干湿循环条件下粉质黏性石灰改良土的劣化机制研究

A Study on the Deterioration Mechanism of Silty Cohesive Lime Improved Soil under Dry-Wet Cycle Conditions

摘要: 粉质黏性土地区的公路路基为预防多次干湿循环造成路基软化，通常采用掺加石灰进行粉质粘性土性质改良，不同地区的粉质黏土其物理性质不一致，其最佳掺灰量也不一致。文章以绍兴二环西路智慧快速路改造工程为依托，结合室内干湿循环试验与数值分析着重对粉质黏性改良土含灰率进行分析，探讨不同压实系数、不同掺灰量石灰改良土在干湿循环条件下的强度分析。试验研究结果表明：1) 在粉质黏性土中掺入石灰量可有效抵制干湿循环的影响；2) 石灰改良土中的石灰含量低于2%其改良效果不明显，石灰含量8%改良土干湿循环条件下其强度最大；3) 在干湿循环条件下石灰掺入量与改良土强度之间具有一定的离散性；4) 在干湿循环条件下压实系数90%的改良土强度低于压实系数95%的改良土，压实系数越高越不易被破坏。

Abstract: In order to prevent roadbed softening caused by multiple wet and dry cycles, the addition of lime is usually used to improve the properties of powdery cohesive soil in highway embankments in powdery cohesive soil areas. The physical properties of silty clay in different regions are inconsistent, and the optimal amount of lime added is also inconsistent. The article is based on the renovation project of Shaoxing Second Ring West Road Smart Expressway, combined with indoor dry-wet cycle tests and numerical analysis, focusing on the analysis of the ash content of silty cohesive improved soil, and exploring the strength analysis of lime improved soil with different compaction coefficients and ash content under dry-wet cycle conditions. The experimental research results show that: 1) The addition of lime in silty cohesive soil can effectively resist the influence of dry-wet cycles; 2) If the lime content in lime improved soil is less than 2%, the improvement effect is not significant, and the strength of the improved soil with a lime content of 8% is the highest under dry-wet cycle conditions; 3) There is a certain degree of discreteness between the amount of lime added and the strength of the improved soil under dry-wet cycle conditions; 4) Under dry-wet cycle conditions, the strength of improved soil with a compaction coefficient of 90% is lower than that of improved soil with a compaction coefficient of 95%, the higher the compaction coefficient, the less likely it is to be destroyed.

1. 引言

粉质黏土在全国范围内广泛分布，具有透水性弱、水稳性差、压实度低及变形性大等特点。在公路规划建设过程中，难以完全避免粉质黏土区域。然而，使用粉质黏土作为路基填料后，很难保证公路路基的强度和稳定性[1]。特别是在某些气候变化频繁的地区，路基长期处于干湿循环作用，导致路基的强度、稳定性和耐久性降低。吕光东通过干湿循环试验发现，随着干湿循环次数的增加，粉质黏土会迅速软化，其黏聚力和内摩擦角也会出现不同程度的劣化[2]。涂义亮研究了干湿循环条件下粉质黏土的强度及变形规律，发现随着干湿循环次数的增加，原始黏土的强度、黏聚力等物理力学性质均会降低[3]。张卫兵对银川地区的粉质黏土进行了干湿循环压缩试验，发现土体孔隙比会随干湿循环增加而减小，干湿循环过程中土体的压缩变化程度较大，提高压实度对抵抗压缩变形的能力越来越小[4]。李文通过研究干湿循环对长沙绕城高速公路粉质黏土的损伤特性，并分析了土体的劣化过程，发现在干湿循环作用下，土体的微观强度会略微降低，但微观强度的离散程度呈增大趋势[5]。粟伟研究了干湿循环对粉质黏土抗剪强度的影响，结果显示，在干湿循环10次后，黏聚力降为原来的三分之二，内摩擦角降为原来的三分之一[6]。刘文化的动三轴试验研究发现，干湿循环会明显影响粉质黏土的变形特性，相同条件下，经过干湿循环的试样累积塑性应变小于原始试样[7]。Rayhani对干湿循环作用下的黏性土裂缝进行研究发现，土体裂缝的尺寸随黏性指数和干湿循环次数的增加而增大[8] [9]。综上所述，土壤中掺加石灰进行改良，可以提高改良土的强度和稳定性。但干湿循环对素土和改良土都会产生劣化作用，导致土壤强度降低，从而引发路基使用性和耐久性下降。目前针对干湿循环对改良土影响的研究，主要集中在膨胀土和淤泥土，对粉质黏土的研究较少。鉴于此，本文将开展粉质黏性改良土室内试验，探讨不同压实度、不同石灰剂量的粉质黏性改良土，在干湿循环作用下的工程特性变化规律，为路基填料工程实践提供参考。

