石灰改良土无侧限抗压强度及剪切强度特性研究_严赪强.pdf

收稿日期：基金项目：中国铁路上海局集团有限公司科研项目重点课题（）。作者简介：严赪强（），男，年毕业于河海大学岩土工程专业，工学硕士，工程师，：。通信作者：徐永福（），男，年毕业于河海大学岩土工程专业，工学博士，教授，：。文章编号：（）石灰改良土无侧限抗压强度及剪切强度特性研究严赪强 白宇帆 徐永福 王伟志 王 浩（.上海铁路枢纽工程建设指挥部，上海；.上海交通大学土木工程学院，上海）摘 要：长三角地区存在大量软土，通过石灰改良后可以提高其力学特性，以满足工程需要。通过无侧限抗压强度（）试验、不固结不排水（）三轴剪切试验研究石灰改良土的强度特性。试验结果表明，随着干密度、龄期、石灰掺量的增加，石灰改良土的无侧限抗压强度增加；三轴剪切试验中，干密度、龄期、石灰掺量越大，石灰土剪切强度越大，且围压越大石灰土剪切强度和破坏应变越大；石灰土在单轴压缩条件下呈现明显的脆性破坏特征；石灰土在三轴剪切条件下呈现脆性破坏和塑性破坏两种破坏模式；石灰土的黏聚力和内摩擦角随干密度、龄期和石灰掺量的增大而增大，且黏聚力变化较内摩擦角更为明显。关键词：高速铁路；石灰改良土；强度特性；无侧限抗压强度；土工试验中图分类号：；文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（）：（，；，）：（）（），：，：；铁 道 勘 察 年第 期引言长三角地区存在大量软土，随着高铁建设的发展，不可避免会遇到强度低、承载力弱、工程性质差的软土地层，容易带来各类路基病害和交通隐患。目前，最为经济实用的改良方法主要石灰改良，也可采用水泥、添加纤维、粉煤灰、工业废渣等材料对土体进行改良处理。石灰由于其成本低廉且易于获得的特点，被广泛用于各类不良土体的加固处理。添加石灰后，石灰和土会发生水解水化反应、离子交换反应、碳酸化作用、火山灰反应等一系列物理化学作用，生成各类胶结物质，如水化硅酸钙、水化铝酸钙、碳酸钙、钙矾石等，改变了石灰土的微观组成和结构，进而提高石灰土的强度，起到改良固化效果。已有许多学者开展相关研究，贺建清发现掺入石灰能有效改善软土的力学性质，非饱和状态下的石灰土强度并非一直随着石灰掺量的增加而增大，而是存在一个最佳掺量，在此掺量下石灰土的强度最高；等对石灰改良处理后的粉土进行现场测试，发现即使处于饱和状态，石灰改良粉土仍能够显著提高土体的工程性质，具有较低的塑性，良好的可加工性，较大的刚度和内聚力，且脆性和渗透性方面的性能没有损失；郭爱国等依托实际高速公路工程，结合室内和现场试验，对中膨胀土的物理力学特性以及中膨胀土经过石灰改性处理后的效果进行了研究，发现经石灰改性后的中膨胀土强度有很大提高，水稳定性也较好，说明经石灰改良处理的中膨胀土可以作为高速公路路堤的填筑材料；等采用动态三轴试验系统对石灰处理膨胀黏土进行一系列室内试验，讨论含水率、围压、振动频率、固结比、循环次数等因素对石灰处理膨胀黏土的动力学特性的影响。不难看出，石灰改良土力学特性受到很多因素的影响，其中最为主要的影响参数包括干密度、龄期、石灰掺量、含水率等。以下采取击实试验，得到沪苏湖高铁上海段路基软土及其石灰改良土的最大干密度 及最优含水率，并通过无侧限抗压强度（）试验和不固结不排水（）三轴剪切试验得到石灰改良土的力学特性及其随干密度、龄期、石灰掺量的变化，分析石灰改良土的强度特性。强度试验.试验材料试验所用软土取自上海沪苏湖高速铁路上海段，软土的基本物性指标见表。表 软土的基本物性指标天然重度 （）天然含水率 相对重度塑限 液限 塑性指数.在试验之前，首先需要确定土体的最大干密度与最优含水率，对软土和不同石灰掺量的石灰改良土进行击实试验，得到其最优含水率 及最大干密度。软土和石灰土的标准击实试验曲线见图。软土和不同石灰掺量的石灰改良软土的最优含水率及最大干密度见表。图 软土和石灰土的标准击实曲线表 软土和石灰土的最大干密度和最优含水率石灰掺量 最大干密度 （）最优含水率 .