（岩土工程专业论文）石灰改良黄土路堤特性试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在我国，黄土分布范围广，成因类型多，厚度变化大，湿陷性与压缩性 复杂。以往的铁路建设尤其是高标准铁路建设中对黄土的沉降特性缺乏研究， 而很多铁路线路又不可避免的要穿越黄土地区，为了使黄土地区铁路路堤的 刚度、强度和工后沉降能满足高标准铁路的要求，从理论上对黄土改良进行 分析以为类似工程提供有效的参数和经验是十分必要的。 新建高标准铁路，尤其是在黄土地区高标准铁路要为列车的高速行驶提 供一个高平顺、稳定的轨下基础，这无疑是对高标准铁路的沉降稳定提出了 更高的要求。为保证开通后按照设计速度运营的列车安全性，平稳性和舒适 性，穿越黄土地区的西延铁路采用了新的技术，对黄土进行改良。在黄土中 掺入一定比例的石灰，来保证路基的刚度，强度以控制路基的工后沉降。 本文结合西一延铁路黄土路基，对改良黄土的力学特性和有限元计算方法 在工程建设中的应用进行了研究。首先，选取有代表性黄土试样，在黄土中 掺入一定比例( 3 ，6 ，9 ) 的石灰，进行无侧限抗压强度、三轴压缩试验、直 接剪切试验、击实试验、墨。平板载荷试验、渗透试验、界限含水率试验等， 通过这些试验可以得到作为填料的石灰改良土的工程力学特性；然后，运用有 限元对西一延铁路在不同施工阶段以及运营阶段路基应力和沉降变化情况进 行了分析研究：最后，对上述结果做了总结和对比，得出石灰改良土掺灰比在 3 时，路基的应力最小，变形最小，能够满足高标准铁路运营要求。因此，本 论文的研究工作将为高标准铁路的设计和施工提供较为充分的技术数据，对 我国同类铁路建设中黄土改良这一技术具有参考价值和实践意义。 关键词：黄土；石灰改良土：试验研究；沉降；数值分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i ti st h a tt h el o e s s l a n dh a saw i d er a n g e ，d i f f e r e n tg e n e s i ss t y l e s al a r g e t h i c k n e s sv a r i a t i o na n dac o m p l i c a t e dc o m p r e s s i v i l i t yc h a n g e m e n ti nc h i n a m a n y r a i l w a yr o u t e sm u s tt r a v e l l i n gl o e s s l a n d b u t i tw a ss h o r to fr e a s e r c ho nt h e c h a r a c t e r i s t i co fl o e s s i a ls e t t l e m e n ti nt h ec o n s t r u c t i o no fr a i l w a ye s p e c i a l l yh i g h - q u a l i t yr a i l w a ya g o t oe n s u r er o a d b e d sr i g i d i t y ，i n t e n s i t ya n dp o s t c o m p l e t i o n c a ns a t i s f yh i g h - q u a l i t yr a i l w a y sr e q u i r e m e n ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pa n a l y t i c a l t e c h n i q u eb a s e do nr e a s o n a b l et h e o r yt oo f f e ru s e f u lp a r a m e t e r sa n de x p e r i e n c e si n d e s i g nf o rt h es i m i l a r i t y t h eh i g hs p e e dr u n n i n go ft r a i nn e e d ss m o o t ha n ds t a b l ef o u n d a t i o no ft r a c k u n d e r s u r f a c e i tm e a n st h a tah i g hq u a l i t yo fs t a b i l i t yf o rt h es e t t l e m e n ti sn e e d e d f o rn e wb u i l th i g h q u a l i t yr a i l w a y e s p e c i a l l yi nt h el o e s s l a n d ，t oe n s u r et h et r a i n s a f e t y , s t a b i l i t ya n dp a s s e n g e rc o m f o r ti nt u n ew i t ht h ed e s i g ns p e e do n c eo p e nt o t r a f f i c x i - y