摻灰土經(jīng)凍融循環(huán)作用后的強度變化研究

趙 文 美

(黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江 哈爾濱 150080)

摻灰土經(jīng)凍融循環(huán)作用后的強度變化研究

趙 文 美

(黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江 哈爾濱 150080)

為了解季凍區(qū)的摻灰土在經(jīng)過凍融循環(huán)作用后的強度變化規(guī)律，選取試驗路段具有代表性的土樣，在室內將原路基土與摻灰土經(jīng)不同凍融循環(huán)次數(shù)下的CBR試驗結果進行對比分析，試驗結果表明：摻灰可以明顯提高季凍區(qū)路基土經(jīng)凍融循環(huán)作用后的CBR值。

路基，摻灰土，凍融循環(huán)作用，CBR值

0 引言

在我國季節(jié)性凍土地區(qū)，路基土的凍害現(xiàn)象一直是公路建設者不容忽視的一個難題[1]。季節(jié)性凍土地區(qū)冬季負溫持續(xù)時間較長且氣溫偏低，路基土中水分在外界大氣負溫的作用下逐漸凍結，從路表開始向下的凍結深度一般為2.5 m～3.5 m，春季隨著外界大氣溫度的升高凍結的路基土又逐漸融化，經(jīng)過凍融循環(huán)作用后路基土強度的降低對道路使用的整體穩(wěn)定性會產(chǎn)生嚴重影響[2]。

如果將塑性指數(shù)較大的土體直接用作路基的填筑材料來使用，將對路基的整體承載力產(chǎn)生極大的影響，路基的剛度、強度、穩(wěn)定性均難達到設計要求，因此將含水率較高的路基土進行摻灰處理是非常必要的，將路基土改良后不但可以提高路基的穩(wěn)定性，同時還可以避免道路早期病害的產(chǎn)生。

在建項目密興公路即密山至興凱湖段，地處季節(jié)性凍土區(qū)域，沿線大部分區(qū)域分布著淺層地下水，公路路基土主要為淤泥質粘土，呈黑色，其基本物理性質為：天然含水量ω=24%～36%；濕密度γ0=1.912 g/cm3～2.161 g/cm3；干密度γd=1.781 g/cm3～1.857 g/cm3；天然孔隙比e=0.85～0.94；液限含水量ωL=42.6%～47.1%；塑限含水量ωP=21.8%～27.3%；塑性指數(shù)IP=20.3～25.1。由于當?shù)乜蓳Q填的土源較為緊張，就需要對原路基土進行處理，因此就以密興公路為依托，選擇沿線具有代表性的路基土土樣，根據(jù)設計文件要求對路基土進行6%摻灰處理，分析凍融循環(huán)作用對摻灰土CBR強度值的影響，通過本試驗得出的研究成果對凍土地區(qū)進行摻灰處理的土質路基的設計、施工具有一定參考作用。

1 摻灰土的改性機理

將一定劑量的石灰摻入到天然路基土中可以較為有效地改善含水率偏高路基土的工程性質。摻入的石灰主要成分為含有鈣、鎂離子的化合物，從其所含的礦物來看，摻入石灰后隨著所含蒙脫石、伊利石的增加使原路基土中具有吸附功能陽離子的離子價不斷提高，大大降低了路基土中的含水率。同時，摻入的石灰還能與路基土中所含的粘性顆粒發(fā)生化學反應，將路基土土體表面砂化，進一步降低了路基土體中的粘性顆粒含量。同時，通過摻入石灰的改良也可以使路基土體中呈現(xiàn)面與面疊聚體片狀密集排列的粘膠基質結構變成疏松排列的粘粉基質結構，從而進一步提高了高含水率路基土土體的壓實性[3]。當采用生石灰對路基土進行處理時，兩者間發(fā)生的反應可分為兩個步驟：第一步是生石灰中氧化鈣與水發(fā)生化學反應產(chǎn)生氫氧化鈣，此反應可吸收路基土中的水分，降低路基土含水率，同時，隨著氫氧化鈣結晶的不斷析出天然路基土的工程性質得到改善，使天然路基土土體的可壓實性進一步提高。第二步是析出的氫氧化鈣具有不穩(wěn)定性，在非密閉條件下能與空氣中的二氧化碳發(fā)生硬化反應，形成具有一定強度的碳酸鈣或者碳酸氫鈣，在路基土的表面形成一層致密層，這層致密層也阻斷了路基與路面中的水分遷移，增強了道路的水穩(wěn)定性[4,5]。

2 凍融循環(huán)試驗

本試驗模擬了摻灰路基土經(jīng)過不同次數(shù)的凍融循環(huán)作用后，經(jīng)水浸泡后的最不利條件，利用CBR強度來對比分析不同路基土的強度衰減情況。本試驗制備了未經(jīng)處理的原路基土和摻灰劑量為6%的路基土兩種試件，每種路基土在不同凍融循環(huán)條件下總共需要備制15個試驗試件，每3個試件為一組，每組試件在進行CBR試驗前都要經(jīng)過浸水4 d的處理，第1組～第5組試件分別要經(jīng)過0次、1次、2次、3次和4次的凍融循環(huán)作用。試驗的溫度是根據(jù)在路基現(xiàn)場實測的溫度數(shù)據(jù)設置的，最低溫度為-10 ℃、最高溫度為15 ℃，24 h凍融循環(huán)一次。每組試件待完成相應的凍融次數(shù)經(jīng)浸水處理后馬上進行CBR試驗。

