凍融循環(huán)對改良紅粘土力學特性的影響研究

李建紅

摘要：通過對不同凍融循環(huán)次數和不同水泥摻量條件下的紅粘土開展無側限抗壓強度和直剪強度試驗，分析了凍融循環(huán)作用對改良紅粘土的無側限抗壓強度、應力應變關系、粘聚力的影響。研究結果表明：紅粘土的無側限抗壓強度和粘聚力隨凍融循環(huán)次數增加呈線性衰減；水泥紅粘土的無側限抗壓強度隨著水泥摻量的增加呈線性增長，水泥最佳摻量為20%左右；隨著試驗剪應力的增加，應力應變的關系曲線存在峰值，未凍融試件的應力峰值大小約為殘余應力峰值的3倍。

關鍵詞：改良紅粘土；凍融循環(huán)；無側限抗壓強度；抗剪強度

中圖分類號：U416.1文獻標志碼：B

Abstract： Tests on unconfined compressive strength and direct shear strength of red clay were conducted with different freezethaw cycles and cement content. The impacts of freezethaw cycle on unconfined compressive strength， stressstrain relationship and the cohesion of red clay were studied. The results show that both unconfined compressive strength and the cohesion attenuate linearly； unconfined compressive strength becomes stronger following the increase of cement content， of which the optimal value is 20%； there will be a peak on the stressstrain curve when the shear stress increases， and the peak value for specimens without freezethaw cycles is three times the value of residual stress.

Key words： red clay improvement； freezethaw cycle； unconfined compressive strength； shear strength

0引言

中國是一個季節(jié)性凍土分布極為廣泛的國家，特別是在東北、西北、華北及內蒙古等地區(qū)。隨著經濟發(fā)展的需求，很多公路和鐵路等工程必須穿越季節(jié)性凍土地區(qū)。在凍結區(qū)內，冬季氣溫急劇下降，公路或鐵路的路基、路堤邊坡、上部結構物等地表結冰，由于負溫效應，填土冰點以下未凍結土壤中的水分持續(xù)不斷地向凍結土移動，凍結成冰晶體，使路基填土產生較大的凍脹變形破壞。地表層凍結形成的冰晶體增強了土體的結構強度，但隨著季節(jié)的變化，地表溫度逐漸上升，凍結填土中的冰晶體逐漸融化成水，由于填土中孔隙水壓力增加，有效應力減小，土體開始軟化，結構強度降低，容易引起路基的坍塌沉陷和翻漿、邊坡失穩(wěn)垮塌、地基基礎的不均勻沉降等工程問題。針對季節(jié)性凍土工程問題，技術人員通常采用水泥等無機材料對凍土進行改良[13]，然而如何評價水泥等改良材料對反復凍融土體的改良效果是工程技術人員較為關心的問題。本文將這個問題作為研究重點，為水泥等改良材料在凍土地區(qū)的推廣和應用提供理論依據。

目前，對于水泥改良土在凍融循環(huán)作用下的力學特性研究不夠深入，Janoo等采用沖擊錘和錐貫入儀對凍融循環(huán)過程中水泥改良土的力學性質進行了現場監(jiān)測，監(jiān)測數據分析表明，路基上層土在凍融循環(huán)后強度降低50%。寧寶寬等[4]通過室內試驗模擬了淤泥土和粘土在不同摻量和不同齡期下凍融循環(huán)后的無側限抗壓強度的劣化過程。王天亮等[5]通過室內三軸試驗，研究了不同凍融循環(huán)次數、冷卻溫度、圍壓下水泥和石灰改土的抗剪強度指標和應力應變的變化關系。趙振亞等[6]則對摻加Ca（OH）2的水泥土進行凍融循環(huán)，然后測試無側限抗壓強度，認為Ca（OH）2能夠改善水泥土的抗凍性。龐文臺等[7]對比分析了凍融前后水泥土的無側限抗壓強度的變化關系。陳四利等[8]研究了凍融循環(huán)次數對水泥土的抗剪強度、抗壓強度和滲透性的影響規(guī)律。以上研究均認為凍融循環(huán)作用能夠使改良土各項力學性能指標得到不同程度的衰減。本文為了更進一步了解凍融循環(huán)對水泥紅粘土的力學特性的影響，研究了不同水泥摻量的水泥紅粘土在不同凍融循環(huán)次數下的無側限抗壓強度、應力應變關系及抗剪強度。