a nr a i l w a vt h r o u g hl o e s s l a n da d o p t san e wt e c h n i q u et oi m p r o v el o e s s s p r o p e r t y t h a ti st os a y , w ei n c o r p o r a t eac e r t a i np r o p o r t i o n a ll i m ei nt h el o e s st o i m p r o v et h el o e s sr o a d b e d sr i g i d i t y ，i n t e n s i t ya n dc o n t r o lt h ep o s t - c o m p l e t i o n t h ep a d e l b a s e do nt h el o e s sr o a d b e do fx i y a nr a i l w a y , h a sar e s e a r c ho ft h e m a c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co fi m p r o v e di o e s sa n dt h ea p p l i c a t i o no ff e mi nt h e c o n s t r u c t i o no fe n g i n e e r i n g ，t h e r ea r es e v e r a lm a i nw o r k si nt h ep a p e r f i r s t l y , w e c h o o s er e p r e s e n t a t i v e n e s si o e s s s a m p l e s i n c o r p o r a t e ac e r t a i n p r o p o r t i o n a l ( 3 ，6 ，9 ) l i m e i nt h el o e s ss a m p l e s t h e n ，d ot h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o n s t r e n g t ht e s t ，t r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t ，d i r e c ts h e a rt e s t ，c o m p a c t i o nt e s t ，托of o r c o e m c i e n to fs u b g r a d er e a c t i o nt e s t p e r m e a b i l i t yt e s t 1 i m i tw a t e rc o n t e n tt e s ta n d o t h e rt e s t e s t h r o u g ht h e s et e s t s ，w ec a ng e tt h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co f i m p r o v e dl o e s s t a k ea sf i l l e r s e c o n d l y t h et h e s i si n t r o d u c e st h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) t oc o m p u t ed i f f e r e n tc h a n g e m e n to f t h er o a d b e d si n t e r n a lf o r c ea n d s e t t l e m e n ti nd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o ns e q u e n c e sa n dt h es t a d g ew h e nt r a i n sa r e r u n n i n g a tl a s t t h ep a p e rm a k eac o n t r a s ta n da n a l y s i so nt h eb e h a v i o ro ft h e r o a d b e ds t r u c t u r a lm e c h a n i c sb e t w e e nt h ei m p r o v e dl o e s s e s ( 3 ，6 ，9 ) t h u si t c a nb es e e nt h a tt h ei m p r o v e d 】o e s sr o a d b e d ( 3 ) h a sal c s ss e t t l e m e n ta n di n t e r n a l f o r c e ，w h i c hs a t i s f yh i g h q u a l i t yr a i l w a y sr e q u i r e m e n t s o ，t h em e t h o dm a y s u p p l yad