石灰改性膨胀土冻融循环的强度效应研究

唐东旗，姚秀芳，王晓岗，赵凯峰

(许昌学院 土木工程学院，河南 许昌 461000)

由于膨胀土体中含有大量亲水性物质，造成土体易吸水膨胀失水收缩的性质，因此对膨胀土进行工程性质改良成为膨胀土地区进行工程施工的主要问题.邱翱博[1]、吴燕开[2-3]、锁文韬[4]、宗佳敏[5]等分别利用粉砂、水泥、钢渣粉和NaOH、石灰、废旧轮胎颗粒对膨胀土进行了改良，并测试了其在冻融循环下的物理力学特性；李自灵等[6]分析了冻融循环作用对试样抗剪强度指标和抗剪强度的影响；现有文献对常用的掺和剂石灰在冻融效应下对豫北弱膨胀土工程性质的研究影响鲜有提及，以黄河以北太行山东麓广泛分布的弱膨胀土为研究对象，利用不同石灰配合比、不同循环冻融次数来对改性膨胀土进行研究，结果将为该地区工程施工提供科学依据.

1 研究区基本特征

本次实验所用的土样取土地点位于河南省鹤壁市鹤山区S221省道路边，该区域属于太行山东麓丘陵地带，土体呈颜色呈灰白色，含少量砂粒、砾石及卵石等，含水量低，质地坚硬.该区域膨胀土在公路工程中应用较为普遍，受到膨胀土的影响，多处路基、桥涵、边坡遭到破坏.

土样基本物理力学参数如表1所示.

表1 膨胀土基本物理参数

2 试验方案

本次试验采用的重塑土样进行.将膨胀土中分别加入经过消化后的石灰，石灰和膨胀土的配合比分别为0、1%、3%、5%、7%.初始含水量配制为20%，之后将充分拌合好，经过静置24小时以上的土样进行静压制样，所制样的规格为高20 mm，直径61.8 mm.

利用高低温冻融试验箱开展冻融循环试验，每12个小时为一个循环，控制温度为15 ℃，冻融循环次数分别为0次、1次、4次、7次、10次，达到循环次数后利用应变控制式直剪仪开展直接快速剪切试验，根据公路土工试验规程[7]要求，转速为2转/min，法向荷载施加分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa.

3 试验结果分析

3.1 不同配合比对抗剪强度的影响

图1a、图2c、图3e表示冻融循环次数一定，法向应力分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa时，抗剪强度前期增加变化曲率较大，达到7次后，增速变缓.随法向应力的逐渐增加，曲线的斜率也逐渐增加.在第一次循环冻融时抗剪强度有小幅度上升，说明新压制的试样经过一个冻融循环周期，土、灰颗粒之间形成了初始的团聚体，并且第一次冻融循环并没有实质性破坏颗粒之间形成的连接，造成粘聚力有一定程度的增大，之后随冻融循环次数的增加，石灰含量越高，强度增加速率降低，在第10次冻融循环时甚至出现了强度降低的现象，这也表明在膨胀土中添加石灰含量不会是越多越好.

在图1b、图2d、图3f中表示在法向应力分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa，石灰含量一定时，抗剪强度随冻融循环次数的变化关系，从整体来看，其表现为未冻融时，随石灰含量的增加，抗剪强度逐渐增加的.在法向应力为100 kPa时，石灰含量为7%的土样强度降低速率最快.当法向应力达到200 kPa和300 kPa时，石灰含量为3%的抗剪强度曲线出现异常，前期强度降低过快后期和强度衰减速率和石灰含量0、1%时土样一致，并且法向应力越大前期衰减越快.法向应力为200 kPa和300 kPa时，石灰含量为0、1%、3%冻融循环次数达到10次及以上时，结果趋于一致；石灰含量为5%和7%时，随法向应力增加，其变化曲线斜率越小，也表明土体上覆压力越大，冻融对其强度的影响越小.