2. 试验方案及原材料

2.1. 试验方案

本文参照文献[10]所提出的干湿循环方法，来模拟自然环境下土体的干湿循环过程，本试验采用先干后湿的顺序来进行。将所有试样置于恒温箱中进行脱湿以模拟路基干燥蒸发脱湿，温度设在45℃，时间18 h (此为一次干循环)，定义试样初始状态为干燥状；试样从恒温箱内取出后，待试样温度与室温一致时，将试样置于自来水中浸水直至饱和以模拟雨水浸润路基，浸水过程在温度为20 ± 2℃、湿度大于90%的恒温养护箱内进行，浸水时间为18 h (此为一次湿循环)。

2.2. 试验原材料

本试验所用粉质黏土取自绍兴二环西路智慧快速路项目，取土深度约3m，试样呈现灰褐色，硬塑状态。按照《公路土工试验规程》(JTG3430-2020)进行土工试验，得到基本物理性质指标如表1所示。

Table 1. Basic physical and mechanical indexes of soil

表1. 粉质黏土的基本物理性质指标

指标	比重Gs	天然孔隙e	液限ωL/%	塑限ωP/%	液性指数IP/%	最大干密度/(g·cm^−^3)	最佳含水率/%
参数值	2.72	0.953	39.46	19.24	20.2	1.77	18

本文采用掺石灰的粉质黏土进行试验。试验采用二级石灰，其中CaO含量高于80%，MgO含量低于10%，同时要求石灰活性指数Rp不低于75和石灰含水率不超过5%。

2.3. 制样

试验中的试样为经过掺石灰改良的粉质黏土，采用静压方法制备。改良土的掺灰率为试样中石灰与干土质量的比值，用百分数表示。石灰改良土中的掺灰率分别为R1 = 0 (未掺加石灰)、2%、4%、6%和8%五种，压实度分别为90%、95%两种。制样完毕后，所有试样都经过7 d的标准养护(养护温度为20℃ ± 2℃、湿度大于70%)。

3. 试验结果及分析

3.1. 试验现象

(a) R₁ = 0 (b) R₂ = 2% (c) R₃ = 4% (d) R₄ = 6% (e) R₅ = 8%

Figure 1. First immersion test of plain soil and 2% dose improved soil

图1. 90压实度条件下不同掺灰率试样首次浸水试验

图1为90%压实度条件下不同掺灰率试样首次浸水试验。经过浸水试验发现，素土试样在接触水后立即产生大量气泡，土颗粒迅速脱落并软化成泥状结构；掺加2%石灰的试样泥化速度较慢，约10分钟后软化成泥；而掺加4%石灰的试样在浸水后虽有气泡产生和部分土颗粒脱落，但随后处于相对稳定状态，且在干湿循环中表现出更好的稳定性；掺加6%和8%石灰的试样在浸水试验中状态相对稳定，且干湿循环中表现不明显。这些结果表明，粉质黏土吸水后会迅速软化，而掺加石灰可以有效增强土的水稳性，通过化学反应形成新的结晶物质填充土颗粒间的孔隙，从而降低土的塑性、增强土粒间的粘结力，提升土体的强度和水稳性。

3.2. 干湿循环次数对试样的崩解影响

图2分别描述了不同压实度和掺灰率条件下试样质量、直径损耗率与干湿循环次数的关系。从图中可知，在同等循环次数，试样掺灰率的差异带来了质量损耗率的差别。90%压实度的试样，在六次干循环和湿循环后，4%掺灰率试样的质量损耗率为6%掺灰率试样的4.09倍和3.72倍，为8%掺灰率试样的9.29倍和5.09倍。在同一压实度下，掺灰率越低的试样质量损耗率越高，反之越低。同等压实度条件下，掺灰率越低的试样质量损耗率越高，循环次数越多，试样不同掺灰率质量损耗率差异越明显。

(a) 90%压实度 (b) 95%压实度

Figure 2. Basic physical and mechanical indexes of soil

图2. 试样质量损耗率与干湿循环次数的关系

分析不同掺灰率试样的干湿循环次数对试样质量损耗率的影响规律发现，随着干湿循环次数的提升，同等条件下试样在湿循环作用下的质量损耗率大于干循环条件下的质量损耗率，随着循环次数的增加，两者之间的差异越显著。此证明湿循环对改良土的破坏大于干循环。

对干湿循环中的改良土质量与干湿循环次数进行拟合，得到拟合方程，如(1)式：

$y=A{x}^3+B{x}^2+Cx+D$ (1)

