（岩土工程专业论文）石灰稳定土强度影响因素研究及其合理填筑条件探讨.pdf

摘要 本文在总结前人研究成果的基础上，结合宁淮高速公路建设过程中遇到的一些实际工 程问题，通过室内试验，比较深入地探讨了弱膨胀士石灰稳定土的物理力学性质。 结论表明：击实过程中，弱膨胀土石灰稳定土的干密度对含水率的变化不敏感：弱膨 胀土石灰稳定土的最优含水率往往难以准确判断；最大干密度随着灰剂量的增加连续降 低，当灰剂量小于3 时，最大干密度随着灰剂量的增加降低比较快：当扶剂量大于3 时，最大干密度随着灰剂量的增加降低比较慢。 土块粉碎程度越高，弱膨胀土石灰稳定土的无侧限抗压强度就越高。当灰斋量小于 7 时，消石灰分散程度对弱膨胀土石灰稳定土的无侧限抗压强度无明显影响：当扶剂量 大于7 时，消石灰分散程度对弱膨胀土石灰稳定土的无侧限抗压强度有明显影响；消石 灰的分散程度越高，弱膨胀土石灰稳定土的无侧限抗压强度就越高。制样含水率对弱膨胀 土石灰稳定土的强度及其干湿变形有重要的影响。为了确保工程质量，工程建设中应当严 格控制好弱膨胀土石灰稳定的填筑含水率。 由于弱膨胀土石灰稳定土的最优含水率往往难以准确判断，以最优含水率为参考值确 定其填筑含水率范围的传统方法不可靠。作者提出以下2 种新方法，仅供参考。 1 联合采用击实曲线、制样含水率强度关系曲线确定石狄稳定土的填筑含水率范 围； 2 若w 代表使土体的千密度开始下降比较快的含水率( 该含水率不一定是最优含水 率，但是在该含水率下土体接近饱和) ，则建议将弱膨胀土石灰稳定土在( w - 3 ，w ) 内 压实。 关键词：膨胀土；石灰稳定土；击实特性：无侧限抗压强度：c b r ；最优含水率：合理 的填筑条件；干湿循环 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h i st h e s i si ss e r v e df o rt h ec o n s t r u c t i o no f n i n g h u a ie x p r e s s w a y b a s e d o nt h ea n a l y s i sa n de x p a r i m e n t so ft h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fl i m e - s t a b i l i z e ds o i l si n c h i n aa n da b r o a d ，c o m p a c t i o nt e s t s ，u n c o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s t s ，c b rt e s t sh a v eb e e n c o m p l e t e d f o rt h en a t u r a ls o i la n dl i m e s t a b i l i z e ds o i l sf r o mn i n g h u a ie x p r e s s w a yp r o j e c t t h e c o m p a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e na n a l y z e db yc o m p a c t i o nt e s t s t h ei n f l u e n c ef a c t o r so n t h e s t r e n g t ho fl i m e - s t a b i l i z e d s o i l sh a v eb e e nd i s c u s s e df r o ms o i l m r s s ，h y d r a t e dl i m e d i s p e r s i o na n ds a m p l i n gw a t e rc o n t e n t s t w om e t h o d sf o rd e t e r m i n i n ga p p r o p r i a t er a n g eo f s a m p l i n g w a t e rc o n t e n t sf o rl i m e - s t a b i l i z e ds o i l sh a v eb e e n d e v e l o p e d i nt h i st h e s i s t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n s a r eo b t a i n e df r o mt h er e s e a r c ho f t h i st h e s i s ： d r y d e n s i t i e so f c o m p a c t e dl i m e s t a b i l i z e de x p a n s i v e s o i l sa r ci n s e n s i t i v et ot h ec h a n g eo f w a t e rc o n t e n t s