6%及8%的石灰改良土在压实系数为0.9和0.95时，压缩系数均<0.1MPa-1，即属于低压缩性土。以掺合比为4%的石灰改良土的压缩系数及压缩模量为例，密实度为0.9时，压缩系数为0.076MPa-1，压缩模量为20.31MPa；密实度为0.95时，压缩系数为0.057MPa-1，压缩模量为23.14MPa，可见在同一种掺和比下，压缩系数随着密实度的增加而减小，压缩模量随着密实度的增加而增大。掺合比为6%的石灰改良土的压缩系数及压缩模量，密实度为0.9时，分别为0.077MPa-1及18.95MPa；密实度为0.95时，分别为0.059MPa-1及29.64MPa。掺合比为8%的石灰改良土的压缩系数及压缩模量；密实度为0.9时，分别为0.073MPa-1及17.66MPa，密实度为0.95时，分别为0.056MPa-1及20.17MPa，随着掺和比的增大，压缩系数及压缩模量没有规律可言，这主要是因为石灰改良土在不同掺和比下均是在各自的最优含水率下制备的，即配制的含水率不同，其结果对影响压缩系数随掺和比的变化关系[1]非常明显。

表2　石灰改良土的压缩特性表

3.3应力应变特性

图2　不同围压下石灰改良土的应力应变关系曲线图(掺合比为4%，η=0.95)

图3　不同掺合比下石灰改良土的应力应变关系曲线图(围压200 kPa，η=0.95)

针对不同掺合比下的石灰改良黄土的强度特性及影响因素，做了在不同压实度下的三轴不固结不排水剪试验。图2和图3给出了部分不同围压(掺合比为4%，η=0.95)及不同掺合比(围压200kPa，η=0.95)下应力应变关系的试验结果。由图2～3可知：

(1)应力应变关系曲线可由以下四个阶段组成，可分为：

①第一阶段：属于线性阶段，石灰改良土的应力应变曲线呈线性关系，随着压力的不断增大，石灰改良土出现硬化；掺合比在2%、4%、6%及8%下，石灰改良土的应力应变值随着掺合比的增大而增大；围压越大，石灰改良土的应力应变值越大。

②第二阶段：属于塑性上升段，石灰改良土的应力应变曲线不再像第一阶段呈现一定的线性关系，而是应力应变曲线较为明显，直至达到最大峰值；石灰改良土的应力应变最大值随着掺合比的增大而增大；围压越大，石灰改良土的应力应变值越大。

③第三阶段：属于应力衰减阶段，当应力出现最大值后，应力减小变化明显，并出现较为明显的反弯点；随着石灰掺合比和围压的增大，反弯点越大，且越明显。

④第四阶段：属于残余强度阶段，随着应变的增大，应力变化不明显，并且应力接近于残余强度值，当试件发生破坏时，仍会存在残余应力，即残余

强度值；随着石灰掺合比和围压的不断增大，石灰改良土的残余强度值随着石灰掺合比和围压的不断增大而逐渐增大。

(2)石灰改良土试件表现出明显的脆性破坏，有典型的破裂面出现，竖向裂缝明显，且与最大主应力面的角度为(45°+φ/2)，剪切面贯穿整个试样，可见石灰改良土以脆性破坏为主。

4　结语

通过上述室内试验及分析结果，可得出以下结论：

(1)石灰改良土最大干密度随着石灰掺合比的增加逐渐减小，最优含水率逐渐增大。

(2)石灰改良土在压实系数为0.9和0.95时，压缩系数均<0.1MPa-1，即均属于低压缩性土。在同一种掺和比下，随着密实度的增加，压缩系数逐渐减小，压缩模量随着密实度的增加而增大；随着掺和比的增大，压缩系数并不是呈现减小趋势。

(3)应力应变关系曲线可由四个阶段组成，分别为线性阶段、塑性上升阶段、应力衰减阶段及残余强度阶段。石灰改良土以脆性破坏为主。

(4)在能保证施工质量的前提下，考虑经济方面的因素，建议使用掺合比为4%～6%的石灰改良土。

[1]马学宁，梁博.高速客运专线路基改良填料的试验研究[J].铁道学报，2005，27(5)：96-101.

[2]杨和平，李宏泉.石灰改良处治高液限土的路用特性试验研究[J].公路工程，2013，38(4)：227-229.

[3]刘福春.京沪高速铁路填料改良试验方法及效果[J].铁道技术监督，2001(3)：27-31.

[4]沙爱民.半刚性路面材料结构与性能[M].北京：人民交通出版社，1998.

[5]凯兹迪.稳定土道路[M].张起森译.北京：人民交通出版社，1989.

Experimental Study of Expressway Subgrade Lime-improved Soil

WANG Bo

(Xinjiang Transportation Planning Surveying and Design Institute，Urumqi，Xinjiang，830006)

Through indoor soil test and theoretical analysis，this article studied the physical properties，stress-strain relationship and compression characteristics of lime-improved loess.Experimental test re-sults showed that：the maximum dry density of lime-improved soil gradually decreases with the increase of lime blending ratio，and the optimum moisture content increases；the stress-strain relationship curve of lime-improved loess has the obvious stress peak points，and the lime-improved soil shows obvious brittle failure；the compaction factor of lime-improved soil is <0.1 MPa-1，which is the low-compres-sion soil.

Expressway；Subgrade；Lime-improved loess；Stress-strain relationship；Compression properties；Maximum dry density；Experimental study

U412.36+6

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.03.010

1673-4874(2016)03-0038-03

2016-03-08

王博(1985—)，助理工程师，研究方向：公路工程勘察设计。