凍融循環(huán)作用對碳酸鹽漬土單軸抗壓強度影響的試驗研究

王文華，萬　健

(長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春130012)

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凍融循環(huán)作用對碳酸鹽漬土單軸抗壓強度影響的試驗研究

王文華，萬健

(長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春130012)

為研究凍融循環(huán)作用對碳酸鹽漬土單軸無側(cè)限抗壓強度的影響，取吉林省長春市農(nóng)安縣的鹽漬土為研究對象，對不同含水率及含鹽量的試樣進行凍融循環(huán)處理后，在常溫下進行單軸無側(cè)限抗壓強度試驗。試驗結(jié)果表明：在經(jīng)歷0～10次凍融循環(huán)過程中，試樣含水率越高，其抗壓強度越低，且試樣抗壓強度均會大大衰減，在經(jīng)歷10次凍融循環(huán)之后，試樣抗壓強度下降較緩慢，慢慢趨于平穩(wěn)甚至?xí)杂性黾印：瘦^低時，試樣含鹽量越高，其抗壓強度越低；含水率較高時，鹽的影響并不是很明顯。含鹽量一定時，含水率對抗壓強度的影響較大。可見，水分和鹽分的含量都會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，且影響并不是單一的，而是彼此聯(lián)系、相互制約的。

凍融循環(huán)；鹽漬土；抗壓強度；衰減

0　前言

鹽漬土指的是不同程度的鹽堿化土的統(tǒng)稱。公路工程中將地表下1.0 m深度內(nèi)土層中易溶鹽平均含量大于0.3%的土定義為鹽漬土。鹽漬土主要分布于內(nèi)陸干旱及半干旱地區(qū)，濱海地區(qū)也有分布[1]。吉林省農(nóng)安縣土壤鹽堿化嚴(yán)重，由于土體中的易溶鹽主要為碳酸氫鈉，該地區(qū)鹽漬土屬于碳酸鹽漬土類型。農(nóng)安縣屬于典型的季節(jié)性凍土地區(qū)，土體受到反復(fù)凍融作用的影響，其理化、力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，影響到路基的工程特性。該地區(qū)土體冬季凍結(jié)，產(chǎn)生凍脹；春季融化，發(fā)生翻漿、斷裂、鼓包等現(xiàn)象，對公路工程造成嚴(yán)重危害[2-3]，因此，對該地區(qū)鹽漬土在凍融循環(huán)作用后抗壓強度變化的研究意義重大。許多研究人員對凍融循環(huán)后土體強度特性

的變化進行過研究[4-12]，主要有3種結(jié)論：一種認(rèn)為凍融循環(huán)會降低土體的強度[7-9]；一種認(rèn)為凍融循環(huán)會增大土體的強度[10]；還有一種認(rèn)為凍融循環(huán)并不會影響土體的強度[11]。出現(xiàn)這種差異是因為前人在進行這些研究時，所選用的土體的種類、性質(zhì)、成分并不相同，試驗的條件和方法也不相同，可見不同條件下的試驗結(jié)果是存在差異的。本文以吉林省農(nóng)安縣碳酸鹽漬土為研究對象，對不同含水率、含鹽量的試樣，在凍融循環(huán)后進行單軸無側(cè)限抗壓強度試驗，研究多次凍融循環(huán)對鹽漬土抗壓強度的影響。

1　實驗土樣與實驗方法

1.1實驗土樣

實驗時所用的土為碳酸鹽漬土，取自長春市農(nóng)安縣，取樣點如圖1所示，其主要性質(zhì)見表1。

表1　實驗土樣基本物理化學(xué)性質(zhì)

天然密度反映了土體固、液、氣三相組成的質(zhì)量和體積的比例關(guān)系，綜合反映了土體的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特性。鹽分的膠結(jié)作用會提高土體的強度，陽離子能使土粒的擴散層變厚，塑性指數(shù)就會隨之增大，會對未凍水含量帶來影響。

圖1　取樣點位置

1.2實驗設(shè)備

實驗使用的是微機控制可調(diào)溫力學(xué)性能試驗機和程序式高低溫試驗機。微機控制可調(diào)溫力學(xué)性能試驗機的溫控范圍為-20～60 ℃，調(diào)控精度為0.1 ℃，加載范圍為0～100 kN，加載精度為1 N。試驗時由計算機控制加載，計算機實時顯示加載數(shù)據(jù)并生成曲線。程序式高低溫試驗機的溫度調(diào)控范圍為-40～120 ℃，調(diào)控精度為0.1 ℃。

1.3實驗方法

試驗?zāi)康氖茄芯慷啻蝺鋈谘h(huán)條件下不同含水率及含鹽量對土體單軸無側(cè)限抗壓強度的影響。在測定出天然含水率后，將試樣的含水率配制成16%、20%、24% 3種。根據(jù)易溶鹽總量，將試樣的含鹽量配制成0.95%、1.5%、2.0% 3種。各含水率試樣均分別配制成3種不同含鹽量試樣(如圖2所示)，共27個，每個不同試樣再做2個平行對比樣，共81個試樣。根據(jù)凍融循環(huán)0次、3次、10次、20次、30次、40次、50次，總共567個試樣。