m a x i m u md r yd e n s i t i e sd e c r e a s ec o n t i n u o u s l yw i t ht h ed e c r e a s eo fl i m e c o n t e n t s m a x i m u md r yd e n s i t i e sd e c r e a s es h a r p l yi nt h er a n g eo f0 3 o fl i m ec o n t e n t sa n d g e n t l yf o rt h el i m ec o n t e n t sa b o v e3 o p t i m u mw a t e rc o n t e n t so f l i m e s t a b i l i z e de x p a n s i v e s o i l s 粥n o t e a s yt od e t e r m i n ee x a c t l yb e c a u s eo f t b eg e n t l ec o m p a c t i o nc u r v e s f o rs p e c i m e n so f5d a y s c o n s e r v a t i o n , t h es m a l l e rt h es o i lm a s s e sa r c ，t h eh i g h e rt h e s t r e n g t ho f l i m e - s t a b i l i z e de x p a n s i v es o i l sa r e h y d r a t e dl i m ed i s p e r s i o nh a v e s l i g h ti n f l u e n c e o nt h es t r e n g t ho fl i m e - s t a b i l i z e de x p a n s i v es o i l sw h e nl i m ec o n t e n t sa r el e s st h a n7 a n dh a v e s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h es t r e n g t ho f l i m e s t a b i l i z e de x p a n s i v es o i l sw h e nl i m ec o n t e n t sa r e m o r et h a n7 s a m p l i n gw a t e rc o n t e n t sh a v ea s t r o n gr e l a t i o nt ot h es t r e n g t ha n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fc y c l i cw e t t i n ga n dd r y i n go fl i m es t a b i l i z e de x p a n s i v es o i l s f o rb e t t e rq u a n t i t i e s o f r o a db a s e s ，s u c hs t a b i l i z e ds o i l ss h o u l db e c o m p a c t e d a ta p p r o p r i a t ew a t e rc o n t e n t s t h ed e t e r m i n a t i o no ft h ec o m p a c t i o nw a t e rc o n t e n t sa c c o r d i n gt ot h eo p t i m u mw a t e r c o n t e n t so b t a i n e df r o mc o m p a c t i o nt e s t sc a nn o tb e a c c e p t a b l e t h ef o l l o w i n gm e t h o d sa r e d e v e l o p e d i nt h et h e s i s 1 u s ec o m p a c t i o n c u r v e s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns a m p l i n gw a t e rc o n t e n ta n ds t r e n g t ht o d e t e r m i n et h er a n g e o f c o m p a c t i o n w a t e rc o n t e n t s 2 i fw r e p r e s e n t sw a t e rc o n t e n tw h e r et h ed r yd e n s i t i e sb e g i nt od e c r e a s es h a r p l y ( t h e s o i l sa