由表 可知，软土的最大干密度为.，最优含水率为.，掺加石灰后，最大干密度变成了石灰掺量下的.、石灰掺量下 的.和 石灰掺量下的.，而最优含水率变成了 石灰掺量下的.、石灰掺量下的.和 石灰掺量下的.。由此可见，随着石灰掺量的增加，石灰土的最优含水率增大，最大干密度减小。这是由于添加石灰后，石灰发生水解水化反应，土体中的一部分游离水转化为结合水，为了提高土体压实性，需要更多的自由水进行润滑，导致其最优含水率随石灰掺量的增加而增大。石灰由于其吸水絮凝作用，会在石灰土中形成絮凝网状结构，导致对石灰土进行压实需要更大的压实功，因此，其最大干密度随着石灰掺量的增加而减小。考虑到不同石灰掺量时石灰土的最优含水率均在附近，以下力学试验的目标含水率均取。.试样制作将土体风干、敲碎、烘干后，称取一定质量的干土，石灰改良土无侧限抗压强度及剪切强度特性研究：严赪强 白宇帆 徐永福等与一定掺量（、）的生石灰粉末（过.筛）充分拌合，喷洒蒸馏水至最优含水率并充分搅拌，静置 ，使得土样中的水分分布均匀。制样时，根据目标干密度和含水率计算单个土样的质量，然后分 等份在三瓣膜内逐层击实成样（土样尺寸高、直径.），每层之间用小刀均匀刮抹以加强试样的整体性和均匀性。脱模后，将试样用塑料膜和袋子密封包好，并贴上标签，然后放入保湿缸中养护至规定龄期，相关实验设备见图。图 试样制备仪器示意.试验方法（）无侧限压缩试验无侧限抗压强度试验能方便快捷地测量土体的单轴抗压强度。为了减少土体本身的离散性和人为操作带来的误差，制作完全相同的 个平行试样，养护到规定的龄期进行无侧限抗压强度试验，试验结果取平均值。无侧限压缩试验通过圆柱体试样施加轴向压力，不施加任何侧向压力，直至试样破坏为止。无侧限抗压强度的计算公式为（）式中，为破坏试件极限压力；为试样横截面积。（）三轴压缩试验在保持侧向围压相同的情况下，通过施加垂直向轴压，通过不同的管路测量土体剪切过程中体变、孔隙水压力、变形、轴力等数据，最终通过数据处理得到相应的图表。三轴剪切仪主要由压力室、加压系统和量测与采集系统组成。试样放置在压力室内，加压系统用来提供围压、轴力、反压；量测与采集系统包括位移传感器和压力传感器等各类传感器；所有测量数据均由计算机自动采集。石灰改良土的不固结不排水（）三轴剪切试验的围压水平分别为，三轴剪切速率为.。具体的试验方案见表。表 不固结不排水（）三轴剪切试验方案围压 龄期 含水率 石灰掺量 干密度 （）、.、.、.、.、.、.试验结果分析.无侧限抗压强度无侧限抗压强度与干密度的关系见图。由图 可知，同样条件下，干密度越大，石灰土的无侧限抗压强度越大，且无侧限抗压强度和干密度呈线性关系；同一干密度时，龄期越大，石灰土的无侧限抗压强度越大。石灰含量相同土样的无侧限抗压强度与龄期的关系见图。由图 可知，龄期越大，石灰土的无侧限抗压强度越大，且无侧限抗压强度早期增长快，后期增长慢，前强度增长较快，后强度增长变慢。相同龄期土样的干密度越大，石灰土的无侧限抗压强度越大。干密度相同土样的无侧限抗压强度与龄期的关系见图。由图 可知，同一龄期内，石灰掺量越大，石灰土的无侧限抗压强度越大。前，不同石灰掺量的石灰土无侧限抗压强度比较接近，以后，不同石灰掺量的石灰土无侧限抗压强度差值较为明显，表明石灰掺量对于石灰土后期的强度影响较早期更为明显。图 不同龄期时无侧限抗压强度和干密度的关系（石灰掺量，含水率）在含水率一定的情况下（），石灰土的无侧限抗压强度随着干密度和龄期的增加而增加，且早期强度增长快，后期强度增长慢。在石灰掺量范围内（、），无侧限抗压强度随着石灰掺量的增加而增加，且石灰掺量对于石灰土后期的强度形成贡献更大。.不固结不排水（）三轴剪切试验石灰土的三轴剪切应力应变曲线见图。随着龄铁 道 勘 察 年第 期图 不同干密度时无侧限抗压强度和龄期的关系（石灰掺量，含水率）图 不同石灰掺量时无侧限抗压强度和龄期的关系（干密度.，含水率）期的增长，石灰土强度增加；龄期相同土样，干密度越大，石灰土强度越高；石灰掺量越大，石灰土强度越高。