試樣制備時，先將風(fēng)干的土樣搗碎，過2 mm篩篩分，再將篩分后的土樣按照設(shè)定好的含水率和含鹽量進行配比，將配制好的土樣用保鮮袋密封靜置24 h，使土樣中水分和鹽分均勻分布。24 h后，稱取每個試樣所需的用土量，將其均勻擊壓到高7 cm，直徑10 cm的圓形有機玻璃管內(nèi)，制成高5 cm，直徑10 cm的試樣。成型后脫模并用保鮮膜包裹嚴(yán)實，防止水分及鹽分的散失。

試驗時將制備好的試樣置于程序式高低溫試驗機中進行凍融循環(huán)，一個凍融循環(huán)周期為24 h，其中凍結(jié)(-20 ℃)時間為12 h，融化(25 ℃)時間為12 h。將凍融循環(huán)周期設(shè)置為0次、3次、10次、20次、30次、40次、50次。試樣凍融循環(huán)完成后將其放入微機控制可調(diào)溫力學(xué)性能試驗機中，將溫度設(shè)定為常溫且恒定不變，將變形速率設(shè)定為1 mm/min且恒定不變，進行單軸無側(cè)限抗壓強度試驗。試驗過程中計算機會自動記錄位移和荷載信息。

圖2　試樣試驗設(shè)計圖

2　試驗結(jié)果

試驗結(jié)果數(shù)據(jù)見表2和圖3～8所示。

3　試驗結(jié)果分析

3.1相同含鹽量條件下不同含水率時凍融循環(huán)對抗壓強度的影響

由圖3中曲線的變化趨勢可以看出，在含鹽量同為0.95%時，試樣含水率越高，其抗壓強度越小。在經(jīng)過凍融循環(huán)后，所有試樣的抗壓強度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。在10次凍融循環(huán)內(nèi)抗壓強度下降迅速，10次之后抗壓強度下降緩慢，30次之后抗壓強度變化不大。

圖3　0.95%含鹽量時不同含水率試樣的抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

圖4　1.5%含鹽量時不同含水率試樣的抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

圖5　2.0%含鹽量時不同含水率試樣的抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

圖6　16%含水率時不同含鹽量試樣的抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

圖7　20%含水率時不同含鹽量試樣的抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

圖8　24%含水率時不同含鹽量試樣的抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

試樣的含水率越高，土顆粒間的水膜就越厚，土顆粒間的黏結(jié)力就越小，并且含水率越高鹽結(jié)晶析出就越少，鹽粒對土體的黏結(jié)作用就會降低，因此，試樣的抗壓強度就越小。試樣的凍結(jié)過程是由表而內(nèi)緩慢進行的，所以試樣內(nèi)會產(chǎn)生溫度梯度，使得試樣中心的未凍水向著試樣外表遷移，鹽也會隨著水分一同遷移，在試樣外表形成冰晶和鹽結(jié)晶水合物，使得試樣體積膨脹變大，致使土顆粒間的距離增大，使其位置發(fā)生相互錯動，密實度降低，試樣強度隨之降低。試樣在融化過程中同樣會產(chǎn)生溫度梯度，隨著試樣表面溫度的升高，冰晶消失，結(jié)晶鹽溶解，水分和鹽分又會在溫度梯度的作用下向著試樣中心冷端遷移，導(dǎo)致土顆粒之間原有的支撐消失，形成孔隙，密實度降低，試樣強度隨之降低。試樣在經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，土顆粒由于阻力或黏結(jié)等影響，并不能將產(chǎn)生的孔隙完全填充，因此，試樣中的孔隙會越來越多，土體的密實度就會越來越小，導(dǎo)致試樣抗壓強度也就越來越小。

由圖4中曲線的變化趨勢可以看出，在含鹽量同為1.5%時，所有試樣的抗壓強度的變化趨勢與含鹽量同為0.95%時的相同，只是試樣的整體抗壓強度有所降低。此時，試樣中鹽量的增加使得凍融循環(huán)過程中溶解在水中的易溶鹽量增大，而以離子形式存在的易溶鹽在土孔隙中不起骨架支撐的作用，凍融循環(huán)后試樣中產(chǎn)生的孔隙將得不到支撐，密實度會降低，土體抗壓強度就隨之降低。

由圖5中曲線的變化趨勢可以看出，在含鹽量同為2.0%時，所有試樣的抗壓強度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，但20%含水率的試樣在凍融循環(huán)后的抗壓強度會略大于16%含水率的試樣，這點與之前兩種含鹽量的變化情況不同。凍融循環(huán)過程中，土顆粒在水、鹽作用下會發(fā)生錯位、移動，重新進行排列密實，水分在此過程中會起到潤滑的作用。20%含水率的試樣與16%含水率的試樣相比，水分的潤滑作用更加明顯，土顆粒間重新排列得更緊密，密實度增大，提高抗壓強度。