l en e a r l ys a t u r a t e d ) ，t h ea p p r o p r i a t er a n g e o f c o m p a c t i o n w a t e rc o n t e n t si sa p p r o x i m a t e l y ( w - 3 ，、v ) f o rs o i l sw i t hl i m ea d d i t i v ea m o u n t si n4 1 3 k e yw o r d s ：e x p a n s i v es o i l ，l i m e - s t a b i l i z e d s o i l ，c o m p a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，u n c o n f i n e d c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，c b ro p t i m u m w a t e rc o n t e n t ，a p p r o p r i a t ec o m p a c t i o nc o n d i t i o n c y c l i c w e t t i n g a n d d r y i n g 珏 苎二兰堕堡一 第一章绪论 1 1 概述 工程建设中，常采用在土体中掺入石灰、水泥、粉煤灰等外加剂的办法来提高土体的 强度、降低土体的压缩性或改善土体的变形特性，这种混合土常称为稳定土。按照外加剂 类型，稳定土可分为石灰稳定土、水泥稳定土、二灰土等“1 。稳定土属于加固土类，加固 土的方法有多种，如压实、强夯、排水、加入外掺剂、热处理、电化学处理等。加固土作 为- 1 9 学科来研究仅有几十年的历史。由于它在国民经济中占有重要地位。因而发展很快。 正在逐步形成- - ( 3 分支学科。1 。本文将讨论膨胀土的石灰稳定土作为高速公路路基填料的 工程力学性质 1 2 应用历史与研究现状 1 2 1 石灰稳定土的应用历史 用掺加石灰的办法改善土体的稳定性和提高土体的力学性能早已为人们所熟知。在古 代中国，石灰稳定土常被用作城廓、寺塔的地基，如：北京高大城墙、圆明匿宫殿的地基 。1 ；在国外，用石灰拌和的粉土和粘土曾用来修建过罗马的一些道路”3 。 大约在1 9 3 0 年前后，随着土力学试验的发展，石获稳定土开始在世界范围内普及和 全面接受”。世界各国广泛利用石灰稳定土作为路基或堤坝的填筑材料，尤其是高速公路、 高速铁路、机场道路等重大工程。世界各国还将石灰稳定土用作房屋、桥梁等建筑物的地 基，并且规模比以前大得多。到2 0 世纪9 0 年代末期，些重大建筑物，如高层建筑、大 型发电厂，开挖深度达l o 余米，石灰稳定土垫层厚度远远超过以前认为经济合理的石灰 稳定土垫层厚度( 1 3 m ) “1 。 石灰常常被用来稳定膨胀性岩土。卅湿陷性黄土聊、红粘土”川、分散性士、淤泥、 重金属污染土”等等。人们已经在石灰稳定土使用方面取得了比较丰富的使用经验啪”“ “。石灰稳定土之所以受到岩士工程界的重视是因为实践证明石狄稳定土具有良好的工程 性质，同时石灰价格低廉、资源广泛。 1 2 2 石灰稳定土研究现状 1 石灰稳定土强度增长机理 从= 十世纪六十年代开始，国内外学者对石灰稳定土强度增长机理进行了大量的研 究。石灰稳定土强度增长机理可归纳为如下四种： ( i ) 生石灰消化放热反应及膨胀挤密作用 用生石灰稳定土的效果往往比用消石灰好。这主要是由于：一方面，生石灰消解放热。 翌堂盔兰堡圭丝堕塞二一 加快了土与石灰之间的反应速度；另一方面，生石灰消解时膨胀，对土体有一定的挤密作 用。反应式为： c a o + h 2 0 = c a ( o h h + 1 5 3 千卡 然而，道路工程实践表明：碾压完成后，石灰稳定土_ 申若含有消解不充分的生石灰，在养 生过程中，生石灰继续吸水消解产生体积膨胀，致使填土表面出现胀松鼓包现象，影响稳 定土层的强度和平整度“，因此，公路规范“”明确要求石灰在使用前7 i o 天消解，以便 保证其充分消解。 ( 2 ) 消石灰碳酸化作用 消石灰与空气中或与土中的c 0 2 反应生成具有微结晶性能的c a c 0 3 和m g c 0 3 ，加强 了土粒之间的连接，反应式为： c a ( o h h + c 0 2 = c a c 0 3 + h 2 0 g l e n n 等人池。嘲将石灰稳定土样放在空气中养护，结果测出了c a c 0 3 。南京大学地质系及 江苏省建筑设计院m 1 将现场取得的生石灰桩加固土土样在偏光显微镜下观察，发现了新生 的方解石晶体。e a d c s 和p e t t y 啪1 等人也得出了类似结论。但是，在实际应用中，除非 是表层灰土，否则。c 0 2 是很难避入土中与消石灰发生反应的。g l e n n 的试验结果表明。 袁层处理时约有2 5 的c a c 0 3 的生成可归因于碳酸化作用。用石次处理深层的样， 在取样和试验过程中不可避免地要暴露在空气中，报难说明方解石微晶是在取样前生成 的。笔者认为，碳酸化作用必然会降低石灰稳定土中有效c a o 、m g o 含量，郁弱石驮与 土的进一步反应，因而会产生不良的后果。 ( 3 ) 离子交换与凝聚作用 石灰稳定土的壤溶液中的c a 2 + 与吸蹦在土粒周图的阳离子发生离子交换使得e a 2 + 约束在土粒表面，颗粒的双电层变薄，改变了土的带电状态帆。这种交换是有条件的， 吸附在土粒周围的阳离子的吸附能必须小于c a 2 + 。离子交换的结果使得土颗粒迅速靠拢， 小颗粒聚集成大颗粒并相互咬合，从而提高土体的强度。这就是凝聚作用。这种聚集受到 孔隙水中电解质浓度的影响御。“。不过，不要把离子交换看成是凝聚作用发生的唯一原因， 因为在c a ( o h ) 2 加入之前，在钙离子浓度达到饱和的土中也应该存在着离子交换，在反应 缓慢时不发生这种过程，这种现象还没有满意的解释。t h o m p s o n 。”认为离子交换对石扶 稳定的物理性质指标影响较大几乎所有类型的，郎使加入少量的石灰均有此反应。 ( 4 ) 火山灰作用 土中的粘土矿物、非粘士矿物如活性s i 0 2 、a i = 0 3 等与石灰发生火山灰反应，生成水 化硅酸钙( c s h ) 3 c a o 2 s i o ：h 2 0 ) 或水化铝酸钙( c a h ) 3 c a o a 1 2 0 3 ，c a ( o h ) 2 - 1 2 h 2 0 ) 及水化硅铝酸钙( c s a h ) 汹1 。c s h 有c s h ( i ) 和c s h ( i i ) 两种晶体形式和一种叫做雪硅 钙正( t o b e r m o n s i t c ) 的胶体形式，这种胶体是晶体生长过程黔初始形态”。这些生成物与 硅酸盐水泥水化后的生成物相同。张小平等人的试验结果表明：这种凝胶物质能将矿 2 物颗粒连接和胶结起来，从而改变了整个孔隙结构。 中的原生矿物如石英、长石等几乎不与石灰反应，在形成雪硅钙石之前，土中必须 有最小含量的石灰加入才能使土的性质改变。e a d c s 等人通过试验假定，在离p h 值的环 境中，s i 0 2 从粘土矿物中分离出来，遇c a 2 + 形成水化硅酸钙，只要土中存在c a ( o h h 和 一定的s i 0 2 ，这种过程就会继续。生成物产生后，土颗粒的边缘受到腐蚀。高国瑞”1 用扫 描电镜观察龄期长的石灰稳定土，发现了大量的纤维状物质，据此，他认为石灰稳定土的 强度增长受到这些丝状物的产生和生长速度的控制。但w i l d 对丝状物的出现提出质疑， 认为强度增长的原因归因于胶体的产生和土结构的改善更为合适。 火山灰反应发生的前提条件之一是强碱性环境( p h 1 2 4 ) 。使土壤p h 值达到1 2 4 所 需要的最小灰剂量因土类与石灰的质量而异。但是通常接近3 。这是通常情况下，在土 中掺入少许石灰( 通常指0 2 ) ，土的强度不会有明显改善的原因“1 。 在上述四种石灰稳定土强度增长机理中，离子交换与凝聚作用、火山灰作用是主要的， 生石灰消化放热反应及膨胀挤密作用、消石灰碳酸化作用是次要的。在这一点上，岩土工 程界已经形成了基本统一的认识。m “加”。不过，对于不同龄期的石灰稳定土来说，前2 种物理化学反应对石灰稳定强度所起作用的大小是不同的。b o a r d m a n * 1 通过试验发现 龄期小于7 天的石灰稳定土中几乎没有火山灰反应产物生成，据此，他将石灰稳定士的早 期强度( 0 7 天龄期) 增长归因于粘土颗粒的离子交换和凝聚作用，将石灰稳定土的后 期强度( 7 天以后) 的增长归因子火山灰反应。 2 石灰稳定土的物理力学性质 石灰与含水的粘土相接触后将发生一系列物理化学反应。这些物理化学反应将引起土 的所有物理力学性质变化，也就是说，石灰稳定土的所有物理力学性质依赖于石灰与粘土 矿物之间的物理化学反应。这导致石灰稳定土的物理力学性质受多种因素的影响。这些影 响因素包括；土的类型、石灰的类型、外掺剂、含水率、灰剂量、试验过程、拌和与压实 之间的等待时间、压实度、石灰拌和的均匀程度、龄期、养生条件( 温度、环境湿度) 等。 实践证明： 当石灰稳定土的含水率小于某值时，石灰与土之间基本上不发生化学反应。 在含水率合适的条件下，当灰剂量小于某个值时，石灰稳定土的各种物理性质指标随 着灰剂量的增加而变化较快，当灰剂量大于某个值时，石灰稳定土的各种物理性质指标随 着灰剂量的增加而变化缓慢。这一灰剂量被称为“改性点”( f i x a t i o np o i n t ) 。“。改性点， 随着土与石灰的类型的变化而变化，但基本上接近3 。 石灰对土的主要物理力学性质的影响分述如下： ( 1 ) 界限含水率 通常说来，掺加石灰会引起高液限粘土的液限减小，低液限粘土的液限增加：塑限增 加和塑性指数降低汹”1 。 3 塑塑查兰堕圭兰堡堡塞一 石灰稳定土塑性指数的降低需要一定的时f l ；【j ，而所需时间的长短依赖试验过程。一般 来说，生石灰引起的反应比消石灰更快些。文献“1 对比了生石灰与消石灰降低某种粘性土 塑性指数的速率：掺抛生石灰后，该土的塑性数降低的时问为1 0 1 5 天：掺加消石灰后， 该粘性土的塑性数降低的时间超过1 5 天。 o s u l a 蛳分别对红粘土及其石灰稳定土进行颗粒分析，试验结果表明：如果将石狄与古 水的粘土充分拌和均匀，那么仅需往红粘土中掺加l 的石灰，土的级配便可立即发生变 化，浸润l 小时左右红粘土的石灰稳定土中不再含有粘粒。