凍融作用對過濕石灰改良土抗剪強度影響分析★

王宇琪 申楊凡 王紹全 高 斯 陶 源 韓春鵬*

(東北林業大學土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

凍融作用對過濕石灰改良土抗剪強度影響分析★

王宇琪 申楊凡 王紹全 高 斯 陶 源 韓春鵬*

(東北林業大學土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

以哈爾濱某施工工地取土場低液限粘性土為試驗對象，通過室內直剪試驗，得到了不同凍融循環次數對于6%摻灰的過濕石灰改良粘性土的抗剪強度的影響規律，試驗結果表明：隨著凍融次數的增加，過濕條件下石灰改良粘性土的抗剪強度降低，粘聚力減小、內摩擦角呈線性增加的變化趨勢。

過濕條件，凍融作用，石灰改良土，抗剪強度

0 引言

為了滿足道路工程建設的要求，工程性質不良的粘性土一般不能直接作為路基填筑材料，而需要對土體采取相應方法以改善土體性質，摻加石灰是一種常用的處治方法。季節性凍土區在我國北方地區分布廣泛，凍脹現象是季節性凍土地區常見的病害，隨著氣候變化，路基土體內部凍結的水分融化，路基又會出現融沉現象，在凍融作用下路基土體的強度發生衰減，影響路基的正常工作。水是影響土體性質的重要因素，同時抗剪強度是反映土體強度的重要指標，因此研究含水率對季凍區路基土體凍融作用下的抗剪強度指標具有意義。

本試驗以哈爾濱某施工工地取土場粘性土為研究對象，考慮過濕條件下不同凍融循環次數下對土體抗剪強度的影響，進行在凍融循環0次、1次、3次下土體的室內直剪試驗。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗土樣為取自哈爾濱某工地基坑低液限粘性土，土體的基本物理指標見表1。

表1 試驗用土主要物理指標

所摻加石灰為鈣質消石灰，產地為哈爾濱市阿城區石灰廠，其有效成分主要為氧化鈣和氧化鎂，其檢查結果為氧化鈣(CaO)有效成分含量為85%，氧化鎂(MgO)有效成分含量為1%。

1.2 試驗方案

根據《石灰處治土路基凍融作用特性研究》對石灰改良土的研究，土體的石灰摻量為6%時的效果最佳[1]，因此本直剪試驗試件土體的摻灰量取6%，同時采用重型擊實方法用TDJ-V多功能電動擊實儀進行6%摻灰土體的擊實試驗，測得6%摻灰土體的最佳含水率為16.4%，最大干密度為1.77 g/cm3。以路基工程中路基土體實測含水率為依據，選取6%摻灰土體最佳含水率以上4個百分點20.4%含水率配置試件，根據不同凍融循環次數0次、1次、3次下，制備四組直剪試驗試件，每組試件4個。試件制備完成后保鮮膜密封，在標準條件下養生28 d，養生完成后，使用低溫試驗箱試件進行凍融循環，試件的凍結溫度為-15 ℃，融化溫度為室溫，每次凍融循環周期為24 h，其中凍結時間12 h，融化時間12 h。

室內直剪試驗設備為SDJ-Ⅱ型三速電動等應變直剪儀，根據JTG E40—2007公路土工試驗規程中室內直剪試驗的技術標準[2]，通過垂直加荷系統對4個試件分別施加50 kPa，100 kPa，200 kPa，300 kPa的豎向壓應力之后，由剪切傳動系統施加水平剪切力進行剪切，直剪儀剪切速度為0.8 mm/min，每個試件的剪切在3 min～5 min內完成。剪切試件φ61.8 mm×20 mm的圓柱體，試驗時試件從環刀內脫出。通過精度0.01 mm的百分表測定位移數據。

2 試驗結果分析

根據上述試驗方案對試件進行室內直剪試驗，橫坐標為垂直壓力，縱坐標為抗剪強度，得到抗剪強度s—垂直壓力p關系趨勢曲線如圖1所示。

由圖1結果可知，凍融1次土體的抗剪強度趨勢線位于未凍融土體抗剪強度趨勢線的下方較遠位置，說明粘性土在經過一次凍融循環過程后土體的抗剪強度得到大幅削弱，而趨勢線大致平行則說明內摩擦角變化不大，本階段使其抗剪強度降低的主要原因是粘聚力指標的降低；凍融3次土體與凍融1次土體的抗剪強度趨勢線出現了交叉，說明在垂直壓力較小時，凍融3次的土體抗剪強度小于凍融1次土體，但隨著垂直壓力的增大，凍融3次土體的抗剪強度最終高于凍融1次土體，說明隨著垂直壓力的增加，多次凍融破碎的土體得到足夠壓力，土顆粒間隙變小，土顆粒之間連接變得緊密，土顆粒間的摩擦力增加，增大了土體的抗剪強度。