a t u ma n dt e c h n i q u ef o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fh i g h - q u a l i t y r a i l w a ya n dr e f e r e n c et ot h es i m i l a r i t y i ti sd e f i n i t ev a l u ei np r a c t i c e k e yw o r d s ：l o e s s ：l i m es t a b i l i z e ds o i l ；e x p e r i m e n t a ls t u d y ；s e t t l e m e n t ： n u m e r i c a la n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究的目的和意义 世界高速铁路自运行以来，其安全度引人注目。要使列车高速安全平稳的 运行，线路的稳定与平顺是必不可少的条件。路基是轨道的基础，因此高速铁 路对路基提出了更高的要求：强度高、刚度大、稳定性和耐久性好、不易变形、 纵向变化均匀或变化缓慢【2 1 3 】。为了满足这些要求，路基设计施工中必需采取一 系列措施。 改革开放以来，我国的经济建设步入了快车道，铁路建设发展迅速。至2 0 0 4 年底，我国已建成铁路正线展延长1 0 1 l 万公里，中国铁路数量( 营业里程) 居 世界第三位【1 】，但运输速度低一直是我国铁路运营紧张的主要原因之一，它已 经成为我国经济发展的瓶颈。目前我国正大力研究发展高速铁路技术，并取得 了一定成就。如1 9 9 4 年底时速1 6 0 k m h 的我国第一条准高速铁路一广深准高速 铁路正式建成通车，1 9 9 7 年4 月和1 9 9 8 年1 0 月全国铁路两次大规模提速，1 9 9 7 年在北京环行试验基地，1 9 9 8 年在京广线郑武段分别创造了2 1 2 6 k m h 和 2 3 9 7 k m h 的试验速度纪录，1 9 9 9 年设计时速2 0 0 k m h 的秦沈客运专线等等， 都为我国高速铁路的发展进行了全方位的技术准备。 我国铁路部门根据路基填料的性质及适用性，归纳为a 、b 、c 、d 、e 五 个组，其中a 组为优质填料，b 组为良好填料，c 组为可使用的填料，d 组为 不应使用的填料，e 组为严禁使用的填料 4 1 。西部大开发战略的提出，在中西北 地区进行工程建设，尤其是高速铁路的建设，许多路线不可避免的会通过黄土 地区。黄土是一种第四纪沉积物，在我国分布很广，占世界黄土分布总面积的 4 9 左右【5 1 。业已进行的调查说明，黄土地区优质填料a 组缺乏，b 、c 组也 不多，若不采用特别的办法，大量的路基填料就需要远运。为了解决这一难题， 节省工程造价，不得不就近开挖取土，对力学性质不良的黄土进行改良，使其 在经济上和技术上都达到设计要求。 我国铁路部门一般定义改良土为通过在土体中掺入石灰、粉煤灰、水泥、 固化剂等材料的处理，提高了工程性能指标的土体【6 j 。改良土中的石灰、粉煤 灰、水泥称为无机结合料，在国外称为水硬性结合料【7 j 。我国公路、水利和建 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 筑部门也将改良土称为稳定土或固化土，将无机结合料或土壤固化剂与土拌和 而成的混合物，称为固化类混合料，简称混合料【s j 。水泥、石灰和粉煤灰改良 土在公路和其它部门已经大量使用了多年，积累了十分丰富的经验，这些传统 无机结合料改良土比起改良前的土料在工程技术性能方面均有不同程度的提高 和改善。主要表现在【9 】： ( 1 ) 吸水，降低土的塑性，改善土的力学性能，增大土的凝聚力和内摩 擦角，有效地提高了土的抗剪强度，使土的承载力、固结特性和压实性得到显 著改善； ( 2 ) 使土的水稳性、抗冻性和耐干湿循环能力等耐久性能有所改善； ( 3 ) 强度和耐久性随着时间的延续不断增长； ( 4 ) 扩大了土料的应用范围，使可用土料地区分布广泛，原料十分充足； ( 5 ) 施工技术较为成熟，使用成本低。 由于存在上述诸多优点，改良土技术在铁路、公路建设中得到了广泛的应 用，取得了良好的经济效益和社会效益，其中以石灰土的应用最广。 1 2 国内外研究现状 世界上无论是发达国家还是发展中国家，都十分重视改良土这种价廉质优 的地方建筑材料。早在上世纪2 0 年代，石灰土就已被大规模地用作筑路材料， 但一般用作路面底基层，在路基施工中很少使用。用石灰改良土作路基填料， 是近几年修筑高速公路、高速铁路过程中迅速发展起来的一种路基施工技术。 石灰土已被广泛用于修筑高等级公路、铁路的路基，如广靖高速、通启高速、 宁杭高速及正在建设中的郑西客运专线等均由石灰土分层填筑而成。石灰土填 筑的路基整体性强、承载力高、刚度大、水稳定性好、为建成高质量的公路和 铁路创造了先决条件。实践证明，用石灰改良土填筑路基对减少工后沉降，保 证路基质量稳定，避免路基病害起到了很重要的作用。 1 2 1 国外改良土的发展和应用 国外对于改良土的研究和应用，从本世纪初已经开始。1 9 0 6 年美国进行改 良稳定土的初次尝试，开展了采用水泥、沥青及一些化学制品改良稳定土的系 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 列研究。