石狄稳定士界限含水率的变化 可以归因于阳离子交换作用引起的石灰稳定土的级配和矿物成分的变化“”。 塑性较高的粘性土掺石灰后粘性降低，这对工程建设有重要意义。粘性土的粘性减小 后更容易破碎，含水率更容易均匀降低，可以加快工程建设进度。工程上常采用二次掺灰 工艺，第一次向土中掺加生石灰的主要目的就是降低粘性土的塑性指数以便使土块变得更 容易破碎并快速均匀降低含水率，也使第二次掺灰更容易拌和均匀；第二次向土中掺加消 石灰，以改善土体的变形性质和增加土体的强度”1 。 ( 2 ) 击实特性 图1 1 列出了凡种典型的土掺石灰以后的击实曲线( a 为某种粉质粘土掺灰8 ，采 用干土法的试验结果“”；b 为宁淮高速公路五管段取土坑膨胀土掺灰9 ，采用干土法的 试验结果“”；c 、d 分别为宁淮高速公路7 号、6 号取土坑膨胀土各掺灰5 ，采用瀑土法 的试验结果嘲1 ；e 、f 分别为同一种粘土质砂掺石灰7 与不掺石灰，采用千土法( 未说 明浸润时间) 的试验结果“”；g 、h 为同种斑脱土( 膨胀土) ，前者为石灰处理土，后者 为石灰与食盐联合处理土( 其中前者掺灰8 ，后者除掺灰8 外，还掺入n a c i3 ) ，采 用干土法( 试样拌和以后立即击实，即不经过浸润过程) 的击实试验结果“) ：i 为某种 膨胀岩掺灰8 ，采用干土法的试验结果m ；j 为某种黄土( 粉质粘士) 按照掺灰比2 ：8 ， 采用于土法的击实试验结果嘲；k 为纽约粘土( u n i o n c i t yc l a y ) ，采用干土法( 浸润1 小 时) 击实的试验结果m 】。) 481 21 6 2 0 w 名4 2 83 23 64 04 81 21 62 0 w 2 4 2 83 23 64 0 图1 1 石灰稳定士击实曲线“ 4 石灰稳定士击实曲线的形态特征 从图1 1 可以看出：除粘土质砂石灰稳定土的击实曲线峰值比较明显外，粘性土和粉 质粘土的石灰稳定土的击实曲线均十分平缓，其中以膨胀性岩土的石灰稳定土最为典型。 表明，在击实过程中，这些石灰稳定土的干密度对含水率的变化不敏感。 笔者认为：石获稳定土击实曲线的这种形态特征的形成应该归因于石灰引起粘土颗粒 凝聚成较大的颗粒，并导致石灰稳定土中基本不再含有粘粒以及土的级配发生了重大改 变。 o 石灰稳定土的最大干密度随着灰剂量变化的规律 粘性士、粉质粘土以及粘土质砂的石灰稳定土的最大干密度随着灰剂量的增加而减小 旧o ”“”“叭“。这种现象应当归因于：一方面，石灰稳定土中的阳离子交换作用引起粘土颗 粒絮凝和絮聚成为较大颗粒，从而土的级配发生变化；另一方面，石狄颗粒密度( 约 2 2 9 c m 3 ) 比土粒密度( 约2 7 g ，c m 3 ) 小。灰剂量在某一范围内变化时，最大干密度与石 灰剂量之间近似呈线性关系呻1 。砂土石灰稳定土的最大干密度随着石灰剂量的增加而增加 ，这种现象可以归因子石灰充填砂土颗粒之间的孔隙，从而砂土变得更加密实。 石灰稳定土的最大干密度随着击实延迟( 石狄稳定土拌和与击实之间的等待时 间) 而不断降低叫“。这种现象可以归因于：一方面，粘土颗粒进一步凝聚成为较大颗粒， 从而石灰稳定土的级配进一步改变；另一方面，土粒之间形成了新的连接，击实石灰稳 定土需要打破这些连接因此需要消耗一部分击实功。 石灰稳定土的最大干密度随着击实延迟而不断降低的规律是工程中要求石灰与土拌 和后及时压实的原因之一。 ( 3 ) 石灰稳定土的强度 与素土相比，石灰稳定土的无侧限抗压强度有显著提高；粉土石灰稳定土、膨胀土 的石灰稳定土“邮”的动力特性均有显著的改善：石灰稳定土的c b r 值大大提高m 。崔 韦等人“”的研究结果表明：仅需掺加2 的石灰，膨胀土的c b r 值便能够满足道路设计 规范的要求。 温度对石灰稳定土强度的影响 养生温度对石灰稳定土的强度有明显影响。养生温度越高，石灰稳定土的强度也越高； 在温度低于5 时，石灰稳定土的强度增长很慢”“脚1 。杨志强等人m 1 的研究结果表明：石 灰稳定土试样在8 0 c t 养护4 8 小时后的强度可以达到同样的试样在室温下养护2 年后的 强度因此，工程中石灰稳定土应当选择在春末和夏季旋工。施工期的l e t 最低气温应在5 以上并应在第一次重冰冻到来前一个月到一个半月前完成。稳定土层应当经历半月以 上温暖和热的气候养生口“。 龄期对石灰稳定土强度的影响 石灰稳定土的强度随着龄期增加跚m 儿州瑚3 。由于石灰稳定土的后期强度增长主要由石 5 塑查奎兰堡主兰垡丝苎 灰与土之间的火山灰反应引起的。随着火山灰反应的进行，灰剂量不断衰减，当灰剂量小 于某值时，土壤溶液的p h 值达不到1 2 4 ，火山灰反应难以进行，从而石灰稳定土强度几 乎不再增长。灰剂量高的石灰稳定土中灰荆量衰减所经历的时恻更长一些，所以狄剂量较 高的石灰稳定土强度增长直到稳定所经历的时间更长。 灰剂量对石敦稳定土强度的影响 灰剂量是石灰稳定土强度的主要影响因素之一8 聃4 m ”。对于某种确定的土而 言，存在某个值，当灰剂量小于该值时，石灰稳定土强度随着灰剂量的增加而增加；当灰 剂量大于该值时，石灰稳定土强度有可能随着灰剂量的增加反而降低。