式中A、B、C、D为不同压实系数、不同石灰剂量的参数。

3.3. 干湿循环次数对试样形态的影响

图3为95%压实系数、6%石灰剂量的改良土在干湿循环作用下，试样的裂缝发展过程与干湿循环次数的关系。从图中可以看出，干湿循环次数对改良土裂缝的发展有着至关重要的影响。在前2次干湿循环试验中，试样未出现明显裂缝发生和发展；第3次干循环后，试样外侧开始形成微小裂缝，此时裂缝的发育方向并不确定，并出现起皮剥落现象但不明显；第3次湿循环后，试样上表面开始形成新的微小裂缝，且试样边缘裂缝处已发育成起皮剥落，起皮脱落区域约为整个试样上表面的五分之一及试样侧面全部起皮脱落；第4次干循环后，试样表面裂缝造成局部土颗粒发生剥落，试样表面往内四分之一区域发生了起皮剥落，甚至右下侧局部区域出现了颗粒脱落，但总体上仍能保持试样的完整性；第四次湿循环后，试样裂缝发育趋势比较明显，裂缝宽度较之前的更大更宽更深，在后两次干湿循环中虽也有新的裂缝产生，但是已生产的裂缝位置不会再发生变化，只是在原有裂缝的基础上开始向周围发生拓展，裂缝的长度变得更长；试样表面起皮剥落区域进一步扩大，已占据试样表面的三分之二，试样左上侧出现大颗粒土脱落现象。试样的完整性被破坏；第五次干循环后，试样再次出现土颗粒脱落现象，左侧下部的贯穿缝得到进一步发展已处于脱落阶段，试样表面起皮剥落区域逐渐增大，试样绝大部分表面都发生了起皮剥落现象；第五次湿循环后，试样崩解。

试样在前三次干湿循环过程中未出现较大的裂缝，从第四次干湿循环开始试样裂缝逐渐发育，直至试样出现崩解现象。此现象表明干湿循环对粉质黏性改良土具有劣化作用，干湿循环次数越多劣化程度越严重；改良土本身对于干湿循环具备一定的“抵抗力”，随着干湿循环次数增大，改良土的“抵制力”减弱，试样逐渐发生收缩变形，导致试样表面出现裂缝，致使土体结构变松散出现崩解现象。

由此得知由此得出试样的掺灰率和压实度对抵制干湿循环有着显著的影响，4%、6%掺灰率的试样在90%压实度条件下的质量、体积损耗率均大于95%压实度的试样，循环次数越多两者之间的差异越明显；但8%掺灰率试样在不同压实度和循环次数条件下，质量和体积累计损耗率均较低。

第一次干循环 第二次干循环 第三次干循环

第四次干循环 第五次干循环 第六次干循环

第一次湿循环 第二次湿循环 第三次湿循环

第四次湿循环 第五次湿循环 第六次湿循环

Figure 3. Six dry and wet cycles of the sample with 6% ash content under 95% compaction coefficient

图3. 95%压实系数下石灰剂量6%试样的六次干湿循环过程

进一步分析可知：掺灰率和压实度较低的土体通常含有较多的水分，水灰比较高，在干燥环境下，这些土体容易失去水分，导致土体的收缩和变形，从而引起开裂和损坏；反之掺灰率和压实度较高的土体含水量相对较低，水灰比较低，在干湿循环过程中，土体内部水分的变化相对较小，从而减小了土体的收缩膨胀程度。同时低压实度会使土体内部的孔隙结构相对较大，这使得土体更容易受到干湿循环的影响，在干燥的情况下，水分流失会导致孔隙结构内部的变化，加剧土体的破坏；而高压实度下的土体通常具有更加紧密的结构，孔隙度相对较小，这样的土体结构更加稳定，抗干湿循环性能相对较好，不容易因为干湿变化而引起较大的变形和破坏此表明较高的压实度和掺灰率有助于提高路基抵制干湿循环的能力；适当提高粉质黏性路基的压实度和掺灰率，并采取良好的排水、截水措施，防止干湿循环对粉质黏土造成危害，从而提高公路的耐久性。

4. 结论

1) 干湿循环会损坏粉质黏土的土体结构，降低土的强度和稳定性，甚至导致粉质黏土崩解。因此，粉质黏土不适合直接作为路基填料。

2) 在粉质黏土中掺加石灰可以改善土体的物理特性，提升土体对干湿循环的抵制能力。随着石灰掺加量的增加(以R = 0、2%、4%、6%、8%为例)，粉质黏性改良土的强度和稳定性也会相应增强。

3) 在干湿循环过程中，良好的压实度与土体的强度、稳定性紧密相关。路基调料采用改良土时，其强度、稳定性以及土体结构与压实系数之间存在直接关系。

基金项目

2023年湖南省建设人力资源协会科研项目(CHA2023011)，2023年怀化职业技术学院科学研究与社会服务项目(KJ202305)。