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专业：

水利工程

年级：

2013级

任课教师姓名:

梁越

研究生姓名：

黄亚非

学号：

2130960008

石灰稳定土垫层对膨胀土强度特性的影响

JagadishPrasadSahoo•

PradipKumarPradhan

摘要：

本实验探讨了关于石灰稳定土垫层对膨胀土强度特性的影响。

在目前研究中，进行了一系列单一膨胀土以及石灰稳定非膨胀粘性土垫层的试验。

稳定土垫层中粘性非膨胀土的石灰干重含量分别为2，4，6，8，10%。

膨胀土与石灰稳定土垫层均按2:

1比例压实到普氏标准最佳状态。

加垫层膨胀土实验养护及浸润期设置为7，14，28及56天，实验结果表明最大强度增值为14天养护及浸润期，8%的石灰含量。

关键词：

CBR；垫层；膨胀土；石灰；非膨胀粘性土；无侧限抗压强度

1引言

膨胀土普遍存在于世界干旱及半干旱地区，在年蒸发量超过降水量的地区十分充裕，由于对含水率变化的敏感性，膨胀土的结构一直以来都极为困难并具挑战性。

含水率增加会导致土体膨胀引起强度降低，含水率降低则土体收缩引起干缩裂缝。

由于干湿季节交替，膨胀土会经历膨胀与收缩的循环过程。

根据Dif与Bluemel（1991）;Day（1994），膨胀土的干湿循环会导致土壤颗粒重排，粒度改变与颗粒间粘结力的破坏，反过来降低了土壤强度。

膨胀土的膨胀与收缩引起差异移动，对建筑物，道路，围护结构，渠道衬砌等的地基造成严重损害。

震动往往是非均匀节拍的，这样的振幅通常会对其上的结构与路面造成大面积的破坏。

膨胀土上的建筑物由于地基膨胀与收缩引起的破坏最为明显（陈1975；Justoetal.1985）。

河道路堤边坡受到侵蚀后变弱，河床上升阻碍河道运行，Katti（1975）。

混凝土衬砌受土壤膨胀与收缩引起的不均匀沉降的破坏，Kassiffetal.（1967）。

有裂缝或是无裂缝的严重不均匀，道路中线的纵向裂缝与路表车痕均是由非膨胀地基引起的NelsonandMiller（1992）。

甚至铁路轨道也不例外的明显受到地面运动的影响，Ma-ji（1987）。

在几种抵制膨胀土膨胀收缩影响的措施中，加垫层是一种被普遍采用的方法。

垫层材料显然为非膨胀性，且在Moussa（1985）的早期泥沙研究中显示略有改善。

Sivapullaiahetal.（2004）提出稳定的谷壳灰可以作为垫层材料但可能较易被侵蚀。

Kattietal.（1969）证明粘性非膨胀土（CNS）由于可减小膨胀并抵消膨胀压力，故可用作一种很好的垫层材料。

基于实验研究与现场调查Katti（1979）提出CNS应用于垫层材料的规格，布局情况与厚度，概括于表1中。

化学稳定土用于膨胀土垫层可有效的减少地基，路面板与渠道衬砌面板的冻胀，MurtyandPraveen（2008）。

粉煤灰加10%水泥与相同厚度膨胀土可减少在膨胀收缩循环中的冻胀，Raoetal.（2008）。

CNS膨胀土的膨胀收缩循环表明CNS仅在第一个膨胀周期内有效；在随后的循环中效果越发不明显甚至劣于未加垫层的膨胀土自身，SubbaRao（2000）。

影响干湿循环期内膨胀土的膨胀收缩系数在使用稳定土垫层后大幅提高，Sahooetal（2008）。

本文检验了应用石灰稳定红土作为垫层材料对提高膨胀土强度的可能性。

表一凝聚力非粘性土说明

备：

有必要做实验，以便确保这个可用的粘性土的粘性层到达了他的最佳厚土

2实验研究

2.1材料与方法

本实验中采用材料为当地可用膨胀土[Blackcotton（BC）]，非膨胀粘性土[Redsoil（RS）]与熟石灰。

土样的工程性质列于表2。

石灰组成概括于表3。

土样采集于森伯尔布尔，奥里萨邦州（印度）附近，露天开挖深度为天然地表水平线下1m处。

土样干燥后经筛孔尺寸为0.425mm的IS筛进行筛选。

红土用石灰加固后用作垫层物质。

为使石灰稳定化，添加了熟石灰干重含量分别为2，4，6，8，10%的红土。

石灰稳定红土记为LSRS。

表二已用土的属性

表三已用过的混合熟石灰

2.2试件制备与实验过程

2.2.1无侧限抗压强度试验

根据IS:

