石灰加固軟土路基效果的試驗研究

白曉明

（中鐵十八局集團有限公司天津國際工程公司， 天津 300222）

1 引言

軟土路基強度低， 壓縮量較高， 需對其采取特殊的設計與處理， 以提升其穩定性及承載能力。 修建公路時， 常采用水泥、 石灰等固化劑對軟土路基進行處理， 近年來， 許多專家學者針對軟土路基改良開展相關研究。

陳勇軍等人[1］以某地區軟土為研究對象，開展動三軸試驗， 分析石灰摻量對土體承載能力的影響， 結果表明， 提高石灰摻量可顯著提高土體的回彈模量。 楊興華等人[2］以某高速公路路基為研究對象， 采用石灰鋼渣對其軟土速基進行改良， 并對改良路段進行沉降監測， 結果表明，石灰鋼渣不僅可以減小路基沉降， 還可降低建筑成本。 楊愛武等人[3］以濱海軟土為研究對象，采用石灰與粉煤灰為固化劑， 對其進行改良， 通過室內試驗與微觀測試， 分析固化劑的改良效果， 結果表明， 石灰與粉煤灰可使土體顆粒膠結成土團粒， 提高軟土的承載力。 王春陽[4］以凍土地區軟土為研究對象， 開展加州承載比試驗，分析石灰對軟土路基的改良效果， 結果表明， 當石灰摻量為7%時， 對軟土路基的改良效果最優。許志堅[5］以淤泥質軟土為研究對象， 通過室內試驗， 并結合數值模擬， 分析石灰對其路用性能的改良效果， 結果表明， 摻入石灰能顯著提高其承載能力。

過量添加石灰對軟土進行改良會對生態環境造成一定的影響， 為避免軟土改良過程中的環境污染， 本研究以貢貝州庫達公路工程為研究對象， 在石灰固土過程中加入生物酶， 以減少石灰用量， 同時可激發石灰對土的固化作用， 提升土體的力學性能。 開展室內試驗， 分析生物酶、 石灰共同作用的固化改良軟土路基的效果， 分析其固化機理。

2 工程概況

本研究以貢貝州庫達公路工程為研究對象，貢貝州地處尼日利亞東北部， 主要為公路工程、橋梁、 水溝、 涵洞、 河道排水渠工程等。 該項目地勢起伏減小， 氣候兼有西非典型海洋型氣候和非洲亞熱帶氣候， 雨季雨水較多。 該地區的地質主要為礫石地層， 主要由沙和砂巖組成， 覆蓋層材料為不同程度的沙、 沙土和黑土， 土質以松軟土和膨脹土為主。 由于軟土的力學性能較差， 作為地基的穩定性不高， 本研究采用生物酶、 石灰固化技術， 對軟土地基的工程性質進行改善。

3 材料與方法

本研究選取施工現場的土體開展加州承載比（CBR） 試驗， 分析石灰對軟土地基的固化及承載力提升效果， 并在石灰固土過程中加入生物酶， 以激發石灰對土的固化作用， 提升土體的力學性能。 試驗土樣的工程性質如表1 所示。

表1 試驗土樣的工程性質

4 試驗結果分析

為分析石灰對軟土的固化效果及生物酶對固化的激發效果， 以天然土 （黏粒含量為20%） 為研究對象， 開展CBR 試驗， 分析試樣的應力及CBR 強度變化規律， 其固化時間-CBR 強度曲線如圖1 所示。 由圖可知， 不同試樣的固化時間-CBR 強度曲線變化趨勢具有一致性， 隨著固化時間的增大， 其CBR 強度逐漸增大； 其中， 未采用生物酶與石灰固化的試樣曲線變化趨勢較為平緩， 隨著時間的增大， 其CBR 強度增長不足1%。 在同一固化時間下， 采用酶、 石灰共同固化的CBR 強度較高， 且試樣采用干法與濕法的CBR 強度具有一定的差異性， 其中， 當固化方法相同時， 采用干法養護的CBR 強度較大。 當采用干法時， 采用酶石灰共同固化的CBR 強度較高， 其次為石灰， 再次為生物酶， 未處置的土樣CBR 強度最小， 說明生物酶和石灰度軟土進行固化能有效提升土體的強度， 采用石灰的固化效果較好， 生物酶對石灰的固化具有一定的促進效果， 對比僅使用石灰固化的試樣可得， 生物酶、石灰共同作用下的CBR 強度最高可提升4%。

