石灰土抗剪强度试验及数学模型研究

摘要:为了解决目前工程实际中路面荷载由于运动速率与大小变化对公路路基造成的危害，文章进行了以下研究:在掺不同比例石灰的条件下，用石灰改良膨胀土，使用四联应变控制式直剪仪进行实验，改变剪切速率与垂直荷载，对其力学性能进行分析。

关键词:膨胀土;剪切速率;上覆荷载;抗剪强度

前言

在工程实践中，就检测膨胀土是否满足工程需求而言，抗剪强度指标具有重要意义，其可直接反映土体抵抗剪切破坏能力的极限状态，这一指标在膨胀土的改良实验中也应用广泛。同时，这种指标与许多因素有关，包括土的种类、状态、天然结构破坏与否、实验排水条件等，可以说，抗剪强度是一个不确定的指标，尤其在处理膨胀土的公路路基填料与路基边坡稳定时，会遇到各种不同荷载的影响。在不同的荷载作用下，膨胀土与石灰反应后，内部的胶体聚结颗粒会呈现出不同的莫尔破坏包线，并且车辆荷载的速度也是随着时间不断变化，对内部摩擦力的影响很直接，从而间接改变抗剪强度指标。

1试验方案

1．1试验材料1)膨胀土。选取湖北省宜昌市某一级公路主线上比较有代表的土场作为膨胀土试验的土料来源地，颜色灰白为主，拥有较好的裂隙发育，内部常见乳白色的颗粒状填充物，土体的裂隙面光滑。试验用膨胀土的相应指标见表1。由表1可知WL=36．1%，Wp=18．9%，δef=53%，膨胀土的液限＜50%，自由膨胀系数为40%～60%，可初步判定该土体为低液限弱膨胀土。2)石灰。改良使用的石灰产自宜昌山区，其主要成分为CaO与MgO，含量超过了83．4%，近似青白色，呈粉状。经过试验分析，石灰为钙质石灰，且非常优质，满足试验规范对石灰原材料的要求。1．2试验过程以JTGE40－2007《公路土工试验规程》为指导进行试验，将试验所需土样碾散后过筛(需过2mm筛)，然后放入烘箱完全烘干。同时将石灰过筛后放在75℃环境下烘干。为了模拟石灰改良膨胀土后达到的最佳标准，通过重型击实试验确定最佳含水率为12%，最优干密度1．8g/cm3。文献［1］中掺石灰比例一般控制在10%以下，作为参考，本文确定掺石灰比例为:0、3%、5%、7%、9%。将石灰与膨胀土搅拌均匀后向内掺水，直到最佳含水率，焖料一昼夜后采用静压法制样，在制样的过程中，制样的环刀内径约为61．8mm，高度20mm。然后用塑料袋将试样密封好，放在恒温、恒湿、恒压的环境中养护7d［1］。7d后使用四联应变控制式直剪仪进行实验操作，在接下来的过程中要从不同剪切速率与不同上覆荷载两个方面来进行实验对比:①在100、200、300、400kPa的标准垂直荷载压力作用下，采用0．8mm/min与2．4mm/min两种剪切速率进行剪切实验;②在0．8mm/min与2．4mm/min的剪切速率下，分别改变上覆垂直压力，然后进行实验，分析结果。在改变上覆荷载过程，考虑到实际路面上行人荷载、车辆荷载不同的荷载影响，对于较小级别的实际荷载以12．5、25、37．5、50kPa作为一级荷载，进行实验;然后稍重的以62．5、75、87．5、100kPa作为二级荷载;对于重型荷载则以100、200、300、400kPa作为三级荷载进行对比实验。1．3试验结果膨胀土通过石灰改良后，在改变剪切速率与上覆荷载的条件下，它的粘聚力、内摩擦角等抗剪强度参数数据的变化见表2～3。