在第二次世界大战期间，由于修建机场跑道和许多次要道路的需要， 水泥改良稳定土得到了进一步发展。在本世纪四十年代，改良土技术得到普遍 的认同并在五十到六十年代以后广泛用于机场和道路工程中。根据土的不同类 型，并经多年实践应用的检验，国外目前采用的改良土添加剂主要有水泥、石 灰、粉煤灰、沥青、焦油、有机阳离子化合物以及氯化钠、氯化钙等。另外， 由于环境保护意识的逐渐提高，结合各种工业矿渣和工业废弃物的处理，许多 新型的改良土材料大量涌现，促进了改良填料在道路和土建工程中的进一步发 展和应用n 0 1 。 国外高速铁路国家在高速铁路路基设计和施工中也都曾遇到改良土问题。 日本的建造物设计标准解说( 土构造物) u ”要求采用加入水泥或石灰改良剂 改良遍布于全国的火山灰质粘土；德国的德国铁路工程设计规范汇编( d s 8 3 6 ) “”要求在高速铁路路基填料中采用水泥、石灰粉或石灰浆等改良剂。 日本、美国及西欧一些国家一直在开展这方面的研究工作。国外有关研究 石灰改良土静力特性的报道很多，近l o 年来石灰改良土静力特性方面的研究成 果有：a k o t o 和s i n g h “”( 1 9 8 6 ) 通过循环三轴试验确定石灰改良红土的弹性及粘 弹性参数，分析了动荷载、含水率、养生时间、掺灰比对回弹模量的影响。由 试验结果可知，掺灰比愈大、养生时间愈长，回弹模量愈大；含水率、动荷载 增大，回弹模量减少。a i a b d u lw a h h a b “4 1 ( 1 9 9 7 ) 等分析了利用石灰和水泥改 良不良土在干旱地区修筑高速公路的可行性。f a h o u m “”( 1 9 9 6 ) 基于塑性指数 对动剪模量和阻尼特性的显著影响，先选取三种塑性指数明显不同的粘土 ( = 1 8 5 1 4 ) 进行石灰处理，然后对其动力特性进行了试验研究。结果表明 随着动应变水平的提高，石灰土的动剪模量降低，阻尼比增大。b e l l “”( 1 9 9 6 ) 研究了石灰对粘土及其常见矿物成分高岭土、蒙脱石、石英等的工程力学性质 的改良作用。s a b r y “7 1 ( 1 9 9 6 ) 等研究了灰土桩的强度特性。o s u l a “( 1 9 9 6 ) 等对 比研究了石灰和水泥对红土进行改良时，龄期对改良效果的影响。l o c a t “( 1 9 9 6 ) 等研究了经石灰处理后的有机质软土的力学和硬化特征。 r a j a s e k a r a n 啪儿2 “衄1 ( 1 9 9 6 。2 0 0 2 ) 等研究了利用在海相沉积软土层中设置石灰桩、 石灰注浆等技术改良软土的加固机理及改良软土的工程力学性质。p o r b a h a ” ( 1 9 9 6 ) 利用土工离心机研究了用石灰改良土作填料的加筋土挡墙的破坏形式。 在印度这样的发展中国家，改良土材料的应用也很广泛，不仅用于筑路、 防渗、护坡，还用于修建民房。非洲一些国家，如赞比亚、安哥拉、肯尼亚等 国也大量使用水泥改良土作为基层和底基层修筑了上千公里的沥青面层公路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 可见，世界上无论是发达国家还是发展中国家，都十分重视改良土这种价 廉质优的地方材料。改良土作为一种稳定固化土的措施，由于相对较好的承载 力和抗剪能力，所以主要用于承受抗弯作用的道路和机场跑道的基层和底基层， 以及建筑物的地基处理。相对而言，由于铁路工程对材料的要求较高，所以改 良土在这方面的应用不多。近些年来，随着研究的不断深入，欧美和日本等国 家也逐渐将改良土推广到铁路路基填料等领域，并取得了一些成功的经验”1 。 1 2 2 我国改良土的发展和应用 建国初期，我国就开始进行改良土的综合利用和研究，其中粉煤灰占主要 地位。六十年代，改良填料开始在柔性路面基层中应用。七十年代初，水利部 门开始研究和试用水泥改良土。近二十年来，我国公路部门在填料改良方面进 行了大量的研究，对石灰土、水泥土、二灰土的强度发展规律和物理力学性质、 工业废料的应用方面都有了重大的发展，并且在粉煤灰用作筑路材料的应用技 术方面，取得了丰富的成果，工程应用也越来越广泛。 我国在利用改良土作路基填料方面做了不少探索性的工作。利用石灰处理 特殊地基也取得了令人满意的成果：徐勇、张婉琴等”( 1 9 9 6 ) 通过重型击实 试验和无侧限抗压强度试验，研究了不同石灰掺入量及不同养护时间对石灰土 的最大干密度、最优含水率及无侧限抗压强度的影响，确定了作为铁路路基填 料的石灰土的最佳石灰配比及养护时间。陈新民、罗国煜、李生林等”“( 1 9 9 7 ) 用生石灰改良膨胀土，取得了明显的改良效果。周卓强哺1 采用动三轴试验模拟 列车荷载作用下基床土体的受力情况，对裂土原状土及5 、8 和11 三种掺 灰比的石灰土动强度和动模量等动力特性进行了试验，分析了石灰改良土技术 治理裂土基床病害的可行性，并提出了最佳灰土配比。郭志勇”( 2 0 0 3 ) 对某 公路路基膨胀土进行了改良试验和动力特性试验研究，按不同掺灰比例进行试 验，通过改良土的常规试验、强度试验、膨胀试验和动三轴试验研究，认为改 良后的土样其工程特性和力学强度指标都有了较大提高。钱国飞1 ( 2 0 0 3 ) 分 析和探讨了石灰土路基强度形成机理。