土的抗剪強度是由土顆粒間的表面摩擦力和顆粒嵌合作用產生的內摩擦角φ和土體間結合水膜及化合物的膠結作用等所產生的粘聚力c所組成[3]。土體的內摩擦角(φ)和粘聚力(c)是反映粘性土體抗剪強度的重要參數，為進一步分析凍融作用下試驗土體的抗剪強度，根據抗剪強度趨勢線方程可求出土體的c,φ值。運用庫侖定律(式(1))來表示土體的抗剪強度，即：

τf=c+σtanφ

(1)

式中：τf——土體抗剪強度,kPa;

c——土體的粘聚力，kPa；

σ——土體的主應力，kPa；

φ——土體內摩擦角，(°)。

根據圖1趨勢線方程可以得到不同凍融次數下土體的抗剪強度指標：內摩擦角(φ)和粘聚力(c)，粘聚力和內摩擦角隨凍融次數變化的結果如圖2，圖3所示。

由圖2可知，隨著凍融次數的增加，粘性土體的粘聚力逐漸降低，在凍融1次時下降最為明顯，下降了38.7%，從凍融1次到凍融3次時粘聚力下降了19.5%，土體的粘聚力隨著凍融次數增長其下降趨勢是逐漸減緩的。由于土體的粘聚力是由土粒間水膜受到相鄰土粒之間的電分子吸引力以及土粒中化合物的膠結作用形成的[3]，在凍融循環作用下，隨著凍融次數的增加，土體變得更加破碎，孔隙數量增加，土顆粒之間間距變大，導致結合水膜與土粒的電分子引力減弱甚至消失；凍結作用產生的冰晶體使得土體結構遭到破壞，土顆粒間膠結作用減弱。因此，隨著凍融次數的增加,土體粘聚力呈現不斷減小的趨勢，且土體在第1次凍融循環對粘性土的粘聚力影響最為顯著。

由圖3可以看出，隨著凍融次數的增加，粘性土體的內摩擦角逐漸增長，與未凍融土體相比凍融1次土體內摩擦角增長率僅為4.3%；在凍融1次到凍融3次的過程中，土體內摩擦角增長了16.3%。 粘性土體在凍融過程中，土體顆粒之間的結構發生變化，土體隨凍融次數增加變得更加破碎，土體的孔隙數量增加但大的孔隙數量有所減少，從而使土顆粒間重新排列，各土顆粒間的接觸點增加[4]。由于試驗土體的含水率較高，將有更多的自由水充滿在土體顆粒之間，從而導致土顆粒間的接觸受到限制，使其內摩擦角的增長受限，內摩擦角總體呈線性增長。

3 結語

通過對高含水率下6%摻灰粘性土在凍融作用后的室內剪切試驗，得到的主要結論如下：

1)隨著凍融次數的增加，土體的抗剪強度降低，粘聚力減小而內摩擦角增大，在一定垂直壓力作用下，出現凍融3次土體的抗剪強度高于凍融1次土體的現象。

2)隨著凍融次數的增加，土體粘聚力呈現不斷減小的趨勢，且土體在第1次凍融循環對粘性土的粘聚力影響最為顯著。

3)由于試件為高含水率，更多的自由水充滿在土體顆粒之間，從而導致土顆粒間的接觸受到限制，內摩擦角的總體呈線性增長。

[1] 韓春鵬.石灰處治土路基凍融作用特性研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2011.

[2] JTG E40—2007，公路土工試驗規程[S].

[3] 劉紅軍，韓春鵬.土質土力學[M].北京:北京大學出版社,2012.

[4] 胡耀宗,尚祖峰.凍融作用下季凍區粘性土力學性能試驗研究[J].工程建設，2014,46(6):1-3.

Freeze-thaw action across wet lime improved soil shear strength impact analysis★

Wang Yuqi Shen Yangfan Wang Shaoquan Gao Si Tao Yuan Han Chunpeng*

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniv.,Harbin150040,China)

Taking the low liquid limit clay soil from a construction site field in Harbin as the test object. Through the indoor direct shear test, obtained the influence law of the different freezing and thawing cycles for 6% of the mixed ash wet lime improved on the cohesive soil’s shear strength. Experimental results show that with the increase of number of freezing and thawing, under the condition of wet, the lime improved cohesive soil’s shear strength is reduced, cohesive force decreases, internal friction angle of the change trend of linear increase.

wet conditions， freeze-thaw action， lime improved soil， shear strength

2015-03-09★:中央高校基本科研業務費(項目編號：2572014CB21)；黑龍江省自然科學基金(項目編號：E201349)；國家級大學生創新訓練計劃項目(項目編號：201410225040)

王宇琪(1994- )，女，在讀本科生； 申楊凡(1993- )，男，在讀本科生； 王紹全(1993- )，男，在讀本科生； 高 斯(1994- )，男，在讀本科生； 陶 源(1993- )，男，在讀本科生

韓春鵬(1979- )，男，博士，副教授

1009-6825(2015)14-0052-02

TU431

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