圖1 天然土固化時間-CBR 強度曲線

為分析石灰與酶對軟基力學性能及承載能力的影響， 分別分析干法、 濕法養護28d 下， 試樣的應力變化規律， 干法養護下， 試樣的貫入量-應力曲線如圖2 所示。 由圖可知， 隨著貫入量的增大， 試樣的應力逐漸增大， 其中， 當養護時間一致時， 采用酶、 石灰共同固化的試樣應力最大， 其次為石灰固化試樣， 再次為酶固化試樣，未處置的土樣應力最小， 且摻入固化劑的試樣應力遠大于未處置土樣， 說明采用固化劑對軟土進行處理可有效提高土體強度， 當采用酶、 石灰共同作用時， 其強度最高， 固化效果最好。 對比酶、 石灰共同穩定土與石灰穩定土可得， 當采用酶、 石灰共同固化時， 其應力較大， 說明生物酶的加入對石灰的固化效果有激發作用， 這是由于， 生物酶可使土顆粒聚集， 二者結合即可產生黏土聚合物互聯網絡， 而石灰的摻入可促進陽離子鍵， 加速酶-黏土分子的形成， 從而提高土體的力學性能及承載力。

圖2 干法養護貫入量-應力曲線

濕法養護下， 試樣的貫入量-應力曲線如圖3所示。 由圖可知， 采用濕法養護的試樣的應力變化規律與干法養護試樣具有一致性， 其貫入量與應力間呈正相關關系， 但是在同一貫入量下， 其應力均小于干法養護的應力。 根據前人研究可得[6］， 當采用濕法養護時， 試樣的應力值顯著下降， 對于石灰穩定土而言， 其應力值相較于干法養護試樣下降78%， 說明土樣的養護方式會影響其應力值， 且采用干法養護的土樣CBR 值較高。不同固化劑的試樣應力可得， 同一貫入量下， 石灰穩定土與酶石灰穩定土的應力差距較小， 二者間的應力差距小于10kPa， 說明當采用濕法養護不僅會降低土樣的承載能力， 還會影響生物酶對石灰固化的激發效果。 在實際工程中， 為提升土體的承載力及力學性能， 應采用干法養護， 以充分發揮固化劑的穩定效果， 提升土體的強度。

圖3 濕法養護貫入量-應力曲線

以黏粒含量為40% （C-40） 的土體為研究對象， 開展CBR 試驗， 分析試樣的應力及CBR強度變化規律， 其固化時間-CBR 強度曲線如圖4所示。 由圖可知， 固化時間與試樣的CBR 值呈正相關關系， 其固化時間-CBR 強度曲線變化趨勢與天然土曲線變化趨勢具有一致性， 其中， 采用酶、 石灰共同固化的試樣CBR 強度最大， 未采用固化劑處理的試樣CBR 強度最小， 且采用干法養護的CBR 值大于采用濕法養護的CBR值。 對比天然土 （黏粒含量為20%） 的CBR 值可得， 當采用固化劑對土樣進行處理時， 黏粒含量為40%的試樣CBR 值較高， 其CBR 值提升4.2%， 但為采用固化劑進行處理的CBR 值無明顯的差異， 說明當土體的黏粒含量較高時， 采用固化劑的固化效果較好， 可提高土體的承載能力。 這是由于， 當土體的黏粒含量較高時， 其中的黏土會與石灰發生火山灰反應， 提升土體的強度。

圖4 C40 固化時間-CBR 強度曲線

以高嶺土為研究對象， 開展CBR 試驗， 分析試樣的應力及CBR 強度變化規律， 其固化時間-CBR 強度曲線如圖5 所示。 由圖可知， 高嶺土的CBR 強度變化與天然土的變化趨勢具有一致性， 但是其CBR 強度遠大于天然土， 當采用干法養護， 固化劑為酶、 石灰時， 其CBR 強度有最大值， 其值為314%， 說明采用固化劑對高嶺土進行處理的效果較好， 可顯著提高其強度特性。 當固化劑一致時， 采用干法與濕法進行養護的試樣CBR 強度差距較小， 說明養護條件對高嶺土CBR 強度的影響較小。 對比僅采用石灰進行固化的試樣可得， 采用酶、 石灰共同作用的試樣的CBR 強度顯著提高， 二者間的CBR 強度差值為207%， 說明采用生物酶可有效激發石灰的固化效果， 且其激發效果對于高嶺土較為顯著。