贺建清啪1 ( 2 0 0 5 ) 利用动力弹塑性有限元 法研究了石灰改良土的动力特性及其在交通荷载作用下的变形性状。认为随着 掺灰比的增大，石灰土的动弹模量和阻尼比相应增大，石灰改良软土能有效减 小工后沉降。 改良土材料在我国铁路部门的研究和应用起步较晚，大量使用和推广的工 程实例不多，它大致经历了三个阶段”。： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 1 ) 既有线路土质不良地段路基病害整治的改良土研究应用。长期以来， 我国铁路线路经常发生路基变形、下沉、边坡塌滑、道碴陷槽等病害，严重威 胁到铁路的运输安全。为此各有关铁路局先后采取了不少措施进行整治，其中 最有效的方法之一就是改良基床土的工程性质。例如将石灰改良土广泛应用于 整治膨胀土和粉质粘土等基床病害和边坡变形，均取得了很好的效果。近些年 来有关部门进行了许多现场应用和室内试验研究，都表明改良土在整治铁路基 床病害方面的实用性和经济性是传统方法很难比拟的。 ( 2 ) 在新建铁路路基修筑中，对不良土质地段进行土质改良的研究和应用。 运营铁路路基技术状态不佳、强度低、稳定性差，己经成为铁路工程的薄弱环 节。随着国民经济的发展，运量不断增长，路基超负荷工作状态一直没有缓解， 以至时常发生严重的路基病害，因而人们开始注意在新建铁路中提高路基质量， 防范于未然。增加单位土石方造价、提高路堤压实标准和加强检测手段等都是 为保证铁路路基施工质量所采取的必要措施，但对铁路所经过的膨胀土和软粘 土等不良土质地段采取可行的改良措施，则是最经济、效果最佳的方法。正鉴 于此，在京九铁路修建过程中，铁四院等单位对南浔复线网状高塑性粘土基床 采用掺入石灰的方法改良土质，他们进行了各种灰土配比的系列室内试验和试 验段现场试验，取得了许多较为重要的成果。 ( 3 ) 为满足铁路干线提速和高速铁路建设的需要，对石灰和水泥及其它改 良土进行静力和动力特性，特别是循环荷载下强度和变形特性的研究。高速铁 路己经成为铁路发展的必然趋势，但其对传统铁路的设计、施工和养护维修提 出了新的挑战，而高速铁路路基在冲击和循环荷载作用下的强度和变形特性就 是其中急需解决的问题之一。近些年来，在一些铁路专线的设计施工规范中， 如京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定，时速2 0 0 公里新建铁路线桥隧站 设计暂行规定和秦沈客运专线铁路路基施工技术细则( 试行) ，京沪高速 铁路设计暂行规定等均涉及到改良土的有关内容。但它们主要是规定了改良 土的施工方法及地基系数墨。、压实系数k 和孔隙率n 等几个常规的技术指标， 比起交通部和国外的有关标准还有一定的差距。 总的来说，我国铁路路基改良土的大量研究是伴随着铁路标准的提高对于 路基要求的不断提高而进行的，大量系统研究是从秦皇岛至沈阳客运专线和京 沪高速铁路开始，尤其是在京沪高速铁路路线穿越大量的细粒粘性土及膨胀土 地区，做了大量的科研和试验研究工作。但是普遍表现为取样少，很难体现改 良土性质的共性，对于普遍性的规律研究还是较少，还需大量深入的现场和试 验研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 本文研究的主要内容和方法 1 3 1 本文研究的主要内容 我国黄土的分布面积广，大量的工程建设中会遇到黄土问题。随着我国铁 路建设的发展，尤其是高速铁路的建设，许多路线不可避免的会通过黄土地区。 在西部大开发中，中西北地区分布着大面积黄土，修建联结这些地区的高速铁 路以及在该地区建造铁路就会遇到大片的黄土地带。针对这些大面积的黄土地 带，采取什么样的设计与施工方法来保证工程的质量以及工程的顺利建设；采 取什么样的设计与施工方法来最小化工程投资。这些问题不仅关系到国家利益， 也关系到投资商的投资举措和直接经济利益。 面对此类问题该如何以最小的投入去获得最大利益。路基施工中若采用换 填法进行路堤施工，挖方弃土时的运输，弃土场的选址等都会带来很大难度， 都将消耗大量的财力和物力。同时取土场的选址、运输也同样消耗很大的财力 和物力。在这种黄土地区修建高速铁路，若将挖方掺入一定石灰，经拌和用于 填筑路堤，不但材料运输方便，且能节省大量投资。 尽管国内外对黄土的研究己做了许多工作，但由于土体具有复杂的时空变 异性，也就决定了在不同地区对同一岩土工程的具体处理方法和施工措施的差 异性。因些，根据国内外黄土路基已取得的研究成果和总结，并结合西延线本 身固有的特点进行西延线黄土路基处理研究，有助于针对西延线的具体情况实 事求是地解决本工程的具体问题。 综上所述，本次研究工作的主要内容为： ( 1 ) 选取有代表性的黄土试验土样，进行一系列室内、现场试验，确定其基 本物理和力学特性指标；在黄土中掺入一定比例石灰，进行一系列室内、现场 试验，提供改良黄土的基本物理和力学特性指标。 ( 2 ) 根据黄土及改良黄土室内、现场试验，对试验数据进行整理分析，提供 满足一定现场施工技术指标下的掺灰比。 ( 3 ) 通过有限元程序模拟路基工程在施工过程中以及运营阶段各种工况下 的内力变化、位移变化等，体现施工过程中以及运营阶段的每一步的路基结构 的力学行为特征。为试验结果提供理论依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 2 研究方法 ( 1 ) 调研分析 根据研究内容，查阅大量相关资料，进行分析总结，把本课题和其它相似 工程进行对比分析，确定本课题的研究重点和技术思路。 ( 2 ) 现场室内试验 在工程现场取有代表性黄土试样，进行常规物理力学性质试验，测定相关 参数；在工程现场试验段进行现场试验，测定相关参数。 ( 3 ) 数值分析 采用p i s 2 d 程序进行有限元模拟路基变形以及稳定性。分析路基工程 在施工过程中以及运营阶段各种工况下的内力变化、位移变化等，体现施工过 程中以及运营阶段每一步的路基结构的力学行为特征。 ( 4 ) 理论分析 对室内试验、现场试验及数值分析所取得的大量数据进行整理并分析比较， 找出其中的规律，提出本课题的研究成果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章石灰改良黄土强度形成机理 石灰作为一种最早被认识的建筑材料，几千年来广泛地应用于各种工程之 中，它与粘土混合能大大地改变土的物理力学性质和工程性能，且石灰加固土 具有效果好、适用范围广和施工简便等特点。因而广泛用于公路基层、铁路路 基、房屋基础甚至轻型机场跑道的垫层。这种混合土除提高承载力外，还能切 断毛细管中水的输送，防止紧邻路面层出现毛细水。它还能用作土坝的芯墙， 滑坡后的换土，桥台、挡土墙的回填料以及筏型基础下的土质改良。土坝表面 用石灰处理后的覆盖层能防止地表水的侵蚀。对于膨胀土和黄土等特殊性质的 土，石灰加入后能大大地减少其胀缩性和湿陷性。高含水率的湖底淤泥和河海 相软土用石灰处理后也能取得良好的效果。 六十年代初，美国的公路交通部门对石灰与土之间的相互作用进行了大量 研究，在石灰掺入后土的物理力学性质改善方面取得了一些成绩。一些研究者 也试图阐述土与石灰混合物强度提高的微观机理，但由于土与石灰本身的复杂 性和研究手段的限制，进展缓慢。六十年代后，随着旌工手段和机具的改善， 石灰的用途更加广泛。日本使用含水率较高的粘土修筑堤坝，用粘土与石灰交 替填筑的办法，使生石灰吸水以加快固结。同时，运用灰土挤密桩法，生石灰 桩法，搅拌石灰桩法等将石灰用于深层软基处理。如何控制石灰的掺入量以改 善土的性质，降低费用，石灰与粘土混合后的加固机理，这些都需待进一步研 究n 6 1 。 2 1 石灰改良土加固机理 2 1 1 黄土基本物理化学性质陷1 黄土的矿物成份种类繁多，包括各种碎屑物、粘土矿物和碳酸盐类矿物， 多达6 0 余种。其中碎屑矿物占8 0 9 0 ，主要由石英、长石和云母等轻矿物， 辉石、角闪石、绿帘石和磁铁矿等重矿物组成：粘土矿物含量占1 0 2 0 ， 通常包括高岭石、蒙脱石、拜来石、水铝英石等：碳酸矿物含量可达2 0 3 0 ， 常见的主要是方解石。其中蒙脱石、高岭石是以胶粒形态存在于黄土中，含量 在1 0 左右，但遇水会引起显著的膨胀，以蒙脱石为甚。黄土的颗粒具有微团 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 聚体的组成性质，其形成主要原因是依靠c a c 0 3 等盐类胶结物，颗粒粒径愈小 单位含盐量愈大。黄土颗粒组成的各粒级中最大的粗粒级( o 0 5 o 0 1 毫米) 含量一般在4 0 5 0 左右变化，细粒级( 0 0 1 0 0 0 5 毫米) 含量在5 1 0 之间，粘粒( o 0 0 5 毫米) 在2 0 3 0 之间变化，颗粒组成与各地黄土的地 貌及成因有关。 黄土的化学成分介于沉积岩和土壤之间，接近于地壳物质的化学成分，主 要为二氧化硅、倍半氧化物和碳酸盐类，二氧化硅存在于由粗颗粒到胶粒的各 级粒组中，钙、镁呈固态或液态存在于黄土中，为重要胶结物。能被盐酸溶解 的a 1 2 0 3 和f e 2 0 3 在土中以镁铝胶体的形式存在，一部分能被盐酸溶解的s 0 3 在土中以无定形硅酸盐的形式存在，都属胶体物质。水溶盐与土的湿化、收缩、 膨胀和透水性关系密切，并影响土的粘性和强度。易溶盐包括氧化物、硫酸镁 和碳酸钠，中溶盐以石膏( c a s o , 2 h 2 0 ) 为代表，难溶盐以碳酸钙( c a c 0 3 ) 为主。黄土中的阳离子交换量随着矿物类型、含量和有机物含量的不同而不同， 交换量大的土不稳定，黄土阳离子交换量为8 1 2 7 6 1 毫克当量1 0 0 克土。黄 土中有机质含量为0 0 2 2 0 0 ，平均0 6 4 ，在各级粒组中的含量随粒径减 小而增加，有机物持水性强，表面能大，常能与二价钙离子相结合而产生凝聚 现象。黄土烧失量值一般为0 7 9 1 6 9 0 。 表2 - 1 给出了所取黄土样的化学成分。s i 0 2 含量为6 1 8 9 ，所占比重相当 大，这是由于黄土中除了铝酸盐中所包括的硅素以外，还有无定形硅酸盐及石 英等：其次a 1 2 0 3 所含比重也很大，这说明黄土中含有长石：c a o 、m g o 含量 也较高的原因是黄土中有很大一部分碱土金属( 特别是c a “) 呈单独的碳酸盐 类结核而存在。因此用碱性材料石灰作改良是可行的。 表2 - 1黄土化学成分 化学组成( ) 名称 s i 0 2a 1 2 0 3f e ：0 3 c a o m g o n a 2 0 g - 2 0 灼减 黄土 6 1 8 980 22 0 25 2 59 5 l2 3 7o 6 51 0 2 5 2 1 2 石灰的特性 石灰是建筑中常用的无机胶凝材料之一。