a 冻融循环次数一定时 b 石灰含量一定时图1 法向应力为100 kPa时抗剪强度与石灰含量、冻融循环次数关系

c 冻融循环次数一定时 d 石灰含量一定时图2 法向应力为200 kPa时抗剪强度与石灰含量、冻融循环次数关系

e 冻融循环次数一定时 f 石灰含量一定时图3 法向应力为300 kPa时抗剪强度与石灰含量、冻融循环次数关系

3.2 不同配合比对内摩擦角的影响

图4所示为不同石灰、膨胀土配合比时内摩擦角随冻融循环次数的变化关系，在石灰含量分别为0和1%时，内摩擦角随冻融循环次数的增加而逐渐降低，0石灰含量时的降低速率为31.6%，1%石灰含量的降低速率为19.4%，两者的变化关系曲线比较接近；石灰含量为3%时，内摩擦角在初次冻融循环后产生急速下降，后期随着冻融循环次数的增加，变化趋势趋于平缓；石灰含量在5%时，内摩擦角降低率为8.79%，石灰含量为7%时，内摩擦角增加变化率为8.18%.图5所示为在不同冻融循环次数下内摩擦角随石灰含量的变化关系.

图4 不同石灰土配合比时内摩擦角随冻融循环次数的变化关系

图5 在不同冻融循环次数下内摩擦角随石灰含量的变化关系

在石灰含量小于3%时，随冻融循环次数的增加，石灰含量越高，内摩擦角越大，其内摩擦角大小较为接近；石灰含量在3%～5%时，内摩擦角得到急剧增加，之后随石灰含量增加内摩擦角变化量减小.

3.3 不同配合比对粘聚力的影响

图6不同石灰膨胀土配合比下粘聚力随冻融循环次数的变化关系曲线，从图中可以看出，不含石灰时，膨胀土的粘聚力较小，在石灰含量为1%～5%之间时，整体表现为先增加后减小，粘聚力有所增加，说明在冻融初始时期石灰和膨胀土的结合体没有被破坏，但随冻融循环次数的增加，石灰含量越大，粘聚力降低明显，说明冻融对石灰和膨胀土的结合有明显的破坏作用.总体来看，石灰含量一定时，粘聚力随冻融循环次数的增加而逐渐降低.图7表示为不同冻融循环次数下粘聚力在随石灰含量的增加时的变化规律.从图7中可以看出，冻融循环次数一定时，在未冻融时粘聚力随石灰含量增加呈现为先增加后减小再增加的变化趋势.当冻融次数为第1次时，粘聚力表现为石灰含量达到3%前逐渐增加，然后在随石灰含量5%时，粘聚力降低，7%时又急剧增加.冻融次数第4、7、10次时，粘聚力在石灰含量为1%有所降低，之后在石灰含量为3%时各含量粘聚力均有所恢复，表现为增加，之后随石灰含量继续增加，第7、10次冻融循环表现为整体衰减.总体来看，经过冻融循环之后，粘聚力大小在不同石灰含量时有起伏，总体变现为在石灰含量为3%时粘聚力达到最大值.

图6 不同石灰膨胀土配合比下粘聚力随冻融循环次数的变化关系

图7 粘聚力在不同冻融循环次数下随石灰含量增加的变化关系

4 结语

膨胀土中的硅铝等元素易与石灰产生化学反应，产生胶体物质，能有效提升膨胀土的抗剪强度.北方冬季气温温差大，处于季节性冻融区，因此加入石灰的膨胀土经过冻结作用，水分向表面温度优先变低的区域产生迁移，从而造成局部水分过于集中，水冻结之后，体积增加，易破坏已经产生胶结的土体，从而造成土体强度弱化.通过上述试验，得到如下几点结论.

(1)在上覆压力一定下，石灰含量越高，抗剪强度越大，随冻融循环次数的增加，抗剪强度变化率越小.

(2)石灰含量越高，抗剪强度指标内摩擦角越大，受冻融循环次数的影响越小，在相同的冻融循环次数下，石灰含量越高，内摩擦角越大.

(3)石灰含量越高，粘聚力受冻融次数的影响越大，随冻融循环次数的增加，粘聚力的变化范围越小.在相同冻融循环次数下，随石灰含量增加，粘聚力变化前期呈波浪变化.