这个灰剂量值被称 为考虑无侧限抗压强度单因素条件下的最佳灰剂量。文献“3 、韩晓雷等人”1 的研究结果表 明：石灰稳定土的最佳灰剂量是随着龄期增长而增加的。因此，实际工程中，如果按照无 侧限抗压强度单因素来设计最佳灰剂量，那么应当根据实际养生期的长短来选择最佳灰剂 量。 制样含水率对石灰稳定土强度的影响 程平等人h 帕分别以弱、中、强三种膨胀土为例，各掺石灰4 ，在不同含水率下击实， 然后浸水，进行c b r 试验。试验结果见图1 2 。弱、中、强三种膨胀土的石灰稳定土的制 样含水率c b r 值关系曲线的形态有较大的差异：弱膨胀土的石灰稳定土的制样含水 率c b r 值关系曲线陡峭；强膨胀土的石灰稳定土的制样含水率c b r 值关系曲线平缓： 中膨胀土的石灰稳定士的制样含水率c b r 值关系曲线的形态特征界于二者之间。由于 制样含水率c b r 值关系曲线可以明确地反映出：将填筑含水率控制在什么变化范围内， 石灰稳定土地基路基的强度更高，这类曲线对于指导现场填筑石灰稳定土具有重要的意 义。 余湘娟等人o ”对比了膨胀土的石灰稳定土的非饱和试样与饱和试样的强度。2 种试样 芝6 0 盛 u 3 0 均按照击实试验所得到的最优含 水率和9 4 的最大干密度制备。 非饱和试样制备后直接养护；饱 和试样制备以后立即抽气饱和， 然后迸行养护。她们将试样分别 养护7 天、2 8 天以后进行强度试 验。结果表明：掺石狄后饱和土 的无侧限抗压强度比非饱和土的 ”。 高。据此，她们认为：( 1 ) 在保证 图l 2 膨胀土的石灰稳定土的制样含水率c b r 值关 压实度的条件下，较大的；莱； 更有利于石灰与土之间的化学反应：( 2 ) 在实际石狄稳定土的旅工过程中，在保证压实度的 条件下，填筑含水率宁高勿低。 6 苎二兰堑堡 韩晓雷等人嗍采用3 种不同的含水率( 第一种为最优含水率- 2 ，第二种为最优含水 率，第三种为最优含水率+ 2 ) 制备了黄土石灰稳定土试样。他们将试样养护一定龄期以 后进行无侧限抗压强度试验。试验结果表明：第一种制样含水率的石灰稳定土试样的强度 比第二种制样含水率的石灰稳定土试样略低，第三种制样含水率的试样强度比前2 种试样 的有较大幅度的降低。表明：控制黄土石灰稳定土的填筑含水率时，宁低勿高。 l o c a t 等人“”研究了含水率对灵敏性粘土石灰稳定土强度的影响。他们分别制备了5 种含水率( 含水率变化范围为素土的塑限+ 5 至2 倍的液限含水率) 的石灰稳定土试样， 采用修正的普氏标准( 相当于我国的重型击实标准) 击实( 对于含水率过大而无法击实的 试样，将石灰稳定土拌和均匀后，倒入与击实筒尺寸相同的塑料瓶内成形) 。当试样养护 至预定的龄期以后分别测定其强度。试验结果表明：如果适当增大灰剂量并保证石灰稳定 土有足够长的龄期( 3 0 0 天左右) ，那么高含水率粘土可以采用石灰稳定；2 狄剂量在o 1 0 内变化时，石灰稳定土抗剪强度与含水率之间呈指数关系。这项研究对于探索石灰加 固软粘土问题有重要指导意义。 程平等人的研究成果使人们认识到：控制好中、弱膨胀土的石灰稳定土的填筑含水率 对提高工程质量有重大意义。可惜他们没有将制样含水率c b r 值关系曲线与石扶稳定 土击实曲线进行对比分析。因而，人们无法知道实际工程中普遍采用击实曲线指导现场石 灰稳定土填筑的作法是否合理。韩晓雷等人将石灰稳定土的强度与击实曲线联系起来，研 究成果对指导黄土石灰稳定土填筑有重要的实际意义。 石灰拌和的均匀程度对石灰稳定土强度妁影响 石灰拌和越均匀，石灰稳定土的质量越好。如果石灰稳定土中直径小于5 姗的土块含 量过低，石灰稳定土的强度会特别低“1 。其原因是石灰拌和越不均匀，一方面，石灰与土 颗粒直接接触的机会越少，火山灰反应的速度越慢；另一方面，火山扶产物在石扶稳定士 中的分布越不均匀，这2 个方面均使得石灰稳定土强度更低。 由于室内试验条件的限制，石灰稳定细粒土的室内试验凡乎均是将土块粉碎至全部通 过5n n 筛孔，因而研究直径小于2 觚的土块含量对石灰稳定土强度的影响对于室内石灰稳 定强度试验具有一定的指导意义。 外掺剂对石灰稳定土强度的影响 石灰稳定土的早期强度往往比较低，尤其是低温条件下，他们的强度增长更慢，这限 制了低温条件下的施工、施工进度以及行车安全。国内外学者进行了一系列研究，试图通 过添加外掺剂的方法来提高石灰稳定土的早期强度，以改善上述施工条件。 概括起来，提高石灰稳定土的早期强度的外掺荆有三类：掺加化学外掺剂、掺加水泥 和掺加粗骨料。其中，掺加化学外掺剂方法是指加入碱或碱金属赫，如：n a o h 、k o h 、 n a 2 s 0 4 、n a 2 c 0 3 、n a 2 s i 0 3 等，提高液相酸碱度可加快火山灰反应，可大幅度提高强度， 但成本高。实践表明，在盛产石料的地区，在石灰中掺加3 0 左右的碎、砾石对提高其 早期强度有一定的作用。在石灰稳定土中掺加少量水泥也有定的成效，不足之处在于工 艺上有初、终凝时间的限制，且其早期强度的提高主要来源于水泥水化产物的形成。 往石灰稳定土中添加适量n a 2 s 0 4 可以明显提高石灰稳定土早期强度，然而，国外 工程实践证明，采用石灰稳定硫酸盐溃土填筑的路基，地基在建成后2 年左右，往往会产 生鼓胀( h e a v e ) 破坏酬( 采用普通水泥稳定硫酸盐渍土也发生类似的现象) 。