1試驗方案及過程

1.1試驗材料

試驗用紅粘土取自內蒙古呼和浩特地區(qū)，取土深度在大氣影響深度以下2～3 m位置。將取土材料風干碾壓后過2 mm篩，依據《公路土工試驗規(guī)程》（JTC E40—2007）[9]，得到紅粘土的基本物理性質，見表1。水泥采用普通硅酸鹽P·O42.5水泥，其化學組成成分和主要技術指標見表2、3。

1.2試驗過程

將紅粘土烘干碾碎后過5 mm篩，分別在土樣中摻入占總質量5%、10%、15%、20%、25%的普通硅酸鹽水泥，攪拌均勻后，依據最佳含水率和路堤壓實規(guī)范標準的要求，配制成初始含水率為173%、壓實度為94%的水泥紅粘土試件，試件的尺寸有直徑為50 mm、高度為50 mm的圓柱體試件和直徑為618 mm、高度為2 mm的環(huán)刀試件兩種。土樣中含水率是依據土的質量和最佳含水率計算得到的，試件壓實是通過標準貫入儀施加靜力荷載實現的。試件制作的時間不能超過初凝時間。

試件的養(yǎng)護齡期對凍融性能的影響可忽略不計，同時水泥水化作用可能會對凍融作用產生影響。本次試驗的養(yǎng)護齡期統一為28 d，養(yǎng)護28 d后的第29 d開始對試件進行凍融循環(huán)試驗。凍融循環(huán)的溫度控制依據季節(jié)性凍土區(qū)的溫度變化范圍，凍結和融化溫度分別為 -15 ℃和15 ℃，循環(huán)的周期為24 h，在-15 ℃下凍結12 h，然后在15 ℃下融化12 h。凍結時采用恒溫冷凍箱進行控制，融化時采用恒溫潮濕養(yǎng)護箱控制，凍融循環(huán)次數分別為0、3、6、9、12次。

分別在凍融循環(huán)的第0、3、6、9、12次后采用WDW微機控制電子式萬能壓力試驗機，對凍融循環(huán)后的直徑為50 mm、高度為50 mm的圓柱體試件進行無側限抗壓強度試驗，得到應力應變曲線和抗壓強度值。采用應變控制式直剪儀，對凍融循環(huán)后直徑為61.8 mm、高度為2 mm的環(huán)刀試件進行直剪強度試驗，得到抗剪強度參數。

2試驗結果及分析

對水泥摻量分別為5%、10%、15%、20%、25%的紅粘土試件進行凍融循環(huán)0、3、6、9、12次的無側限抗壓強度測試，得到的抗壓強度數據見表4。圖1為試件在凍融循環(huán)作用下破壞后的圖像。

2.1凍融循環(huán)對無側限抗壓強度的影響

依據表4無側限抗壓強度的試驗結果，繪制了不同水泥摻量下紅粘土的無側限抗壓強度隨凍融循環(huán)次數變化的關系曲線，如圖2所示。從圖2中可以明顯地看出，凍融循環(huán)對水泥紅粘土無側限抗壓強度有顯著的衰減作用。在不同的水泥摻量下，水泥紅粘土的無側限抗壓強度值隨著凍融循環(huán)次數的增加而逐漸減小，但衰減有趨于穩(wěn)定的趨勢。曲線整體表現為兩階段變化：0～6次凍融循環(huán)，曲線的斜率較大，衰減的速率較大；6～12次凍融循環(huán)，曲線的斜率變小，衰減的速率逐漸減小。

圖3為不同凍融循環(huán)次數下，水泥紅粘土的無側限抗壓強度隨著水泥摻量的變化曲線。從圖中可看出，水泥摻量的增加能夠有效減小凍融循環(huán)對紅粘土無側限抗壓強度的影響。水泥紅粘土的無側限抗壓強度隨著水泥摻量的增加呈線性增長。隨著凍融循環(huán)次數的增加，無側限抗壓強度隨水泥摻量的變化曲線愈加密集。水泥摻量越少，無側限抗壓強度值越小，主要是因為水泥摻量過少，分散在土體中且沒有形成連續(xù)的絮凝結構，結構整體性不強，所以抗壓強度較低。

