凍融循環下西安市長安區水泥土室內試驗研究

張新新

(西安翻譯學院，陜西 西安 710105)

0 前 言

西安市長安區土質為風形成黃土，具有濕陷性，屬于特殊土，在一定壓力下受雨水浸濕，土結構迅速破壞，產生顯著附加下沉，強度也迅速降低；地基作為建筑物下部承受荷載的土層，一旦強度下降，使得地基產生過大的沉降或不均勻沉降都會對建筑物產生不可避免的危害。另外，作為季節性凍土地區，在冬季土中的水成冰后體積發生明顯膨脹，孔隙比增加；土體融化后，體積會縮小，承載力較開始狀態明顯下降，以上的變化對工程實際的破壞都是極大的，所以分析濕陷性黃土及其在凍融循環作用下的受力機理，對該地區的工程是至關重要的。葉傅研究了水泥穩定黃土無側限抗壓強度，研究發現水泥劑量、壓實度與水泥黃土抗壓強度呈線性增長趨勢；馬文杰通過摻加固化劑與水泥及其組合進行土壤化學改良，對比分析了不同固化劑摻量下，黃土的養護齡期、壓實度、抗滲能力等，得出了最佳拌和摻量；付紅梅對中砂改良黃土的濕陷性進行了試驗研究，分析出中砂對黃土濕陷性起到了降低的作用；李振進行生石灰改良黃土物理化學性質的研究，分析出隨著養護齡期的增長，孔隙比、液限指數等參數都發生明顯變化，分析其出變化趨勢；吳文飛對固化劑改良水泥穩定黃土強度及水穩性進行研究，分析出不同水泥摻量及固化劑作用下水泥穩定黃土的機理。水泥因其造價低廉、來源廣泛，在工程項目中應用較多，本文主要研究原狀黃土、重塑黃土及不同水泥配合比的黃土在不同次數凍融循環作用下的無側限抗壓強度、粘聚力、內摩擦角等力學性質的變化趨勢及其作用機理，分析出水泥最經濟摻量。

1 試 驗

1.1 原材料

本實驗采用陜西延河水泥機械公司生產的P·O32.5普通硅酸鹽水泥，黃土取自陜西省西安市長安區某地下管廊工程，按照標準土工試驗操作規程測定土體的基本性能，黃土物理力學性能見表1。

表1 黃土的物理力學性質

經過試驗分析，該土的塑性指數為7<10，屬于粉質黏土。

1.2 試驗方法

本試驗采用單扛桿固結儀測定原狀土的壓縮系數為0.46 MPa-1，原狀土體為中壓縮性土；采用應變控制式直剪儀分別施加50、100、200、300 kPa的垂直壓力，采用快剪的方法，使試樣在5 min以內損壞，得到原狀土的內摩擦角為30°，粘聚力為24.4 kPa;試驗前將風干的土樣過0.5 mm孔徑的篩，取直徑小于0.5 mm土樣做成試樣養護齡期7 d，每組試樣3個，采用標準手動擊實儀成型，水泥配合比分別為0，6%，12%，18%；水泥配合比為土質量的百分比，加入的水為自來水，含水率為土與水泥總質量的17.1%；凍結采用凍結溫度-15℃，融化采用15℃，分別凍融0、2、4、6、8 d；無側限抗壓強度采用萬能試驗機，按照其操作規程調整相應參數，數據由系統采集完成，采集數據包括：時間、力及變形。為了節省試驗時間、方便試驗操作，抗壓強度試驗所用試件采用馬歇爾手動擊實儀成型。

2 試驗結果及分析

2.1 不同水泥配合比水泥土實驗(見圖1～3)

圖1 水泥配合比與粘聚力的關系

由圖1可以看出，原狀土的粘聚力較低，重塑土的粘聚力最低；各配合比水泥土的粘聚力均呈現明顯增大趨勢；特別是配合比為6%時，粘聚力的增大幅度最明顯，約為原狀土的4.3倍；隨水泥配合比的增大，增長的幅度逐漸降低；當水泥摻量為18%，粘聚力增大的幅度約為原狀土的7倍；可以看出，水泥的摻入能有效提高黃土的粘聚力。

由圖2可以看出，原狀土的內摩擦角最大，重塑土的內摩擦角最小；隨水泥配合比增加，內摩擦角逐漸增大，水泥配合比為18%，約為重塑土的2倍，約為原狀土的1.3倍；相比粘聚力和抗壓強度的的變化，增大的幅度不顯著。

圖2 水泥配合比與內摩擦角的關系

由圖3可以看出，重塑土的抗壓強度較小；水泥配合比為6%時，相對重塑土增大的幅度最大，約為重塑土強度的7.7倍； 12%水泥配合比的抗壓強度約為6%的1.46倍，18%水泥配合比的抗壓強度約為12%的1.2倍；隨水泥配合比的增加，抗壓強度逐漸增大，增大的幅度越來越小并趨于穩定。

圖3 水泥配合比與抗壓強度的關系

綜上，可以分析出水泥土能夠有效提高黃土的粘聚力，而內摩擦角增大幅度不明顯；主要原因在于水泥能夠和水發生水化作用，逐漸生成凝膠體，使得粘聚力和抗壓強度增長比較迅速；而本實驗所用的過篩土，其顆粒級配沒有原狀土良好，使其內摩擦角較原狀土有所降低。總的來說，水泥配合比的增加，在一定程度上促進了水泥土內摩擦角的增長。由此可見，黃土作為回填土、路基、擋土墻等受力結構，本身的粘聚力、抗壓強度均較低，不能滿足工程需要；根據工程實際需要，有必要采用水泥土提高工程的承載力和強度，以達到工程安全、穩定的目標。