2剪切速率对石灰改良膨胀土抗剪强度的影响

为探究不同剪切速率对改良膨胀土的抗剪强度的影响，本文在不同掺石灰率的基础上，对每一组掺灰土样，以0．8mm/min与2．4mm/min速率分别剪切后，得到摩擦角与粘聚力的指标变化情况。石灰改良膨胀土，从理论上分析，主要考虑以下方面:石灰与土中的自由水结合，降低含水率，促使膨胀土的矿物晶体脱出结合水，达到硬化目的;石灰中的Ca2+与膨胀土中的阳离子交换，导致Ca(OH)2胶体吸附能力减弱，形成的水膜也变薄，土粒之间的接触更加紧密;石灰的硬凝作用改变了矿物晶体结构，形成的粘聚物使粒径变大，占据了部分水分子空间，同时，膨胀土的结构也更趋于稳定。根据试验曲线图可知，原状土在石灰改良后内摩擦角变化十分明显，基本可以呈2倍增长。在3%～9%的掺灰比例之间，摩擦角的变化很微弱，但依然有增大的趋势。说明掺石灰改良的结果很明显，Ca(OH)2的水化作用增大了颗粒的粘聚力，膨胀土中粗颗粒成分增多，导致摩擦角明显变大，但是当土中掺入较多石灰后，粗颗粒饱和，内摩擦角主要取决于土粒外结合水膜厚薄，掺石灰越多，水膜越薄，颗粒接触越紧密，内摩擦角也逐渐变大［2］。在不同的剪切速率下，2．4mm/min剪切速率相对于0．8mm/min剪切速率，每个相同的掺灰点对应的内摩擦角，都略微增大。0．8mm/min的速率下进行直剪试验，试样有足够的时间压缩，土粒之间接触也更加密实，从而使内摩擦角增大;当在2．4mm/min速率下实验时，由于剪切时间太快，内部孔隙之间不能充分填充，抵抗剪切的能力变弱，内摩擦角也就较小。

3上覆荷载对石灰改良膨胀土抗剪强度的影响

3．10．8mm/min剪切速率下上覆荷载作用下的抗剪强度为了探究公路路面在不同荷载作用下对路基的影响，并且最大可能模拟公路路面实际受力情况，本文从3个荷载等级进行试验，同时在0．8mm/min的剪切速率下试验，得到了不同荷载等级下的内摩擦角、粘聚力和所有荷载下抗剪强度的分布情况。不同的上覆荷载等级作用下，内摩擦角呈现的规律也各不相同。当掺石灰比例为0时，任意等级荷载的内摩擦角为21°～29°。掺石灰后，内摩擦角增大为40°～50°。随着掺石灰比例的增加，内摩擦角也在逐渐增大，且在3%～9%的掺石灰比例中，每个荷载等级的内摩擦角变化不大，平均增大3．32°。不同荷载等级之间比较，随着荷载等级增高，也就是垂直压力越大，相应的内摩擦角反而越小［3］，但是，同一掺石灰比例下不同荷载等级对应的内摩擦角的变化很微弱。不同的上覆荷载对粘聚力的影响明显。从每级荷载来看，相对于原状土，粘聚力有显著的增加，其中最大的粘聚力是原状土的3倍多，并且增大值达到了100．05kPa。随着掺灰率的增加，粘聚力先增大后减小，为6%～8%，粘聚力由最大值，然后逐渐减小。不同荷载之间，随着荷载级别的增加，粘聚力也有增大趋势，也就是说，垂直荷载越大，根据库伦定律τ=c+σtanφ，得知线性关系的粘聚力越大。在12．5～400kPa的不同垂直荷载作用下，改良膨胀土的抗剪强度的变化呈一定规律。在掺石灰比例为0的条件下，抗剪强度随垂直荷载的增大而增大，但变化趋势比较平缓，最终400kPa下的抗剪值比12．5kPa下的抗剪值增加约156kPa。掺石灰后，抗剪强度的变化趋势明显增大。3．22．4mm/min剪切速率下上覆荷载作用下的抗剪强度工程实践中，上覆荷载改变的同时，路基路面受到的水平摩擦力大小也变化明显，改用2．4mm/min的剪切速率重复变荷载的直剪实验，得到粘聚力、内摩擦角与抗剪强度的变化，如图1～2所示。在改变了剪切速率后的变荷载直剪试验中，掺石灰后的内摩擦角增大明显，在3%～9%的掺石灰值下，随着荷载等级增加，内摩擦角微弱变大，这一点与0．8mm/min剪切得到的摩擦角规律相同，但是其增大幅度却随着荷载等级的增大在增大，分别为2．15°、2．78°、3．97°。原因是:在2．4mm/min的剪切速率下，随着荷载等级的增大，土粒间压实程度越趋于饱和，土粒间的摩擦越充分，内摩擦角的变化值也就越明显。2．4mm/min剪切速率剪切，各不同荷载等级的粘聚力呈现先增大后减小的趋势。荷载等级越大，相应的粘聚力也就越大。二级荷载与三级荷载比较接近，开始增大幅度较大，然后逐渐平缓，粘聚力的增大趋势也慢慢变小，直到达到最大粘聚力。这是由于荷载等级较大时，对土体内部施加一定作用力，压缩了反应空隙，加剧了反应的程度，同时当掺石灰比例较小，离子的化学反应还不充分，仍然有部分土颗粒处于自由活性状态，少量的石灰就可以导致明显的胶结作用;到后面，掺石灰比例逐渐饱和，它的粘聚力变化空间也就越小，增大趋势也就减弱。一级荷载作用下，由于荷载等级小，对土体施加的作用力还不足以压缩反应空间，粒子呈自由状态反应，粘聚力的变化较平缓。在2．4mm/min剪切速率条件下，不同上覆荷载作用的抗剪强度变化为:在任意垂直荷载作用下，它的抗剪强度都是随着掺石灰比例先增大后减小，并且在7%附近达到最大值。但是随着荷载等级的改变，抗剪强度的改变幅度也有一定的波动。总体上荷载等级越大，改变值越大。同一荷载等级内，抗剪强度与掺石灰比例的关系比较随机，本文中3%～9%四个掺灰点，任意荷载等级的抗剪强度增幅大小都比较接近。