以碳酸钙为主要成分的天然岩石， 在适当温度下进行锻烧，放出二氧化碳，得到以氧化钙为主要成分的生石灰。 此外尚有氧化镁( m g o ) 以及硅酸钙( 2 c a o s i 0 2 ) 、铝酸钙( 1 2 c a o 7 a 1 2 0 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 和铁铝酸钙( 4 c a o a 1 2 0 。f e 2 0 3 ) 等化合物。其反应方程式为【3 7 1 c a c 0 3 - c a 0 + c 0 2t 石灰一般分为钙质石灰和镁质石灰两种。石灰是结晶体，具有面心立方型 晶体，c a o 的晶格常数为4 7 9 9 x1 0 一 m m ，m g o 的晶格常数为4 2 0 3 1 0 m m 。 纯钙质或镁质的石灰为白色，含有杂质时，特别是含有有色金属氧化物时，石 灰可能是淡黄、灰色、褐色等。石灰重度介于1 0 5 1 2 5 k n m 3 ，比重介于3 3 6 ，莫氏硬度为2 3 ，抗压强度为3 7 m p a ，自然倾斜角当粒度为1 5 5 0 m m 时是5 0 0 5 5 0 。 2 1 3 石灰改良土加固机理 土中掺入石灰后，石灰与土之间发生强烈的相互作用，从而使土的性质发 生根本改变。在初期表现在土的结团、塑性降低、最优含水率的增大和最大干 密度的减小等；后期变化主要表现在结晶结构的形成，从而板体性、强度及稳 定性提高。 根据目前国内外对石灰加固土强度形成机理的研究成果，较一致的认为： 石灰加入土中后发生一系列的化学反应和物理化学反应，主要有离子交换反应， c a ( o h ) 2 的结晶反应与碳酸化反应和火山灰反应。“汹儿矧m 1 。 ( 1 ) 离子交换反应 当土中掺入石灰后，土中的生石灰( 主要成分为c a o 和m g o ) 遇水消解，产 生c a ( o h ) 2 和少量的m g ( o h ) 2 ，在土中水的作用下二者进一步离解： c a ( o h ) 2 一c a + 2 ( o h ) 2 。 m g ( o h ) 2 一m g + + + 2 ( o h 广 离解产生的高价c a ”，m g ”很容易置换粘土颗粒所吸附的低价k + ，n a + 等 离子，使得土颗粒的双电层被减薄，改变了土的带电状态。事实上这种交换是 有条件的，吸附在土粒周围的离子吸附能力必须小于c d ”，交换的结果使得土 颗粒迅速靠扰，小颗粒聚集成大颗粒并相互胶合，从而提高抗剪强度。这个反 应过程是随着石灰的解离和c d ”离子在土中的扩散过程逐渐地进行的，在初期 进展较快，是形成石灰土早期强度的主要原因之一。 ( 2 1 结晶反应 生石灰掺入土中的反应受到水分、粘土矿物含量和c 0 2 含量等因素的限制， 实际产生的离解、化学反应仅有少部分，绝大部分饱和c a ( o h ) 2 在灰土中自行 结晶。c a ( o h ) 2 的结晶反应是石灰吸收水分形成含水晶格，即 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 c a ( o h ) 2 + ，lh 2 0 c a f o h ) 2 甩h 2 0 c a ( o h ) 。n h 2 0 晶体相互结合，并把土粒胶结成整体。结晶的c a ( o h ) 2 溶 解度更小，进一步提高了石灰土的水稳性。 ( 3 ) 碳酸化反应 消化后的石灰与空气或土中的c 0 2 起反应生成具有微结晶性的c a c 0 3 和 m g c 0 3 ，加强了土粒连接。 c a ( o h ) 2 + c 0 2 一c a c 0 3 + h 2 0 m g ( o h ) 2 + c 0 2 - + m g c 0 3 + h 2 0 反应过程在有水条件下进行，并随含水率增大而加快，因而石灰在养生期 间应保持一定的含水率。c a c 0 3 是坚硬的结晶体，具有较高的强度和水稳性， 由于c a c 0 3 对土的胶结作用使土体得到加固，形成石灰稳定土，空气中的c 0 2 含量比较小和石灰土孔隙的连通性是有限的，因而c a ( o h ) 2 ，m g ( o h ) 2 的碳酸化 作用是个相当长的过程，形成了石灰土的后期强度。 ( 4 ) 火山灰反应 火山灰反应是指土中的活性硅( s i 0 2 ) 、铝矿物( a 1 2 0 3 ) 在石灰的碱性激 发下解离，在水的参与下与c a ( o h ) 2 反应生成水化硅酸钙( c s h ) 和水化铝酸 钙( c a h ) 的过程，其反应式为： x c a ( o h ) 2 + s i 0 2 + n h 2 0 ，x c a o s i 0 2 ( n + 工) h 2 0 xc a ( o h ) 2 + a 1 2 0 3 + 以h 2 0 x c a o a 1 2 0 3 。( 栉十工) h z o 熟石灰结晶网格和水化硅酸钙( c s h ) 和水化铝酸钙( c a h ) 结晶体在土 微粒团外围形成一层稳定保护膜，填充颗粒空隙，使颗粒间产生结合料，减少 了颗粒间的空隙与透水性，同时提高密实度。这是石灰土获得强度和水稳定性 的基本原因，但这种作用缓慢。 综上所述，石灰加入土中，经过物理作用、物理化学作用和化学作用，石 灰土发生团聚，随之有凝胶物生成，构成了凝胶团聚结构。随着龄期的增长， 棒状及纤维状结晶体生成，胶凝结构层加厚，结晶的网架结构加密，形成了胶 凝结晶的网状混合结构。