2720-Part10（1991），无侧限抗压强度试验采用直径38mm高75mm的圆柱形试件。

为制作试件，一系列红土土样分别与2，4，6，8，10%的石灰混合。

设定量膨胀土首先在普氏标准最佳条件下被压实到圆柱形取样器中，这样压缩膨胀土厚度大概为50mm。

然后将设定量垫层在普氏标准最佳条件下压实覆盖到压实膨胀土上。

上层的压实层会在克服反弹后轻微压缩下层膨胀土。

土与垫层平均压实厚度为50和25mm，分别使得膨胀土与垫层厚度比为2:

1。

试件分别在浸润与非浸润条件下测定，且每种条件至少测定三组试件。

非浸润压实样本保存在干燥器中。

在7，14，28和56天的养护期内定期喷水。

试件养护温度为37±2℃，相对湿度为85%。

在要求的养护期末，试件从干燥器中取出，保存到无侧限抗压试验仪器中。

另一组试件在浸润状态测定前浸润在水中的时间同上。

实验拉伸率恒为0.125mm/min。

2.2.2CBRTest

根据IS:

2720-Part16（1987），膨胀土与加石灰稳定土垫层的膨胀土均在直径为150mm高175mm的CBR试筒中进行CBR实验。

材料用量取决于普氏标准最佳条件及CBR试筒体积。

上述膨胀土要同水充分混合。

在CBR试筒中压实为两层，每层用25.506N的夯锤击实56次。

之后，设定量的石灰加固RS压实为一层，使得膨胀土与垫层厚度比为2:

1。

实验分别在浸润与非浸润条件下进行。

为准备浸润条件下的试件，样本分别在水槽中保存7，14，28与56天。

在预先设定的浸润期后CBR试筒放置在渗透装载机上。

渗透活塞加压使渗透速率为1.25mm/min。

2.2.3耐久性实验

以石灰加固RS为垫层的BC在原地条件下的力度保持能力是通过耐久性实验评估的。

在实验室中估测土壤状况来决定加垫层膨胀土的耐久性是十分困难的。

试件的耐久性需通过不同的试验方法进行测定，例如加热与冷却，冰冻与解冻，湿润与干燥。

热带地区只涉及最后两项。

在本研究中，根据IS:

4332-PartIV（1968），通过干湿交变实验估测试件耐久性。

试件在普氏标准最佳条件下准备，然后在特定天数内的潮湿环境中养护，之后试件在室温空气中干燥24h后浸入水中24小时。

此为一次干湿循环。

用干湿交变试验后测得的无侧限抗压强度与同时同天数潮湿养护下测得的抗压强度值相除，得到试件的耐久性指数。

3结果与讨论

3.1加垫层膨胀土的无侧限抗压强度

BC与RS无侧限抗压强度实验在浸润与非浸润条件下得到的应力-应变曲线分别如图1、图2所示。

从图1可以看出，浸润条件下，BC与RS的屈服分别发生在应力74与127kPa时，其相对应变为4%与7%。

如图2所示，非浸润条件下，BC与RS的屈服应力分别为292与415kPa，相对应变为3.7与8%。

浸润与非浸润条件下，加稳定红土垫层的膨胀土在不同的石灰含量与浸润或养护期测得的无侧限压力值分别列于表4与表5中。

从表4的观察中可以得出，在浸润条件下，BC+LSRS的强度值在石灰含量上升至8%之前随石灰含量的增加而增加，超过后略有下降。

这表明8%的石灰含量是土样火山灰反应最佳石灰含量固定点HerrinandMitchell（1961），石灰含量超过最佳条件值后试件的强度值下降，这可能是由于火山灰反应，土壤中二氧化硅和/或氧化铝的不充分可用性引起的。