这是山 于石灰与硫酸盐发生化学反应生成石膏。石膏在有一定水分的条件下结晶，体积膨胀。我 国有广大的硫酸盐渍土分布地区，这些盐渍土是否采用石灰稳定，应当十分谨慎，以免造 成不必要的损失。目前，国外已经研究出了关于硫酸盐渍土的专门稳定材料，如：抗硫酸 盐v 型水泥、f 级低钙粉煤灰( 1 0 wc a l c i u mc l a s sff l ya s h ) 、石灰与聚丙烯纤维混合料等。 对于这些专门材料稳定硫酸盐溃士物理力学性质的研究工作也已经展开1 。 压实度对石灰稳定土强度的影响 文江泉等人1 将2 种弱膨胀土分别风干、碾碎并过2 衄筛，通过标准击实试验和无侧 限抗压强度试验，研究了压实度九与石次稳定土无侧限抗压强度之间的关系以及击实功与 石灰稳定土无侧限抗压强度的关系。试验结果表明：( 1 ) 压实度在( o 8 1 o ) 范围内，石 灰稳定土的强度与毒实功之间近似呈线性关系，压实度k - - 1 0 的石扶稳定土强度大约是 扣o 9 的石灰稳定土强度的2 倍。当压实度达到1 0 以后，继续增加击实功，石灰稳定土 强度增加十分缓慢。( 2 ) 石灰稳定土的强度随着压实度的提高而迅速提高，并且强度随着压 实度提高的速率不断增加。( 3 ) 当压实度达到某值时，要继续通过增加压实度来提高石扶稳 定土的强度比较困难。 有些研究者“叭“3 认为：在石灰稳定土强度能够达到要求的前提下，可以将压实度降低 到0 8 5 。 以上关于石狄稳定土强度与压实度的关系研究具有重要的实际意义：一方面，它表明 提高压实度是提高石灰稳定土强度的有力措旌之一；另一方面，它表明压实度较低的石狄 稳定土的强度可以满足工程要求。从而，工程建设中人们可以降低对石灰稳定土压实度的 要求，从而可以大大减少工作量，提高施工进度。 石灰稳定土的长期强度及其预测模型 直接钡j 定石灰稳定土的长期强度必需花费大量的时间，有时候由于工程的规划与建设 之间的等待时间不够长，用直接测定的石灰稳定土长期强度作为设计参数是不可能的。为 此，t r e m b l a y 等人”通过室内试验研究了加拿大东部地区的几种典型士掺石灰后的强度， 建立了一个旋单的石灰稳定土强度预测模型。这种方法逝不成熟，还没有经过工程实践的 检验。 ( 4 ) 石灰稳定土的胀缩性 掺加石灰以后，膨胀土的胀缩变形大大减小“叭蜘。a i - m h a i d i b 等人1 对某膨胀 土的石灰稳定土进行了一系列有荷膨胀量、膨胀力试验。试验结果表明：石灰稳定土的膨 8 胀力和膨胀量随着灰剂量变化，灰剂量为1 时最小；从l 7 天龄期的试验结果来看， 胀缩性随着龄期的增长而减小，其中，灰剂量较高的石灰稳定土胀缩性的减小量最大。 环境温度及湿度的反复变化使得石灰稳定土发生反复胀缩变形，颗粒之问的相对位 置反复改变，土颗粒之间的连接遭受削弱或破坏。这一方面直接导致石灰稳定士强度降低： 另一方面导致裂缝的产生，这些裂缝会增加石灰稳定土中残留的石扶与空气中的c 0 2 接 触的机会，发生碳酸化反应，石灰稳定土中有效c a o 、m g o 含量大大降低，火山狄反应 逐渐失去得以进行的必要条件一一强碱性环境，这使得石灰稳定土的长期强度大打折扣。 由此可见。石灰稳定土的胀缩变形特性十分重要。膨胀土的石灰稳定土的耐久性不好，其 主要原因就是其胀缩性引起的”1 。 ( 5 ) 石灰稳定土的渗透性 当龄期小于1 5 天时，粘土石灰稳定土的渗透性随着龄期增加而增加，其主要原因是： 阳离子交换作用引起粘土颗粒絮凝和絮聚，从而土颗粒变粗，土孔隙直径变粗；当龄期大 于1 5 天时，粘土石灰稳定土的渗透性随着龄期增加而减小，这是火山灰反应产物填塞 孔隙1 所致。从龄期小于3 0 0 天的试验结果来看，粘土石灰稳定土总比相应素土的渗透 性大“小嘲嘲。砂土石灰稳定土的渗透性比相应素土的渗透性小”“。这是石灰填塞砂土孔隙 所致。 灰莉量、制样含水率对石灰稳定土渗透性有重要影响。存在某值，当石灰稳定土的扶 剂量达到该值时，渗透性最大1 。制样含水率小于最优含水率的石灰稳定土的渗透性比制 样含水率大于最优含水率的石灰稳定土大得多1 ，因此，石狄稳定土究竟应该在什么含水 率下填筑，应该考虑实际工程的排水条件，而不应该一概而论。 红粘土与粘土质砂的石灰稳定土的渗透系数均为1 0 一锄s 左右“小引，因此工程中应当 作好防水排水工作，防止这2 类石灰稳定土泡水。 ( 6 ) 石灰稳定土的耐久性 前文已经指出，石灰稳定土的反复胀缩变形可导致裂缝的产生和强度的降低，从而影 响石灰稳定土的使用寿命，也就是影响石灰稳定土的耐久性。为了保证石灰稳定士具有 定的耐久性，一些国家制定了相关的规程。例如：英国推荐决不低于8 0 的耐久性指标。 这个指标是由试样经过1 2 次冻融或干湿循环后测定其抗压强度得出的“1 。 干湿循环 王小军等人”1 采用干湿循环来模拟经受暴晒降雨反复作用造成的膨胀岩基床湿化， 以此来研究湿化后无侧限抗压强度与生石灰掺入量的关系。对经历】2 次干湿循环后的石 灰稳定膨胀岩试样进行的强度试验结果表明：石灰稳定膨胀岩的最佳灰剂量为8 1 2 。 