從無側限抗壓強度的損失率分析凍融循環(huán)的作用，以未循環(huán)的水泥紅粘土的無側限抗壓強度為基數，分別換算出3、6、9、12次凍融循環(huán)后的強度損失率，無側限抗壓強度的損失率隨凍融循環(huán)次數的變化曲線如圖4所示。從圖4中看出，水泥摻量越小，強度損失率越大，隨凍融循環(huán)次數的增加，強度損失率逐漸減小。水泥摻量為5%的紅粘土在12次凍融循環(huán)后，強度損失率高達80.73%，僅為021 MPa，基本上已經喪失了抗凍性。水泥摻量為10%的紅粘土12次凍融循環(huán)后，強度損失率為4948%，強度損失近半。水泥摻量分別為15%、20%、25%的紅粘土，對應的強度損失率分別為4436%、3299%、2967%。當水泥摻量超過20%時，強度損失率變化減小，這說明在本次試驗條件下，從經濟和改善效果的角度來分析，水泥摻量為20%最佳。

2.2凍融循環(huán)對應力應變的影響

為了解不同凍融循環(huán)次數下水泥紅粘土的應力應變關系規(guī)律，選取水泥摻量為20%，水泥紅粘土破壞過程中的應力應變關系曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著試驗剪應力的增加，應力應變的關系曲線存在一個峰值，并且隨著凍融循環(huán)作用次數的增加，峰值大小逐漸降低。應力應變關系曲線基本上呈應變軟化型，應力達到峰值后，隨著應變的增加，應力顯著降低，試件大多呈脆性破壞。未凍融的試件的應力峰值約為凍融循環(huán)12次后的3倍。因此，凍融循環(huán)對水泥紅粘土的應力應變變化的影響顯著。

2.3凍融循環(huán)對粘聚力的影響

選取水泥摻量為20%的紅粘土環(huán)刀試件進行抗剪強度試驗，依據摩爾庫倫定理得到不同凍融循環(huán)次數后土體的抗剪強度參數變化曲線，如圖6所示。由圖6可知，隨凍融循環(huán)次數的增加，水泥紅粘土粘聚力呈線性衰減（R2=0938 9）。曲線的衰減率隨著凍融循環(huán)次數增加有減小的趨勢。通過粘聚力和凍融循環(huán)次數的函數關系可以預測不同凍融循環(huán)次數作用土體的抗剪強度范圍值。循環(huán)凍融的過程中，土體內部反復受凍脹應力的作用，使得土體結構產生疲勞損傷，隨著凍融次數的增加，導致土體結構因損傷而產生微小裂紋，破壞了土體整體的結構性，表現為粘聚力下降。

3結語

（1） 凍融循環(huán)對水泥紅粘土無側限抗壓強度的衰減作用顯著。在不同的水泥摻量下，水泥紅粘土的無側限抗壓強度值隨凍融循環(huán)次數的增加而減小，并趨于穩(wěn)定。曲線整體表現為兩階段變化。

（2） 水泥摻量的增加能夠有效減小凍融循環(huán)對紅粘土無側限抗壓強度的影響。水泥紅粘土的無側限抗壓強度隨著水泥摻量的增加呈線性增長。水泥摻量越小，強度損失率越大。隨著凍融循環(huán)次數的增加，強度損失率逐漸減小。本次試驗條件下，水泥最佳摻量為20%。

（3） 隨著試驗剪應力的增加，應力應變的關系曲線存在一個峰值，并且隨著凍融循環(huán)作用次數的增加，峰值大小逐漸降低。未凍融試件的應力峰值約為殘余應力峰值的3倍。

（4） 水泥紅粘土的粘聚力隨著凍融循環(huán)次數的增加呈線性衰減。通過線性關系可以預測不同凍融循環(huán)次數作用后土體的抗剪強度范圍。

參考文獻：

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[5]王天亮，劉建坤，田亞護.凍融作用下水泥及石灰改良土靜力特性研究[J].巖土力學，2011，32（1）：193198.

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[7]龐文臺，申向東.凍融循環(huán)對水泥土力學性能的影響[J].公路，2012（9）：3032.

[8]陳四利，史建軍，于濤，等.凍融循環(huán)對水泥土力學特性的影響[J].應用基礎與工程科學學報，2014，22（2）：343349.

[9]JTC E40—2007，公路土工試驗規(guī)程[S].

[責任編輯：王玉玲]