EadesandGrim（1960）也提出高岭石石灰稳定土强度最大值的最佳石灰含量为4-6%，伊利石和胶岭石为8%。

进一步的，对于给定的石灰含量，浸润期提升至14天UCS改善频率上升，这种改善是公认并且固定的。

表5的结过显示，在非浸润条件下，随着养护期增加，呈现与浸润条件下相同的趋势。

图一饱和膨胀土和非膨胀图应力

图二非饱和膨胀土和膨胀土的应力

表四饱和石灰稳定红土以及饱和非膨胀土无侧限抗压强度

表五非饱和石灰稳定红土饱和非膨胀土无侧限抗压强度

图3为8%石灰含量时，浸润条件下BC+LSRS的压力-应力曲线，从图中可清晰的观察到在14天的浸润期下，强度最大值迅速增加。

在14天的浸润期后，强度增值幅度降低，当超过28天后可忽略。

与7，14，28和56天的浸润条件下BC相比，BC+LSRS的最大值大概分别为2.94，6.56，6.82和6.9倍。

浸润期28天的剩余强度增加是公认的，接下来为强度的临界下降。

在非浸润条件下，不同养护期8%石灰含量BC+LSRS的压力-应力曲线见图4。

图4显示，在14天养护期后，强度最大值几乎相同，且在7-14天的内的增幅更大。

并且在非浸润条件下，剩余强度的趋势相同。

对于14天的养护期，8%石灰含量的BC+LSRS的强度峰值大概为单一BC的4.24倍。

石灰加固条件下，强度的增加是由于火山灰反应，反应过程较慢。

然而，在目前的实验研究中，强度最大值出现在14天的养护期，原因如下。

火山灰反应发生在当粘土中的二氧化硅与与氧化铝同石灰中的钙发生反应，生成类似钙-硅酸盐水合物（CSH）和钙-铝酸盐水合物（CAH）的胶体物质。

当土中粘土含量很低时（二氧化硅和/或铝酸盐含量较少），火山灰反应很慢。

在这种情形下，为加速火山灰反应，添加了粉煤灰，谷壳灰与高炉矿渣（含额外的二氧化硅或/和铝酸盐）等类似物质。

在本次研究中，强度的最大值在比较早的14天养护期得到，可能是由所用土体中粘土二氧化硅和/或铝酸盐含量较高所致。

图三饱和石灰稳定红土以及饱和非膨胀土应力

图四非饱和石灰稳定红土饱和非膨胀土应力

图5给出了14天浸润期条件下，不同石灰含量的压力-应力曲线，从图中可看出，在石灰含量增至8%前强度增值持续增加，超过后下降。

但在所研究系列中，剩余强度值随石灰含量增加几乎保持不变。

与单一BC的强度峰值相比，BC的LSRS垫层中石灰含量分别为2，4，6，8时强度峰值大概分别为283，378，466和557%。

图6为非浸润条件下，14天养护期的BC+LSRS的压力-应力曲线。

从图6中可以清楚的观察到峰值与剩余强度值的趋势和浸润期相同。

图五14天的饱和石灰稳定红土饱和非膨胀土应力

图五14天的饱和石灰稳定红土饱和非膨胀土应力

3.2加垫层膨胀土的CBR

7天浸润期的CBR值为0.95和3.12，非浸润条件下单一BC与红土分别为3.56和7.17。

表6为在不同的石灰含量和浸润期内BC+LSRS的CBR测试值。

BC的CBR值由于加石灰稳定土垫层而提高。

文献可用信息表明浸润条件下土壤的CBR值在添加石灰后显著提高Sachdevaetal.（1998）。

从表6中可观察到，BC+LSRS的CBR值在石灰含量上升至8%前随石灰含量的增加而上升。

石灰含量的进一步增加不再引起任何CBR值的增加。

这表明8%的石灰含量为本次研究中垫层的最佳石灰含量。

由表6可观察到浸润时间极大的影响CBR值。

浸润CBR值在前14天的浸润期增加，之后几乎保持不变。

结果显示，加石灰稳定土垫层的BC在最佳石灰含量下提高CBR值分别为单一BC在浸润和非浸润期的7倍和2.7倍。

表六膨胀土和非膨胀土的CBR值

3.3加垫层膨胀土的耐久性

在第1、4、7个干湿循环后的耐久性实验值列于表7中。

结果显示试件的无侧限压力值在经过同样时间湿润养护后降低。

在本研究中采用14天的养护期作为耐久性指数的测定。

表7显示，在12个干湿循环后，BC+LSRS的平均保留强度为原始强度的62–74%。

第一次循环后耐久性指数显示试件的强度值急剧下降，但在接下来的循环中试件的强度值有所回弹，正如第4次与第12次观察到的那样。

降低的原因可能是由于干湿循环中很多因素的综合作用，而接下来的强度回弹则是由于养护作用。

在第12次循环后，6和8%石灰含量下，耐久性指数几乎不变。

这样一来，8%石灰含量的BC+LSRS在干湿循环后保留了最高强度值，在12次干湿循环后最大强度值保留了73%。

过去Al-Rawi（1981）记录了由饱和石灰稳定土引起的50%的强度损失。

总的来说石灰稳定红土垫层同时提高了膨胀土的强度与耐久性。

表七在湿干循环的情况下膨胀土以及非膨胀土的UCS值的减少（第1天，第四天，第二十一天的情况）

备：

UCS的无侧限抗压强度试件潮湿固化为14天。

UCS1,UCS4andUCS12分别为第一天第四天第二十一天的UCR值

4结论

本次实验研究可得出以下结论。

1.在特定的浸润期和养护期内，膨胀土强度最大增值在8%石灰稳定土垫层得到。

石灰含量的进一步增加使膨胀土强度临界降低。

2.不考虑石灰稳定土垫层中的石灰含量，加垫层膨胀土的强度增值在14天的浸润期或养护期后最大。

超过14天的浸润期或养护期后，强度无明显变化。

3.加6%和8%石灰含量LSRS垫层的膨胀土的耐久性在14天养护期下几乎相同。

由于最大强度值出现在8%的石灰含量，所以稳定土垫层的最佳石灰含量应取8%。

4.在最佳石灰含量与14天的养护或浸润期条件下，加LSRS垫层的BC无侧限抗压强度分别为单一BC在浸润与非浸润条件下的6.56与4.24倍。

5.在最佳石灰含量下，使用石灰稳定土RS作为垫层使得CBR值在浸润与非浸润条件下分别提高7倍和2.7倍

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