石灰改良强风化云母片岩路基填料试验研究

2022-04-20关宏涛胡宝明黄成龙丁云贺张金龙申万霆李永靖文成章

科学技术创新 2022年11期

关宏涛胡宝明黄成龙丁云贺张金龙申万霆李永靖* 文成章

（1、中建铁路投资建设集团有限公司，北京 102601 2、辽宁工程技术大学，辽宁阜新 123000）

近年来，随着高速公路建设的不断发展，不可避免的经过大量强风化云母片岩地质区域。强风化云母片岩颗粒小、具有级配单一、水稳性差等特点，用于填筑路基则会面临无法碾压、成型困难等难题。一些学者对强风化云母片岩改良展开了研究。魏远等[1]利用水泥改善石英云母片岩，将其用于填筑路基，但成本较高。洪岩[2]通过增加碾压次数并严格控制含水率，成功利用风化云母片岩填筑路基，但必须采用特殊设备。还有一些研究成果是针对强风化云母片岩的物理力学性质展开的深入研究，但并未实际应用于路基填筑工程。学者对于石灰进行土体改良的研究成果更为丰富，潘国强等[3]对石灰改良填料填筑路床的可行性进行了研究，分析了不同养护时间下干密度的变化规律。周葆春等[4]研究了石灰改良膨胀土的作用机理，发现改良土破坏形式均为脆性破坏。边加敏等[5]掺入石灰改良膨胀土，提出以膨胀性作为填筑的控制指标。以上分析可知，石灰改良强风化云母片岩的研究并未大量展开。本文针对强风化云母片岩进行石灰改良研究并应用于工程实践，以期为类似工程提供借鉴经验。

1 试验材料基本性质

栆潜高速公路沿线分布大量云母片岩，为了减少大量远程借土，基于环境保护和节约成本考虑，对云母片岩加以改良用于路基填筑。云母片岩试验材料物理性质指标与颗粒级配特性如表1、表2 所示，试验用石灰成分化学组成如表3 所示。

表1 云母片岩物理性质指标

表2 云母片岩粒径分布

表3 生石灰的化学组成

2 石灰改良土击实试验和CBR 试验

2.1 石灰改良土击实试验分析

根据《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020）规定：对土样进行重型击实试验时，按设计的含水率进行配置，并闷料保养24h，保证水分扩散均匀。采用多功能电动击实仪，分3 层加入击实筒中，每层采用击实仪分别击实98 次。按照掺入0%（即素土，下同）、4%、6%、8%的灰剂量分别制备5 组试件，每组3 个，根据试验结果绘制出击实试验曲线如图1 所示。

图1 云母片岩改良前后击实曲线

由图1 可以看出，随着掺加石灰剂量的增大，测得强风化云母片岩改良土试样的最佳含水率分别为18.9%、19.7%、20%，呈递增趋势，测得改良土样的最大干密度分别为1.78%、1.75%、1.71%，呈递减趋势。随着掺灰量的增加，改良土的最佳含水量得到提高，但最大干密度降低，原因在于石灰与云母片岩拌合之后，石灰的水化反应消耗了一定量的水分，掺灰量越大，水化反应需要的水分越多，导致最佳含水量随掺灰比的增大而增大。在同一灰剂量情况下，含水率较低时，土颗粒之间水膜较薄，摩阻力较大，击实效果较差，导致干密度较小。随着含水率升高，土颗粒间水膜增厚，起到了一定的润滑作用，摩阻力减小，击实效果较好，导致干密度增大。当达到最优含水率时，击实效果最好，改良土的干密度最大。随着含水率的进一步升高，土中自由水增加，击实时自由水不能及时排出，击实效果降低，导致干密度逐渐减少。随着灰剂量的增大，包裹在土颗粒周围的石灰水化产物越多，土体的孔隙率增大，这是导致改良土体干密度降低的主要原因。

2.2 石灰改良土CBR 试验

根据击实试验所得的不同灰剂量情况下的最佳含水率和最大干密度，分别制备掺入灰剂量0%、4%、6%、8%的4 组试件，每组3 个，浸水测膨胀量，随后进行CBR 贯入试验。绘制p-l（单位压力与贯入量）关系曲线如图2所示，CBR 值与掺灰比的关系曲线如图3 所示，膨胀量、CBR 值与压实度的关系曲线，如图4 和图5 所示。

图2 云母片岩改良前后单位压力与贯入量关系曲线

图3 CBR 值与石灰掺入量关系曲线

由图2 可知，在相同贯入量的情况下，掺6%石灰的改良土所需的单位压力最大，说明该区域云母片岩的最佳掺灰率为6%。由图3 可知，未掺灰素土的承载比为2.9%，不满足《公路路基设计规范》对CBR 值最低3%的要求。掺4%、6%、8%石灰改良土的承载比明显增大，分别为3.3%、3.6%、3.4%。这主要是因为土颗粒与石灰发生凝聚与絮聚作用，土体结构产生变化，由改良前小颗粒变成改良后大颗粒，而大颗粒土起到土体骨架支撑作用，土的压实性能得到改善。由图3 可知，掺灰率为6%时，CBR 值最大。

3 石灰改良土水稳性试验及三轴压缩试验

3.1 石灰改良土水稳性试验

根据击实试验结果，控制压实度为94%，按最佳含水率制备试件进行无侧限抗压强度试验，云母片岩素土无侧限抗压强度为110kPa，以水稳系数K（浸水试样无侧限抗压强度与标准养护试样无侧限抗压强度之比）评价改良土试件养护28d 后浸水1d、3d、5d 的水稳性。不同石灰掺量不同养护龄期下改良土强度变化规律如图4 所示，随石灰掺量的增加改良土强度先增大后减小，说明掺灰比并非越高越好，石灰掺量过高反而会导致强度降低。不同石灰掺量条件下改良土水稳性试验结果如图5所示，在浸水作用下改良土强度显著降低，改良土浸水5d 后水稳系数均大于0.6，改良土水稳系数在6%石灰掺量下达到最高，此时强度损失最低，工程特性最佳。

图4 不同石灰掺量下改良土无侧限抗压强度

图5 不同浸水时间下改良土强度变化规律

3.2 石灰改良土三轴压缩试验

根据击实试验结果，在最佳含水率条件下，控制压实度为94%，进行围压分别为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa 的三轴压缩试验，不同石灰掺量下峰值偏应力与围压的变化规律如图6 所示。同一石灰掺量下，随着围压的增大，峰值偏应力呈递增趋势；同一围压条件下，石灰掺量越多，峰值偏应力越大。这是因为围压提供侧向约束并限制其横向变形，围压越大侧向变形越小，因此使其抗压强度得到提高；石灰水化产物胶结包裹土颗粒形成致密的网状结构，石灰掺量越高土体结构越紧密，抗压能力越强。c、φ 值是分析材料抗剪强度的两个重要指标，三轴试验获得不同石灰掺量下的c、φ 值如图7 所示，可知随着石灰掺量的增大，黏聚力c 呈递增趋势，内摩擦角φ 整体变化不大。这是由于石灰水化生成的胶凝物质，致密了孔隙结构，颗粒间黏结作用增强，因此黏聚力增大。