不同凍融狀態下風積沙改性土力學特性研究

王 澍

(中鐵二十四局集團有限公司 上海 200071)

1 引言

風積沙，又稱沙漠沙，是沙被風沙流搬移到沖積平原地區形成沙丘而產生的，屬第四紀風積物，系指在風成沙性質上發育起來的土壤[1]。我國沙漠面積約為71.29萬平方公里，占全國總面積的7.4%左右，主要分布于新疆(58.9%)、內蒙古(29.9%)、青海(5.3%)、甘肅(2.7%)、陜西(1.5%)、寧夏(0.6%)、吉林(0.5%)、黑龍江(0.4%)與遼寧(0.2%)等九省區。沙漠地區修筑線路工程一般依據就地取材原則，取風積沙為原料進行路堤填筑。近年來大量學者對風積沙進行了研究，李萬鵬[2]、劉大鵬[3]、金昌寧[4]、薛成[5]、張生輝[6]等人研究了風積沙的力學特性，為風積沙作為筑路材料奠定了基礎。張宏[7]、陳忠達[8]、袁玉卿[9]、楊人鳳[10]等對風積沙的壓實特性進行了研究，取得了振動壓實、振動干壓法以及沖擊振動壓實等一系列壓實工藝。隨著“一帶一路”戰略的提出以及高等級線路工程的不斷發展，越來越多的高等級線路工程不可避免地穿越沙漠地區，單純風積沙壓實難以滿足高等級線路工程對壓實度和強度的較高要求。吳俊臣[11]、董偉[12]等通過添加不同工程材料，例如黏性土、水泥、粉煤灰、石膏和木鈣等改良風積沙的力學性能，增加強度為工程服務。然而，沙漠地區修筑高等級線路工程面臨晝夜溫差以及季節性溫度的交替變化，無論是凍結還是融化，風積沙改性土的組構特性將發生變化，其強度指標可能存在差異，關于凍融狀態下風積沙改性土強度特性的研究鮮有報道。因此，有必要結合室內試驗，對凍融狀態下風積沙改性土的力學特性進行針對性研究，為風積沙改性土配比優化提供試驗依據，為寒區風積沙改性土工程施工和運營提供試驗參考。

2 試驗設計

2.1 試驗材料

試驗所采用的風積沙取自內蒙古科爾沁沙地某客專路堤施工項目段。該區域地勢較平坦，局部有起伏，主要區域分布固定沙丘、半固定沙丘以及沙地等。植被覆蓋一般，局部辟為耕地，整體地勢北高南低。現場取樣的沙去除雜質后烘干冷卻，測得其所含主要礦物為石英，并含有一定量的斜長石和鉀長石，且含有少量的伊利石或蒙脫石。測得的基本物理指標見表1。不均勻系數Cu＜5、曲率系數Cc＜1，顆粒較均勻，屬不良級配。試驗所用黏性土的平均含水率為8.8%，塑性指數和液性指數為10.19、-0.59。試驗所用的水泥型號為普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5，即P.O42.5。旋窯熟料，比表面積 348 m2/kg，標準稠度25.4%，初凝時間177 min、終凝時間 209 min。

表1 風積沙物理指標

2.2 試驗設備

如圖1a所示，本次試驗所用凍融循環試驗設備為AHL-800 DG型高低溫試驗箱，溫度變化范圍在-40℃ ～150℃，溫度偏差 ±2℃，溫度波動度±1℃，可自動設置凍融循環次數。單軸壓縮試驗采用ZYSS-2000電液伺服型壓力機，可提供最大試驗力為2 000 kN，軸向加載速率0.01～20 kN/s，軸向測量分辨率20 N，軸向測量精度:≤±1%(示值)，位移測量范圍為1～100 mm，位移測量分辨率0.001 mm，位移測量精度:≤±5%。劈裂試驗采用Model E45微機控制電子萬能試驗機，可提供最大試驗力為100 kN，軸向加載速率0.001～500 mm/min，位移分辨率為0.000 017 mm。

2.3 試驗方案

選取上述三種試驗材料進行配比設計，配比方案見表2。將試驗材料按照設計配比進行室內擊實試驗，并在最優含水率的情況下加水攪拌均勻，制成150 mm×150 mm×150 mm的立方體和φ40 mm×80 mm的圓柱體試樣，如圖1b所示。每種規格的試件分別制備4組，每組3個試樣。

表2 風積沙改性土配比 %

將制備好的試樣在恒溫恒濕箱中養護7 d后，進行凍融試驗。根據工程區年平均氣溫變化曲線(見圖2)，將凍融溫度上限設置為35℃，溫度下限設置為-25℃。

圖2 通遼市研究區氣溫變化曲線

針對每種配比試樣設計四種凍融循環次數，分別為0次、10次、20次、30次，每種凍融循環狀態下均做平行實驗。試驗開始前，先將高低溫試驗箱溫度設置為35℃，待溫度達到設定值后，開始進入循環模式。一次凍融循環的方案設計見表3。