3.2相同含水率條件下不同含鹽量時凍融循環(huán)對抗壓強度的影響

由圖6中曲線的變化趨勢可以看出，在含水率同為16%時，試樣含鹽量越高，其抗壓強度越小，在凍融循環(huán)后，所有試樣的抗壓強度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，在10次凍融循環(huán)內(nèi)抗壓強度下降迅速，10次之后抗壓強度下降緩慢，30次之后抗壓強度變化不大。凍融循環(huán)過程中，鹽分主要起分散土顆粒和使土體體積膨脹的作用，16%含水率時，可溶解在水中的鹽是一定的，當(dāng)試樣中鹽的含量增大時，凍融循環(huán)后，由于鹽的作用，使得含鹽量越高的試樣中產(chǎn)生的孔隙越多、土顆粒間距越大，密實度越低，抗壓強度就越低。

由圖7中曲線的變化趨勢可以看出，在含水率同為20%時，凍融循環(huán)后，所有試樣的抗壓強度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，含鹽量為2.0%的試樣的抗壓強度略高于其他含鹽量的試樣。鹽分會以兩種形式存在于土體中，一種是溶解在水中，降低土體強度；另一種是析出到土體中，在土體中起到骨架作用，增大土體強度。以骨架形式存在的鹽中的一部分抵消鹽溶液對土體的分散作用，另一部分增強土體強度。2.0%含鹽量的試樣中鹽含量比其他試樣多，鹽分對增加土體強度作用較大，于是其抗壓強度略大。

由圖8中曲線的變化趨勢可以看出，在含水率同為24%時，凍融循環(huán)后，所有試樣的抗壓強度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，各含鹽量試樣的抗壓強度都很接近，并且在多次凍融循環(huán)后，抗壓強度降低程度不大。鹽對土體抗壓強度的作用會因土中較高含水率的影響而削弱，此時水分的作用占主導(dǎo)地位，在凍結(jié)過程中，水凍結(jié)成冰，起到支撐作用；融化過程中，水分對土顆粒起到潤滑作用，有利于土顆粒回落填補孔隙，密實度減小緩慢，土體抗壓強度降低程度減小。

4　結(jié)語

本文以吉林省農(nóng)安縣碳酸鹽漬土為研究對象，對不同含水率、含鹽量的試樣，在凍融循環(huán)后進行單軸無側(cè)限抗壓強度試驗表明：

(1)經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，不同含水率、不同含鹽量條件下的各試樣的單軸無側(cè)限抗壓強度在0～10次凍融循環(huán)階段內(nèi)急劇下降，并且含水率越高，試樣的抗壓強度降低程度越小，在10次凍融循環(huán)之后變化不大，30次凍融循環(huán)周期內(nèi)均隨凍融循環(huán)周期的增加而減小，但在30次凍融循環(huán)周期之后，試樣的抗壓強度會出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。

(2)經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，在含水率較低時，試樣的單軸抗壓強度隨含鹽量的增大而減小，在含水率較高時，含鹽量變化時，試樣的抗壓強度變化的差別不大；在含鹽量一定時，含水率越高，試樣的抗壓強度越低。

由此可以看出，土體在經(jīng)過多次凍融循環(huán)作用后，抗壓強度會大大降低，水分和鹽分含量的不同都會對此產(chǎn)生較大影響，并且影響作用并不是單一的，而是彼此聯(lián)系、相互制約。

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The Experimental Study on the Role of Freeze-thaw Cycles on Uniaxial Compressive Strength Influence in Carbonate Saline Soil

WANG Wen-hua，etc.

(SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

To study the effect of freeze-thaw cycles on uniaxial unconfined compressive strength influence in carbonate saline soil，taking the saline soil in Changchun，Jilin Province Nong’an as the study object，this paper makes a uniaxial unconfined compressive strength experiment to different water content and salt content samples after freeze-thaw cycling treatment.The experiment has been carried out at room temperature.The results show that：after 0-10 freeze-thaw cycles，the higher of the moisture content of the sample，the lower of the compressive strength，and the compressive strength of the sample has be greatly attenuated.After 10 freeze-thaw cycles，the compressive strength of the sample decreases more slowly，and slowly stabilizes and even increases slightly.When in low water content，the higher of salt content of the sample，the lower of the compressive strength；when in high water content，the impact of the salt is not very obvious.When in a certain amount of salt，the effect of moisture content on the compressive strength is greater.It is evident that water content and salt content will affect the test results，and the impact is not a single，but they are linked to each other，and mutual-restrained.

freeze-thaw cycle；saline soil；compressive strength；attenuation

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.002

2016-05-30

國家自然科學(xué)基金項目(41302247，41430642，41372267)

王文華(1974-)，女(漢)，黑龍江，教授

主要研究交通土建、地質(zhì)工程。

TU448

A

1009-8984(2016)03-0006-04

博士點基金(20120061110054)

吉林省教育廳科技項目(吉教科合字2013第295號)