圖5 高嶺土固化時間-CBR 強度曲線

由于膨潤土具有吸水膨脹的特性， 因此養護方法僅采用干法養護， 以膨潤土為研究對象， 開展CBR 試驗， 分析試樣的應力及CBR 強度變化規律， 其固化時間-CBR 強度曲線如圖6 所示。由圖可知， 膨潤土的CBR 變化趨勢與前文所述土樣存在一定的差異性， 在同一固化時間下， 采用石灰處理的膨潤土試樣的CBR 強度最大， 其次為酶、 石灰， 再次為酶， 未處理的土樣強度最??； 說明對于膨潤土而言， 生物酶不僅對石灰的固化效果無激發作用， 而且還會一致石灰的固化效果， 減小土樣的強度。 這是由于， 膨潤土的緩沖能力較低， 對pH 值黏性土的固化具有抑制作用， 且生物酶會影響土與石灰反應， 導致采用酶、 石灰固化膨潤土的強度較低。

圖6 膨潤土固化時間-CBR 強度曲線

為分析不同固化劑對土體應力、 應變規律的影響， 開展室內試驗， 當固化劑為石灰時， 不同土體的貫入量-應力曲線如圖7 所示。 由圖可知，隨著貫入量的增大， 不同試樣的應力總體呈增大趨勢， 其中， 當貫入量大于3mm 時， 黏粒含量為40%的試樣應力呈緩慢下降趨勢。 當土體一致時， 采用干法養護的試樣應力均大于采用濕法養護的試樣， 在同一貫入量下， 不同土樣的應力具有一定的差異性， 其中， 采用干法養護的高嶺土試樣的應力最大， 采用濕法養護的膨潤土試樣應力最小， 這是由于， 膨潤土具有吸水膨脹的特性， 當采用濕法養護時， 其力學性能較差。 對比未處置土樣而言， 除濕法養護的膨潤土土樣外，其他試樣的應力均大于為養護土樣， 說明采用石灰對土體進行固化可顯著提升土體的力學性能，提高土體強度， 這是由于， 土體內的黏粒會與石灰發生火山灰反應， 生成水化物結晶， 時土體形成整體骨架結構， 提高土體的強度。

圖7 石灰穩定土貫入量-應力曲線

當固化劑為生物酶時， 不同土體的貫入量-應力曲線如圖8 所示。 由圖可知， 同一貫入量下， 高嶺土與膨潤土的應力最大， 其中， 高嶺土的應力值最大， 當貫入量為12mm 時， 其最大應力為1821kPa， 說明生物酶對高嶺土與膨潤土對的固化效果較好。 對于其他土樣而言， 生物酶對其承載力的改善效果較不明顯， 其最大應力均在300kPa 以內。 對比采用石灰為固化劑的土樣可得， 采用生物酶固化的高嶺土與膨潤土的應力提升效果較為顯著， 而其他土體的應力與石灰穩定土的差異較小， 說明對于高嶺土與膨潤土而言，采用生物酶的固化效果大于石灰， 而對于其他土體的而言， 兩種固化劑的固化效果差異并不明顯。

圖8 生物酶貫入量-應力曲線

當固化劑為生物酶、 石灰時， 不同土體的貫入量-應力曲線如圖9 所示。 由圖可知， 酶、 石灰共同作用時， 各土樣的承載力均有顯著的提升， 其中， 高嶺土的提升效果最為顯著， 其最大應力可達到5236kPa， 相較于生物酶固化土樣提升了2.87 倍， 說明酶、 石灰共同作用可有效提高土體的承載力， 且生物酶的加入對石灰的固化效果有激發作用， 生物酶可使土顆粒聚集， 二者結合即可產生黏土聚合物互聯網絡， 而石灰的摻入可促進陽離子鍵， 加速酶-黏土分子的形成， 從而提高土體的力學性能及承載力。

圖9 生物酶、 石灰貫入量-應力曲線

5 結論

本研究以貢貝州庫達公路工程為研究對象，在石灰固土過程中加入生物酶， 以減少石灰用量， 同時可激發石灰對土的固化作用， 提升土體的力學性能。 開展室內試驗， 分析生物酶、 石灰共同作用的固化改良軟土路基的效果， 分析其固化機理， 得出以下結論：

（1） 在同一固化時間下， 采用酶、 石灰共同固化的CBR 強度較高， 且試樣采用干法與濕法的CBR 強度具有一定的差異性， 其中， 當固化方法相同時， 采用干法養護的CBR 強度較大。

（2） 石灰對土體進行固化可顯著提升土體的力學性能， 提高土體強度， 這是由于， 土體內的黏粒會與石灰發生火山灰反應， 生成水化物結晶， 時土體形成整體骨架結構， 提高土體的強度。

（3） 酶、 石灰共同作用時， 各土樣的承載力均有顯著的提升， 其中， 高嶺土的提升效果最為顯著， 酶、 石灰共同作用可有效提高土體的承載力， 且生物酶的加入對石灰的固化效果有激發作用。