不同石灰配合比对昔格达土性能的影响试验研究

阮小龙1, ，黄双华 ，罗 强

(1．西华大学建筑与土木工程学院， 四川 成都 610039；2.攀枝花学院土木与建筑工程学院 ，四川 攀枝花 617000)

攀西地区地处云南四川交界处，地势复杂，山坡较多，在区域经济不断发展的同时，区域建设也不断增多，因而常会遇见修建高回填昔格达土边坡。而此地区的昔格达土是弱胶结半成岩，结构颗粒分散，凝聚力小，抗剪强度低，遇水易膨胀软化，这些不利工程性质都为高边坡产生失稳甚至滑坡等地质灾害埋下安全隐患。虞跃等[1]曾做过用水玻璃改良昔格达土物理力学性质的试验研究，而石灰是一种价格更低廉的建筑材料，目前较多用于路基路面中改良土的压实性能[2-3]，也常用于改善土质和增强土体强度[4-5]。本文利用石灰对攀枝花某高回填边坡的昔格达土进行改性试验研究。由于土体抗剪强度对高边坡稳定性起控制作用，故用1∶9、2∶8、3∶7、4∶6的灰土配合比，通过界限含水率试验、击实试验和三轴试验，探究了不同灰土配合比对昔格达土的塑液限、击实性能和抗剪强度指标的改性效果,并结合工程实际分析了该掺石灰高回填昔格达土边坡多年的使用状况。

1 试验材料

1.1 昔格达土

昔格达土按地层分为黏土岩和砂岩，属于弱胶结半成岩。本试验用土取自攀枝花某高边坡工程，属于人工回填昔格达土。该土属于泥质粉砂岩，塑限为45.7%，液限为26.2%，泥质粉砂岩胶结程度低，结构颗粒松散，该土的主要物理指标参见表1。

表1 昔格达土的物理性质

1.2 石灰

石灰是一种以氧化钙为主要成分的气硬性无机胶凝材料。试验所选用生石灰CaO和MgO总质量分数约为72%，MgO质量分数≤5%，属Ⅲ级钙质石灰。生石灰(CaO)经过充分熟化生成Ca(OH)2，晾干后方可用于试验。

2 界限含水率试验

2.1 试验方案

取适量土样风干，测定风干含水率，碾碎，过0.5 mm筛。将生石灰熟化，风干后过0.5 mm筛，按1∶9、2∶8、3∶7、4∶6的配合比例与原样土拌合，装入塑料袋，放置1 d，让土的含水率均匀。然后，分别测定各界限含水率，以了解不同石灰配合比对昔格达土界限含水率的影响。

2.2 石灰土塑、液限的变化

取出试样，利用塑液限联合测定仪分别测定对重塑土以及不同配比的石灰拌合土的塑、液限，试验成果见表2，塑、液限变化趋势见图1。

表2 不同石灰配合比灰土的塑液限指标

从变化趋势图可以看出，塑限、液限总体呈现增大趋势，但在掺入配比约为3∶7时出现峰值，之后塑限呈减小趋势；而塑限指数呈减小趋势，从20.42%减小到12.70%，减少了38%，这说明石灰对昔格达土的亲水性有较好的降低改性效果。灰土的塑液限增大而塑限指标降低，这是因为生石灰熟化不充分，掺入的石灰中含有少量未熟化生石灰，生石灰熟化消耗掉土中的一部分水而致使灰土处于一种粉砂状态，与此同时石灰与空气中的二氧化碳发生化学反应，生成强度更高的碳酸钙，包裹住原来的土粒，使原来的散粒结构形成团粒结构。

图1 塑液限变化趋势图

3 击实试验

3.1 试验方案

本击实试验根据GB/T 50123—1999土工试验方法标准，重塑土碾碎过5 mm筛，石灰过2 mm筛，重塑土和灰土(配合比分别为1∶9、2∶8、3∶7、4∶6)以不同的设定含水率进行拌合制样，装入塑料袋，放置1 d，使水分均匀分布到土体。然后，再使用击实仪测各土的最优含水率和最大干密度。

3.2 石灰土最优含水率、最大干密度的变化

试验采用轻型击实仪，轻型击实试验击实功约为592.2 kJ/m3，分3层击实，每层27击，分别对重塑土及不同配合比的灰土进行击实，再测定击实后的干密度及含水率，然后得到击实曲线。通过击实曲线可以得出重塑土及不同配合比的灰土最优含水率和最大干密度(见表3)，不同配合比最优含水率变化趋势曲线、最大干密度变化趋势曲线见图2、图3。

表3 不同配合比灰土的最优含水率及最大干密度

图2 最优含水率随石灰掺入百分量变化趋势

图3 最大干密度变随石灰掺入百分量变化趋势

从表2可以发现，随着掺灰量的增加，最优含水率不断增大，最大干密度不断减小。从图2、图3可以看出，随着石灰掺入配比的增加，最优含水率逐渐增大而最大干密度几乎接近直线下降。这是因为石灰与土拌和，石灰与空气中的二氧化碳发生化学反应，细小颗粒凝聚和絮聚，土结构发生变化，成为较大颗粒，影响了土的压实性能。

