本文依托《季冻区公路低路堤修筑关键技术研究》课题和实际工程,针对松嫩平原季冻区砂石材料短缺条件下低路堤过湿土路段修筑技术,开展石灰加固土物理力学指标、路用性能及加固机理的研究,取得如下成果:1.开展了代表性路段素土与石灰加固土室内试验研究,分析了石灰掺入比对石灰加固土物理指标与力学指标的影响规律。研究结果表明:长双高速公路路基土为吉林省常见的粉质黏土,该土颗粒粒径小,粉黏粒含量高,且粉粒占优,伊/蒙混层(I/S)含量高,可导致路基土冻胀量较大,冻融稳定性差。石灰掺入土中,使得土的最佳含水率、施工含水率范围、比重及颗粒粒径增大,土的塑性指数、最大干密度及黏粒含量减小。石灰加固土试件破坏形式主要为脆性破坏,抗压强度随着石灰掺入比与养生龄期的增加而增大。随着石灰掺入比增加,石灰加固土峰值强度、抗剪强度与黏聚力增大,从抗剪强度角度来说,石灰掺入比不宜大于7%。掺入石灰的路基土CBR显著提高,膨胀量与吸水量大幅度减小。2.通过石灰加固土冻融试验研究,分析了冻融循环条件下石灰加固土冻胀量与强度的演化规律,确定了最佳石灰掺入比范围。研究结果表明:随着冻融次数的增加,冻胀率先增加后减小,4~6次时最大;冻胀率随石灰掺入比的增加,先减小后趋于稳定,石灰有效抑制了路基土的冻胀。无侧限抗压强度随冻融循环次数增加而减小,5~7次冻融后趋于稳定,可将5~7次冻融后的石灰加固土力学指标作为设计参数。分析冻融前后石灰加固土抗剪强度与CBR试验结果得出,长双高速低路堤用土最佳石灰掺入比范围为5~7%。通过回模量试验验证了在经历冻融→水浸泡24 h→冻融的最不利条件时,推荐掺入比的石灰加固土仍能满足设计指南关于低路堤填料的要求。3.利用GPRS无线公用网络技术与远程自动化采集系统,监测了长双高速公路石灰加固土低路堤与山皮石低路堤试验路段路基沉降量、冻胀量、温度及体积含水量等动态变化过程数据,分析论证了在缺少砂石材料的条件下用石灰加固土修筑低路堤的技术可行性。研究结果表明:石灰加固土低路堤冻胀量略大于山皮石低路堤,其保温性能与隔水性能均优于山皮石低路堤,两者的日温差与体积含水量差变化幅度均较小,且十分接近。根据体积含水量减小规律,推断出石灰加固土强度具有随时间持续增长的特点。石灰加固土路基最大冻结深度为1.6 m左右,山皮石路基最大冻结深度为1.8 m左右,前者小于后者。这些研究结论表明,在砂石材料匮乏的松嫩平原季冻区,采用石灰加固土代替砂石材料修筑低路堤是可行的。4.提出了低路堤石灰土加强层的概念与低路堤典型路面结构;基于多层弹性层状体系理论,分析了石灰土加强层对路基路面结构力学响应的影响规律,给出了石灰土加强层设计参数取值范围。分析结果表明:随着石灰土加强层厚度与模量的增加,路基顶面的竖向压应力及路基内x方向水平应力、y方向水平应力、动偏应力均在减小,路基工作区深度减小,路基顶面弯沉值减小,路基强度增大;路表弯沉值、基层底弯拉应力、底基层底弯拉应力、基层底弯拉应变及底基层底弯拉应变均减小,路面结构疲劳寿命成倍增加。综合分析给出:石灰土加强层厚度的推荐范围20~60 cm、模量的推荐范围200~400 MPa。5.通过对石灰加固土微观结构进行定性和定量分析,发现了冻融循环作用下石灰加固土微观结构的变化规律,验证了石灰加固土在季冻区低路堤应用的可行性。扫描电镜观察结果表明,冻融循环条件下石灰掺入比为5%与7%的石灰加固土密实度最大,验证了宏观力学试验推荐的最佳石灰掺入比。在放大5000倍的石灰加固土微观结构中,可以清晰看到Ca(OH)2片状六面体结构与细纱网状胶凝物质包裹于土颗粒表面,有疑是水化硅酸钙的网状结构存在,颗粒间的胶凝物质形成了连接桥。正立万能材料显微镜观察到大的胶凝带状结构体,透明胶凝物质分布在土颗粒表面。Image-Pro Plus 6.0软件对经历冻融循环作用后的石灰加固土微观结构的定量分析,发现了结构单元体与孔隙的大小、定向性、平均圆形度及面积比的变化规律,解释了石灰加固土的密实度与冻融稳定性均优于素土的原因。6.开展了石灰加固土的粒度分析、颗粒比表面积与颗粒孔隙结构试验研究,得出石灰加固土冻融稳定性提高的微观机理为:石灰加入土中,使得颗粒分布范围增大,减小了粉黏粒的含量;土颗粒的比表面积减小,其表面吸附能力与阳离子交换能力减小,持水能力变差,不利于薄膜水存在与迁移;土颗粒的累积孔体积减小,小于2 nm的微孔体积百分比变小,不利于薄膜水的附存。7.通过对石灰加固土物质成分的研究得出,石灰加固土含有石英、钠长石、钙长石、蛭石、白云母等矿物。随着石灰掺量的增加,石英(Q)、伊/蒙混层(I/S)的衍射峰强度在下降。掺入比7%的石灰加固土疑是存在水化硅酸盐或水化铝酸盐。石灰与土反应产生了Ca(OH)2、Ca CO3等新物质,新生成物大部分并没有很好的结晶,而是以非结晶或结晶较差的凝胶形式存在,这些新物质的生成是促使石灰加固土强度提高的内在机制。