2.2 凍融循環下水泥土破損(見圖4～5)

圖4 重塑土凍融4次

圖5 12%水泥土凍融4次

由圖4～5可以看出，試樣的破壞均由從上到下的斜截面裂縫而引起；重塑土的表面破損最為嚴重，土體呈現出比較松散的狀態；水泥配合比越高，破壞越不明顯，這與水泥與土發生膠結作用，生成凝膠體直接相關；水泥配合比越高，水化作用生成的凝膠體越多，膠結作用越明顯，土粒之間的粘結力越大，表面的損壞越不嚴重。凍融循環的水泥土，由于其發生反復的凍脹、融化作用，水泥土表面均出現一定的破損，循環次數越多，凍脹力越大，相應的水泥土破損越嚴重。

2.3 凍融循環作用下水泥土強度(見圖6～8)

圖6 不同凍融循環次數與粘聚力的關系圖

由圖6可知，不同水泥配合比下，隨凍融次數的增加，重塑土粘聚力的降低幅度最低，基本無變化，其余土樣的粘聚力逐漸降低，在第2次凍融循環作用下，降低的幅度最大，隨凍融次數的增加，逐漸趨于穩定，8次凍融循環最為穩定。

由圖7可知，不同水泥配合比下，凍融次數增加，內摩擦角的變化趨勢與粘聚力較為相似，第2次凍融循環下降比較明顯，8次凍融循環最為穩定，凍融次數增多，逐漸趨于穩定；但下降的幅度較為緩慢。

圖7 不同凍融循環次數與內摩擦角的關系

由圖8可知，不同水泥配合比下，重塑土的抗壓強度遠遠低于各種配合比的水泥土；凍融次數增加，各水泥土的抗壓強度均呈下降的趨勢。其中，重塑土的強度下降極為緩慢，6%、12%、18%水泥土在第2次凍融循環下降最快，4、6、8次下降幅度呈逐漸減緩趨勢，18%水泥土下降幅度最大。

圖8 不同凍融循環次數與抗壓強度的關系

凍融循環抗壓強度比見表2。由表2可知，重塑土的粘聚力最低，在8次凍融循環下，重塑土的粘聚力下降最小，為0次凍融的97.5%；隨著配合比的升高，粘聚力的比值有減小的趨勢；6%水泥土粘聚力比值最小，12%水泥土粘聚力比值最高，18%水泥土粘聚力比值有所降低；8次凍融循環下，6%配合比水泥土與12%水泥土粘聚力比值為66.5%，12%配合比水泥土與18%水泥土粘聚力比值為87.8%，說明隨著水泥配合比的升高，粘聚力的增長速度有下降的趨勢，增長的速度逐漸緩慢。

表2 凍融循環粘聚力比

凍融循環抗壓強度比見表3。由表3可知，重塑土的抗壓強度最低，8次凍融循環下，重塑土的抗壓強度降低最小，6%配合比水泥土強度下降較多，12%水泥強度降低接近于50%，隨水泥配合比增加，18%水泥土強度下降趨勢明顯；6%配合比水泥土是12%水泥土的71.3%，12%配合比水泥土是18%水泥土的85.7%，可以看出隨配合比的增加，在凍融循環作用下，抗壓強度的增長的速度先增加后出現降低，12%配合比水泥土增長最快。

表3 凍融循環抗壓強度比

3 試驗結果與分析

1)水泥的摻入，能有效提高黃土的物理力學性能；水泥摻量越高，無側限抗壓強度及粘聚力都呈現明顯上升趨勢；內摩擦角略有所下降，主要由于原狀土各顆粒之間的內摩擦力較大，水泥土中的土經過碾壓、磨碎和過篩已經失去一部分原本土體中內摩擦力，使得土體的內摩擦角有所下降；而水泥產生的水化作用，使水泥土的內摩擦角遠大于重塑土的內摩擦角。

2)水泥固化黃土的機制主要在于水泥水化生成碳酸鈣同時與土粒發生置換反應生成水化硫酸鋁鈣，兩種產物附著于土顆粒表面，填充土體中的空隙，使土體更加密實，從而增加的土體的粘聚力和抗壓強度；水泥的比表面積遠小于黃土，水泥吸附在黃土的表面，增加了土體之間的接觸面積，應力得以增加。

3)經過分析，各項指標在水泥摻量在6%時，增長速度最為明顯，到12%左右時，各指標增幅最顯著，大于12%時，各項指標的增幅逐漸緩慢。

4)水泥土在凍融循環作用下，無側限抗壓強度和粘聚力均呈下降趨勢，其中以第一次下降最為明顯，凍融次數越多，下降越緩慢；其主要原因在于土體中的水分在凍結后發生凍脹、空隙變大，凍脹力使土體顆粒的膠結受到破壞，土體產生裂縫，土顆粒間的粘結能力降低；融化后，這種裂縫不能完全恢復，有一部分殘留，土體空隙隨凍融次數的增大而逐漸增多，導致土體的強度等逐漸下降。

4 結 論

1)通過水泥的摻入，能有效提高黃土的粘聚力和抗壓強度，在凍融循環作用下的力學性能都有所提高，在工程實際當中有必要根據實際摻入合適比例的水泥用以保證結構的安全和穩定性。

2)從本文對抗壓強度及粘聚力等力學參數的分析可知，該地區的土中水泥摻量為12%左右時，各項性能增長速度最快，從經濟角度考慮，摻量12%或略高于12%時最為經濟合理。

3)凍融循環后，水泥土的粘聚力和抗壓強度較重塑土均有大幅度提高，8次凍融循環后水泥土的力學性質均逐漸趨于穩定，能滿足季節性凍土地區路基防護、邊坡穩定等工程建設項目的需要。

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