离子交换反应使粘土胶体絮凝，土的湿坍性得到改善， 使石灰土获得初期的水稳定性；碳酸化反应与火山灰反应对提高石灰土的强度 与稳定性起有决定性的作用。当它们的生成物处于凝胶状态时，石灰土结构属 凝胶结构，随着结晶网架的生成，逐渐向结晶缩合结构转化，其刚度不断增大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 影响石灰加固土强度的因素 2 2 1 土质对石灰加固土强度的影响 实践表明，各种成因的亚砂土、亚粘土、粉土类土和粘土类土都可以用石 灰加固。一般说来，粘土颗粒有利于石灰土强度的形成，但土质过粘时，不易 被粉碎，反而会影响加固效果，而且需要较多石灰才能起到加固作用，成型后 还会发生较严重的收缩裂缝。 各种土由于化学矿物成分的不同，用石灰加固效果亦不相同。就粘土矿物 的类型而言，具有扩张型晶格的粘土矿物蒙脱石的离子交换容量大，会积极由 石灰中吸附钙离子而影响石灰的加固作用；而伊利石和高岭石类粘土矿物的离 子容量较小，用石灰加固的效果较好。国内的研究资料表明：东北、华北分布 很广的钙质土适于用石灰加固，用石灰加固黄土质亚粘土可得到较好的效果： 土中交换钠离子的存在并不会影响石灰加固的效果，只是石灰的剂量略增；含 有大量腐殖质的土会显著降低石灰加固的效果；盐渍土的含盐量较高时，对石 灰加固有影响，但当含盐量较少时则无明显影响。 为了研究土的成分对其石灰加固效果的影响，国内学者对我国1 2 个地区的 黄土进行了较系统的试验研究，得到如下规律： ( 1 ) 石灰土的强度随土中粘粒含量的增多和塑性指数的增大而增大。说明土 中粘土矿物增加或塑性指数增大，使得土的化学活动性增强，有利于石灰与土 的相互作用。 ( 2 ) 石灰土的强度随土中的p n 值的增大而增大。说明中溶液的碱性较大 时，有利于土中硅铝矿物等的解离，从而促进石灰与土之间火山灰反应及其它 化学反应的进行。 ( 3 ) 石灰土的强度有随土中c a c 0 3 含量的增加而增大的趋势，其原因为 c a c 0 3 是一种难溶盐，具有一定的胶结性，可使土的粘聚力得以加强。此外， c a c 0 3 多说明土的吸附综合体中c a 2 + 离子的浓度较大，这些对其用石灰加固都 是有利的。 ( 4 ) 石灰土的强度随土中有机质含量的增多而减小，这是因为有机质一般呈 酸性反应，使土的p h 值降低；再者，有机质本身的水稳性较差，遇水剧烈膨胀， 致使土体的强度降低。 ( 5 ) 石灰土的强度有随土的硅铝率的增大而减小的趋势，说明硅铝率增大， 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 土中扩张性晶格的粘土矿物( 如蒙脱石) 增多，因而其水稳定性降低。 2 2 2 含水率和压实度对石灰加固土强度的影响 水是石灰土的重要组成部分，它促使石灰土发生物理化学反应，形成强度。 施工时水便于土的粉碎拌和和压实，并且有利于养生，不同土质的石灰土各有 其最优含水率，应通过击实试验来控制施工中的含水率。 石灰土的强度随压实度的增加而增加。实践证明：石灰土的压实度每增减 l 强度约增减4 左右。而且压实的灰土，其抗冻性、水稳定性也较好，缩 裂现象较少，所以提高石灰土的压实度具有重要意义。 2 2 3 石灰品种、性质和剂量对石灰加固土强度的影响 实践表明，各种化学组成的石灰均可用于加固土，但白云石石灰的加固效 果优于方解石石灰。石灰的等级越高，即活性c a o + m g o 的含量越高，在同样 石灰剂量下有较多的c a o 和m g o 起作用，加固效果越好。石灰的细度越大， 其比表面积越大，在相同剂量下与土粒作用就越充分、反应的进展越快，因而 加固效果就越好。 由于生石灰在消解过程中可放出大量热能，利用生石灰加固土时，消解过 程在土中进行，所放出的热量有利于石灰与土之间的相互作用。另外，刚消解 的石灰呈胶状c a ( o h ) 2 ，其活性和溶解度均较高，能够保证石灰与土粒更好的 作用。因而，采用生石灰加固土的效果要优于熟石灰。 当石灰剂量较低时( 2 3 ) ，石灰主要起稳定作用，使土的塑性、膨胀性、 吸水量等降低，初步具有水稳定性，随着石灰剂量的增加，石灰土的强度与稳 定性均提高，当石灰剂量超过某一剂量以后，过多的石灰在土空隙中以自由石 灰存在，继续增加石灰剂量将会导致石灰土强度的降低。因此对于改良土，存 在最佳石灰剂量。 石灰土的最佳石灰剂量随土质不同而异。一般，土质越粘、土中扩张性晶 格的粘土矿物含量越多时，最佳石灰剂量也越高。但对于粘粒含量极低的砂性 土，由于土中胶结物质少，需靠石灰将土粒粘结在一起，因而需加入较多的石 灰才能达到既定的加固效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 4 养生条件及龄期对石灰加固土强度的影响 石灰土的强度是在一系列复杂的物理、化学反应过程中逐渐形成的，而这 些反应过程需要一定的温度和湿度条件。试验证明，高温和一定的湿度对石灰 土强度的形成是有利的。空气养生过程中，石灰土试件的水分逐渐损失，因此 强度最低。恒温恒湿条件下养生，试件的强度最高。因为温度高可使反应过程 加快，一定的湿度为c a ( o h ) 2 结晶和火山灰反应提供了必要的结晶水。 由于石灰及其与土粒之间的各种反应过程是逐渐进行的，所以不同龄期所 需完