進行CBR試驗前，要使貫入桿與升降臺上試件的表面完全接觸，調整好后還要將4塊半圓形荷載板對稱放在試件頂面，再根據(jù)試驗規(guī)程用貫入桿施加45 N的荷載完成預壓，操作完成后調整用于測力及測變形的百分表指針讀數(shù)將其調至整數(shù)。正式試驗時保持貫入桿以1 mm/min～1.25 mm/min的速度壓入試件，并記錄不同貫入深度的百分表讀數(shù)。試驗完成后進行數(shù)據(jù)處理時如果每組試驗3個試件的變異系數(shù)小于12%取3個試件的平均值作為最終CBR試驗結果，如果每組試驗3個試件的變異系數(shù)大于12%就需要去掉一個與平均值相差最大的試驗數(shù)值，取剩下的2個數(shù)值的平均值作為最終CBR試驗結果[6]。

3 試驗結果分析

原路基土與6%摻灰土路基在經(jīng)過不同次數(shù)凍融循環(huán)作用后CBR強度值的對比試驗結果見圖1。

從圖1可以看出，在凍融循環(huán)作用次數(shù)相同的條件下，原路基土的CBR值與摻灰土的CBR值相比較低，且不符合上路床填筑要求，而6%摻灰土的CBR值能滿足規(guī)范要求，試驗結果也說明了石灰的摻入改變了原路基土的力學性能，從而提高了路基土的承載能力。這是因為石灰中所含的Ca2+，Mg2+可與土壤中所含有的三氧化二鐵、三氧化二鋁或二氧化硅等物質相結合，即可生成膠結體的鐵酸鈣、鋁酸鈣以及硅酸鈣等，將土體膠結起來使灰土有較高的強度。隨著灰土的逐漸硬化，土體顆粒間的附著強度也得到進一步的增強。

從圖1中的路基土CBR值的曲線變化可以看出，6%摻灰土試件與原路基土試件在經(jīng)過不同次數(shù)的凍融循環(huán)作用后CBR強度均呈現(xiàn)出降低的趨勢，其原因是由于自由水及結合水的存在，在負溫條件下土顆粒表面的結合水膜凍結后發(fā)生了膨脹，使土顆粒間的距離變大了，完成凍融后試件又被浸泡在水中，土顆粒間的距離被水填充，土顆粒間的作用力進一步降低。原路基土與摻灰土在經(jīng)過第1次凍融循環(huán)的作用后土體CBR值的降低幅度都是最大的，再經(jīng)過第2次～第4次凍融循環(huán)作用后土體CBR值的變化曲線雖然仍呈現(xiàn)降低趨勢但其衰減的幅度已經(jīng)非常小了，其原因是路基土體在經(jīng)過第1個凍融循環(huán)作用后土顆粒之間由于水分凍脹所產(chǎn)生的間距是最大的，融化后試件在浸水過程中土顆粒之間的空隙被水填充，因此其CBR值的衰減程度是最大的。通過試驗數(shù)據(jù)的對比分析可以看出經(jīng)摻灰處理后路基土抗凍融循環(huán)作用的能力要明顯優(yōu)于原路基土。

4 結語

1)將原路基土進行摻灰改良后可改變塑性指數(shù)較大土體的力學性質，增大土體的CBR值。原路基土與6%摻灰土經(jīng)不同次數(shù)的凍融循環(huán)作用后其CBR值均呈現(xiàn)不同程度的衰減，但經(jīng)過一定次數(shù)的凍融循環(huán)后CBR值趨于一個穩(wěn)定值。2)在凍融循環(huán)次數(shù)相同的條件下，6%摻灰土試件的CBR值要明顯高于原路基土的CBR值，為了保證路基具有足夠的強度和穩(wěn)定性，要對高含水率的天然路基土進行摻灰改良。

[1] 王威娜，支喜蘭，毛雪松.凍融循環(huán)作用下路基土回彈模量試驗研究[J].冰山凍土,2010,12(5):28-32.

[2] 穆彥虎.凍融作用對壓實黃土結構影響的微觀定量研究[J].巖土工程學報，2011,7(12):57- 62.

[3] 宇德忠，程培峰.季凍區(qū)粉砂土凍融循環(huán)后的強度研究[J].低溫建筑技術,2011,3(153):101-103.

[4] 武建民，顧偉杰，陳忠達.黃土路基CBR值試驗方法研究[J].公路工程與運輸，2004，5(10):74-79.

[5] 王天亮，劉建坤.凍融作用下水泥及石灰改良土靜力特性研究[J].巖土力學,2011，8(1):33-38.

[6] 李英杰，韓佳興.公路粘土(摻灰土)路基施工工藝控制初探[J].黑龍江科技信息,2009,6(14):77- 80.

The research on the intensity change of mixing dust soil after freezing and thawing cycle effect

Zhao Wenmei

(HeilongjiangProvinceHighwaySurveyandDesignInstitute,Harbin150080,China)

To understand mixed dust in high latitude area after freeze-thaw cycle effect the strength of the change law of selecting representative soil samples test section, the inside will contains the original roadbed soil and lime soil under different freezing and thawing cycles under the CBR, comparing the test results show that mixed ash can obviously increase the subgrade CBR value of the soil after freezing and thawing cycle effect.

subgrade, mixed dust, freeze-thaw cycle effect, CBR value

1009-6825(2015)07-0131-02

2014-12-22

趙文美(1964- )，女，高級工程師

U416.1

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