表3 一次凍融循環的方案設計

凍融試驗完成后對立方體試樣進行單軸抗壓強度試驗，對圓柱體試樣進行劈裂抗拉強度試驗，對比試驗得出的抗壓強度、割線彈性模量、抗拉強度等力學參數。

3 試驗結果與分析

3.1 單軸抗壓強度

四種配比的風積沙改性土試樣(A、B、C、D)經反復凍融(分別為0次、10次、20次、30次)后，進行單軸壓縮試驗。試驗應力-應變曲線見圖3。

從圖3可以看出，試樣在凍融條件下應力-應變曲線斜率緩慢增大，呈現“上凹型”曲線，處于孔隙不斷壓密階段；后直線上升，進入彈性階段；隨著應力的不斷增大，曲線呈現“下凹型”，試樣進入屈服階段；當試樣破壞時，曲線斜率出現負值，應力開始緩慢減小。其中圖3a所示A組試樣在0次凍融條件下空隙壓密階段幾乎未出現，這是由于凍融條件下的熱脹冷縮現象導致土體內部結構發生變化，出現微裂隙造成的。圖3b所示B組試樣在0次凍融條件下孔隙壓密階段幾乎未出現。12次凍融循環作用下試樣的孔隙壓密階段并不顯著，說明黏性土含量的增加可減弱溫度環境的變化對前期水泥水化反應的影響。隨著水泥水化反應的完成，凍融損傷作用更加顯著，導致土體內部結構發生變化，出現微裂隙，造成曲線的壓密階段出現輕微波動現象，且彈性階段的斜率明顯減小。C組試樣在0次凍融條件和24次凍融條件下試樣的孔隙壓密階段幾乎未出現，隨著黏性土含量的增加，凍融次數在一定范圍內時，風積沙改性土內部結構會變密實。當試樣進入彈性階段后，隨著凍融次數的增加，直線段斜率呈現先增大后減小的趨勢。D組試樣隨著凍融次數的增加，試樣的單軸抗壓強度波動幅度較小，可見該種配比方案對溫度變化的適應性較強；同時最大單軸抗壓強度出現在凍融第12次時，可知水泥水化反應與黏性土的耦合效應在凍融12次的時候達到最佳，割線彈性模量與單軸抗壓強度有著相同的變化趨勢。

圖3 不同凍融循環次數下各配比試樣應力-應變曲線

表4 不同凍融循環次數下各配比試樣的力學指標

由表4可知，隨著凍融次數的增加，試樣的單軸抗壓強度一般呈現先增大后減小的趨勢，這是因為試樣在凍融循環作用下，水泥的水化反應與凍融循環作用同步進行。當凍融次數較少時，以水泥水化反應為主，凍融損傷作用為輔，試樣的單軸抗壓強度不斷提高；當水泥水化反應到后期趨于穩定時，凍融損傷作用占據主導位置，試樣的單軸抗壓強度呈現減小趨勢，但不同配比之間有一定差異。與風積沙＋5%水泥不同，風積沙＋5%水泥＋5%黏性土、風積沙＋3%水泥＋10%黏性土試樣單軸抗壓強度極大值出現在凍融12次時，比單純摻加水泥時試樣的強度增加更快。說明黏性土顆粒可通過結合水膜使鄰近的風積沙顆粒結合起來，快速提高試樣的黏聚力；同時，水泥水化反應對水分的吸收可使結合水膜變薄，使強度較快提高。

3.2 劈裂抗拉強度

風積沙改性土凍融試樣的劈裂抗拉強度試驗如圖4所示。劈裂抗拉強度試驗試樣破壞的形態:試樣在峰值荷載時出現拉張裂縫，隨著力的繼續增加裂縫寬度也隨之加寬，試樣完全破壞。

圖4 劈裂抗拉試驗照片

不同凍融循環次數試樣的劈裂抗拉強度如圖5所示。不同配比風積沙改性土的劈裂抗拉強度隨凍融次數的增加總體呈現先升高后降低的趨勢，其中風積沙＋3%水泥＋10%黏性土試樣的抗拉強度一直位于曲線的最低點，這是由于相比于其它配比，該種配比水泥含量較低，黏聚力較差；當添加5%水泥時，不添加黏性土試樣的抗拉強度低于添加黏性土試樣的抗拉強度，這是由于黏性土顆粒較小，能充分填充風積沙顆粒間的空隙，且黏性土的膠結作用能增加土顆粒間的黏聚力；添加5%水泥＋5%黏性土的試樣在未進行凍融時其抗拉強度小于添加5%水泥＋10%黏性土的試樣，在凍融條件下其抗拉強度均大于添加5%水泥＋10%黏性土的試樣。隨著凍融次數的增加，試樣的抗拉強度呈現先增后減的規律，這是由于試樣在凍融循環作用下，水泥的水化反應與凍融循環作用同步進行，當凍融次數較少時，以水泥水化反應為主，凍融損傷作用為輔，試樣的抗拉強度不斷提高；當水泥水化反應到后期趨于穩定時，凍融損傷作用占據主導位置，試樣的抗拉強度呈現減小趨勢。

圖5 各試樣的劈裂抗拉強度對比曲線

4 結束語

通過對風積沙改性土進行凍融循環試驗，并對凍融作用試驗后的試樣進行單軸抗壓強度試驗和劈裂抗拉試驗，對試驗所得的應力-應變曲線和強度指標進行了對比分析，并得出了以下主要結論:

(1)試樣在凍融循環作用下，水泥的水化反應與凍融循環作用同步進行，當凍融次數較少時，以水泥水化反應為主，凍融損傷作用為輔，試樣的強度不斷提高；當水泥水化反應到后期趨于穩定時，凍融損傷作用占據主導位置，試樣的強度呈現減小趨勢。

(2)單軸抗壓強度試驗中，5%水泥＋10%黏性土配比的試樣抗壓強度最高，5%水泥＋5%黏性土次之，但不同凍融狀態下5%水泥＋5%黏性土強度變動幅度較小；在劈裂抗拉強度試驗中，5%水泥＋5%黏性土配比的試樣抗拉強度最高，5%水泥＋10%黏性土次之。