4结论

本文在石灰改良膨胀土的基础上，通过改变剪切速率与上覆荷载，来探讨对抗剪强度的影响。经过大量的试验研究，可得到如下结论。1)相对于原状土，石灰改良后的膨胀土的内摩擦角、粘聚力、抗剪强度都有显著提高。2)剪切速率对改良后膨胀土的内摩擦角有一定的影响。剪切速率越大，其内摩擦角越小;剪切速率越小，内摩擦角反而越大。但是，内摩擦角的变化较微弱。3)在相同垂直应力作用下，剪切速率对粘聚力有明显的影响。剪切速率越大，粘聚力也就越大，在达到最大值前，随着掺石灰比例增加，粘聚力的增大幅度越明显。4)不同上覆荷载作用下，内摩擦角也会受到相应的改变，随着荷载等级的增加，内摩擦角逐渐变小，但是其变化的趋势也很小;粘聚力则随着荷载等级的增大而增大。在公路路基设计中，可以通过适当增加限载重量来提高路基边坡稳定性。5)增大剪切速率，在不同的荷载等级作用下，与小速率剪切相比，内摩擦角普遍降低，粘聚力普遍增大。且随着荷载等级的增加，内摩擦角增幅逐渐变大。粘聚力在低荷载作用下时平缓增加，在高荷载等级作用下随掺石灰率增加，它的增大趋势逐渐放缓。6)无论是改变剪切速率，还是在不同荷载等级下进行对比试验，掺石灰比例对抗剪强度影响都很大。通过比较分析可知，石灰改良该地区膨胀土的最佳掺石灰比例为7%。

参考文献:

［1］边加敏，蒋玲，王保田．石灰改良膨胀土抗剪强度参数实验研究［J］．长江科学院院报，2012，29(12):62－67．

［2］陈爱军，张家生．石灰改良膨胀土的强度特性研究［J］．湖南工程学院院报:自然科学版，2010，20(2):63－67．

［3］夏琼，杨有海．石灰改良膨胀土填料试验研究［J］．兰州交通大学学报，2009，51(4):30－34．

作者：邵红勇 单位：湖北省交通运输厅工程质量监督局