且同一条件下，随着围压的增大，石灰土的剪切强度越高，破坏应变也越大。石灰土在三轴剪切条件下呈现脆性破坏和塑性破坏两种特征，干密度、龄期、石灰掺量越大，石灰土的脆性破坏越明显，见图（）；围压越大，石灰土的塑性破坏越明显，见图（），这是由于围压越大，对于石灰土的侧向约束越强导致的。图 石灰土的破坏形式根据莫尔圆可以确定石灰土的黏聚力 和内摩擦角。不同试验情况下，石灰土的黏聚力和内摩擦角分布见表，石灰土的三轴剪切强度参数对比见图、图。由表 可知，干密度为.、石灰掺量为时，随着龄期的增大，黏聚力由 的 增大到 的 、的 以及 的，内摩擦角也由 的.增大到 的.、的.以及 的.。图 石灰土 试验应力应变曲线石灰改良土无侧限抗压强度及剪切强度特性研究：严赪强 白宇帆 徐永福等表 石灰土的黏聚力和内摩擦角干密度 （）龄期 石灰掺量 含水率 黏聚力 内摩擦角（）.图 石灰土三轴剪切强度参数与龄期的关系（干密度.，含水率，石灰掺量）石灰土的三轴剪切强度参数与干密度的关系见图。由图 可知，龄期为 时，石灰掺量为 时，随着干密度的增大，黏聚力由.干密度时的 增大到.干密度时的 、.干密度时的 ，内摩擦角也由.干密度 时 的.增 大 到.干 密 度 时 的.、.干密度时的.。图 石灰土三轴剪切强度参数与干密度的关系（龄期 ，含水率，石灰掺量）石灰土的三轴剪切强度参数与石灰掺量的关系见图。由图 可知，干密度为.、龄期为 时，随着石灰掺量的增大，黏聚力由 石灰掺量时的 增大到 石灰掺量时的 、石灰掺量时的 ，内摩擦角也由 石灰掺量时的.增大到 石灰掺量时的.、石灰掺量时的.。图 石灰土三轴剪切强度参数与石灰掺量的关系（干密度.，龄期 ，含水率）事实上，干密度越大，石灰土的压密程度越好，孔隙率小，石灰土颗粒间的连结作用更紧密，其强度就越大。龄期越长，石灰和土体发生的反应时间就越长，特别是到后期火山灰作用占主导，在土体内部不断生成强度较高的水化产物和胶凝物质，填充孔隙的同时增加颗粒间的胶结作用，从而增加石灰土的强度。在、时，随着石灰掺量的增大，石灰和土体发生的反应越充分，生成的胶结物的含量就越多，对土体内部孔隙的填充效果越好，对土颗粒起到镶嵌、包裹和胶结作用越强，从而增加石灰土的强度。干密度、龄期、石灰掺量的提高对石灰土的黏聚力和内摩擦角均有提升，但对于黏聚力的影响更大。结论（）石灰改良土的无侧限抗压强度随着干密度、龄期、石灰掺量的增大而增大，其无侧限抗压强度的增长有明显时间效应，表现为早期增长快，后期增长慢。在一定的石灰掺量范围内（、），石灰土的无侧限抗压强度随着石灰掺量的增加而增加，且石灰掺量对于石灰土后期无侧限抗压强度贡献更大。石灰土的单轴破坏模式为脆性破坏。（）通过不固结不排水（）三轴剪切试验得到不同围压下石灰改良土的剪切应力应变曲线，并通过绘制莫尔圆和强度包络线得到对应的抗剪强度指标。结果显示，石灰土的抗剪强度指标（黏聚力和内摩擦角）随着干密度、龄期和石灰掺量的增加而增大，且黏（下转第 页）铁 道 勘 察 年第 期力极值变化都不大，处于合理范围内。（）地表沉降监测表明，最大沉降约.，最大变化速率.，未超过允许范围，总体上趋于稳定；各导坑开挖及支护施工对附近监测断面洞周位移有扰动，但影响不大；洞周位移总体上在 之后，围岩内部位移处于相对稳定状态。参考文献 施有志，李建锋，李汪颖，等 扁平超大断面隧道的施工力学特征及其动力稳定性分析 上海交通大学学报，（）：李宏涛 双洞 车道特大断面隧道研究现状及展望 城市道桥与防洪，（）：，施有志，柴建峰，阮建凑，等 特大跨度隧道分部开挖爆破对既有隧道结构的影响 中山大学学报（自然科学版），（）：中华人民共和国交通运输部 公路工程施工安全技术规范：北京：人民交通出版社，陈梦月 厦门翔安隧道陆域浅滩段 工法施工步距和工序沉降控制作用研究 铁道建筑技术，（）：聂振宇 修建城际地下铁路隧道存在的步距问题与相关建议隧道建设，（）：王齐 混合岩地层大断面隧道施工安全步距优化研究 工程建设，（）：王