4 三轴试验

4.1 试验方案

根据最大干密度(分别为1.58 、1.52 、1.46 、1.42 、1.37 g/cm3)和击实仪的体积以及所需试件个数大概估算所需土料质量，并以各灰土配合比(1∶9、2∶8、3∶7、4∶6)的最优含水率(分别为20.7%、21.3%、23.4%、 24.4%、 26.9%)配制土料，放入塑料袋搁置12 h，让土体含水率均匀，分别制成3个试件，在同等条件下养护1周。

4.2 抗剪强度指标

图4 养护7 d重塑土莫尔应力圆

图5 养护7 d 1∶9灰土莫尔应力圆

图6 养护7 d 2∶8灰土莫尔应力圆

图7 养护7 d 3∶7灰土莫尔应力圆

图8 养护 7 d 4∶6灰土莫尔应力圆

取出试件，用土工三轴试验仪器使试件分别在不同围压(100、200、300 kPa)作用下施压轴向压力直至试件破坏并绘出莫尔应力圆，如图4—8所示。不同石灰配合比灰土的抗剪强度指标如表4所示。不同石灰配合比灰土的凝聚力变化趋势和内摩擦角变化趋势如图9—10所示。

表4 不同石灰配合比灰土的抗剪强度指标

图9 凝聚力Cu变化趋势图

图10 内摩擦角Φu变化趋势图

通过观察内摩擦角Φu变化趋势图及凝聚力Cu变化趋势图，可以发现随石灰配合比的不断增加，凝聚力和内摩擦角增加不少，呈现先不断增加后缓慢减小的变化趋势，凝聚力和内摩擦角都在石灰掺量约3∶7时，到达最大值，因此得出结论，昔格达土的最佳灰土配合比为3∶7。

5 掺石灰高回填昔格达土边坡的使用状况

该高回填昔格达土边坡修建于攀枝花某运动场，在回填土中掺有一定比例的石灰，通过对该边坡的观察发现，使用十余年，坡面依然完好，坡体仍然稳固，从建成至今没有出现过任何坍塌、滑坡等地质灾害。因为石灰与昔格达土形成的复合土体经过长时间碳化后在表面生成碳酸钙(CaCO3)硬壳，阻止了雨水从表面渗透进入坡面内部，从而有效地防治了昔格达土吸水膨胀软化等不利工程性质，避免了出现由此而引起的边坡失稳问题。至于渗透系数的具体改性效果，有待继续研究。

6 结论

1) 生石灰熟化不充分，掺入的石灰中含有少量未熟化生石灰，生石灰熟化消耗掉土中的一部分水而致使灰土处于一种粉砂状态，与此同时石灰与空气中的二氧化碳发生化学反应，生成强度更高的碳酸钙，包裹住原来的土粒，使原来的散粒结构形成团粒结构。试验结果表明石灰掺入昔格达土后，石灰对昔格达土的亲水性有很好的降低改性效果，且改良亲水性的最佳灰土配合比约为3∶7。

2) 由于石灰与土拌和，熟石灰与空气中的二氧化碳发生化学反应，细小颗粒凝聚和絮聚，土结构发生变化，成为较大颗粒，影响了土的压实性能。石灰密度比土小，而石灰产生化学反应需要消耗很多的水，故随着石灰掺入量的增加，最大干密度不断减小，最优含水率不断增大。

3) 由于石灰掺入土体后，熟石灰与空气中的二氧化碳发生化学反应，改变了土体原内部结构，使土体凝聚力更强，内摩擦角更大。随着石灰掺入量的不断增加，凝聚力和内摩擦角增加不少，呈现先不断增加后缓慢减小的变化趋势，凝聚力和内摩擦角都在灰土配合比约3∶7时，到达最大值。最后得出结论，昔格达土的最佳灰土配合比约为3∶7。

4) 通过对攀枝花某高回填边坡实际工程的多年观察发现，石灰与昔格达土的复合土，增强了土体的渗透力，阻止了雨水从表面渗透进入坡面内部，隔绝了雨水与坡体内昔格达土接触，从而有效地防治了昔格达土吸水膨胀软化等不利工程性质引起的边坡失稳工程事故。

[1]虞跃,陈廷方,张俊,等.水玻璃改良昔格达土物理力学性质的试验研究[J].路基工程,2010(2):84-85.

[2]贺建清,张家生.石灰改良软土路基填料饱水强度特性研究[J].矿冶工程,2004,24(4):18-21.

[3]叶需宝.浅谈石灰土在高等级公路中的应用[J].黑龙江交通科技,2006,29(7):17,19.

[4]王天亮,刘建坤,田亚护,等.冻融作用下水泥及石灰改良土静力特性研究[J].岩土力学,2011,32(1):193-198.

[5]杨贝贝,白建亭.含水量和干密度对灰土强度的影响因素[J].四川建材,2011,37(5):71-71,73.

[6]南京水利水电科学研究所.土工试验技术手册[M].北京：人民交通出版社，2003.