r a o 等人”1 研究了黑棉土( 属于膨胀土) 的石灰稳定土经历多次干湿循环后的变化，试验 结果表明：黑棉土石灰稳定土经历多次干湿循环后，土粒间的连接力减小，孔隙率增加， 塑性指数增加，胀缩势( s w e l l - s h r i n kp o t e n t i a l s ) 增加，风干的黑棉土的石灰稳定土具有 9 河海大学硕士学位论文 弱至中等崩解势( c o l l a p s ep o t e n t i a l s ) 。黑棉土石灰稳定土的这些特性可归因于干湿循环引 起的粘粒含量的增加。工程实践表明：高地下水位地区和雨季施工的石灰处治土路基效果 不理想，为了克服这一弊端，凌建明等人研究了水泥石灰稳定土试样经历次数不等的 干湿循环后的强度，试验结果表明：水泥石灰稳定土抵抗干湿循环的能力较强，且早期 强度较高，便于施工压实，因而具有良好的应用价值。由此可见，对于高地下水位地区和 雨季施工的石灰稳定土，研究其抵抗干湿循环的能力具有重要的实际意义，必要时应当更 改处治方案。 冻融循环 s a u e r 等人“”通过室内试验研究了不同灰剂量的冰渍土石灰稳定土经历5 次冻融循环 后的强度和回弹摸量。试验结果表明：( i ) 反复冻融循环能使石灰稳定强度及回弹摸量的 下降幅度达到5 0 。尽管如此，石灰稳定土的强度及回弹摸量比索士的均要大得多。( 2 ) 仅需掺加2 的石灰，石灰稳定土即可转化为线弹性材料。 1 3 问题的提出和研究思路 前人对于石灰稳定土的研究主要立足于室内试验和现场测试两方面。对于石灰稳定 土，室内试验主要集中在石灰稳定土的强度增长机理研究。制样干密度根据压实度或经 验干密度控制，通常将士样风干后碾碎，使之全部通过5 衄筛孔，并使土样与石灰充分 拌和均匀。而实际施工过程中，土块较大，石灰与土体拌和的均匀程度较差。 本文在前人工作的基础上，试图研究块大小和制样含水率对石灰稳定土强度的影 响。工程上，由于旖工设备的原因，常在土块粉碎后有较大的土块存在，如路基施工规 范规定石灰稳定土控制在最大土块直径不大于3 7 锄，宁淮高速公路控制直径大于5 0t l l l l l 土块含量不超过5 。目前，这些控制标准完全是依据施工机具所能达到的条件控制的， 没有在机理上进行研究。 至于制样含水率对石灰稳定士强度影响方面的工作，本文的击实试验结果以及宁淮 高速公路的工程实践表明弱膨胀土的石灰稳定土最优含水率往往难以准确判断。确定石 灰稳定土填筑含水率范围的传统方法是依据最优含水率进行的。”。这使得对于石灰稳 定土的施工指导难以进行，这部分工作到目前为止几乎没有文献介绍。 基于以上分析，本文在前人研究工作的基础上，采用室内试验的方法，主要进行如 下两方面的工作： 1 控制不同土块大小，研究土块大小对石狄稳定土强度的影响。为工程中使用石灰稳 定土时，制定控制土块大小的标准提供参考。 2 在标准击实试验成果基础上，采用允许的不同制样含水率制样，研究石灰稳定土的 强度变形与制样含水率的关系。研究结果为工程优化碾压含水率提供参考。 第一章绗论 1 4 本章小结 本章重点介绍了前人关于石灰稳定士的研究工作，从中可以得到以下几点认识： 1 针对石灰稳定土，前人已经开展了大量的研究并且取得了丰硕的研究成果，内容函 盖了石灰稳定土的强度增长机理、变形特性和压实特性等各个方面。 2 石灰稳定土强度增长机理和掺石灰以后土的物理性质，包括液、塑限，击实特性， 渗透性等规律已经有大量的试验成果。 3 以下几方面的研究不够成熟，有待进一步研究： ( 1 ) 石灰稳定土长期强度及其预测方法 前人研究石灰稳定土强度时，大部分工作是针对3 月龄期以内的，超过1 年龄期的很 少。石灰稳定土的长期强度对工程来说有十分重要的意义，应当加强研究，并建立预测模 型。 ( 2 ) 石灰稳定士的动力特性 当前石灰稳定土主要应用于道路工程中，承受着车辆引起的动荷载。目前，关于石狄 稳定土动力特性的研究很少。 ( 3 ) 石灰稳定士的合理填筑含水率 公路路面基层施工技术规范啪1 规定右灰稳定土的填筑含水率范围为 ( w o p t 2 ，w m ) 。本文试验结果将检验这种方法的合理性。 ( 4 ) 石灰稳定的最低压实度要求 前人的室内试验结果表明，可以降低对石灰稳定土的压实度要求。降低压实度可以减 少碾压功能，提高工程进度。实际工程中石灰稳定土的拌和均匀程度以及养生条件均比室 内石灰稳定土的差得多，因此，能否降低石灰稳定土压实度标准应当有更充足的试验证据， 尤其是现场试验证据 ( 5 ) 提高石灰拌和均匀程度的技术措施 石灰与士混合越均匀，石灰稳定土的质量越好。从以往的工程经验来看，膨胀土的石 灰稳定土路段出现质量事故的主要原因是石灰拌和不均匀，因此，探索更加经济合理的技 术措施以便将石灰与土混合得更均匀是十分有意义的。 4 石灰稳定土力学性质的现场测试 前人的研究工作以室内试验为主。室内试验不能很好地模拟工程实际的养生条件，实 际工程中石灰稳定土的拌和均匀程度比室内的差得多，因此，石灰稳定土室内试验成果的 可靠程度没有保证。这是目前人们对于石灰稳定土的工程力学性质的认识仍然远远落后于 工程实践的主要原因。今后应当多开展现场试验、原位测试和现场观测。 第二章素土与石灰稳定土的击实特性 2 1 概述 2 。1 。1 工程背景 南京至淮安高速公路是江苏