季節性凍土區水泥固化路基填料試驗與分析

趙娜梅

(甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

在工程建設中，高填方路基是主流的施工形式之一，而路基填料是影響高填方路基固化的重要因素之一，同時也是業內的技術重點。從工程建設角度分析，雖然水泥固化土存在經濟性好、施工便捷、建設成效高等優勢，但是在季節性凍土區中還需要充分考慮凍融損傷造成的影響。因此，本文通過一系列試驗，分析水泥固化路基在季節性凍土區條件下的凍融損傷規律。

1 試驗方案

1.1 試驗土樣物理性質

為深入研究凍融損傷條件下水泥固化路基的力學特征，本試驗選取某季節性凍土區二級路面基層土作為試驗土樣，為實現低液限黏土目標，對樣土進行篩分試驗，并得出級配曲線，其中粒徑在0.075 mm以下以及0.005 mm以下的顆粒分別占總比例的24.91%以及15.49%，黏粒占比相對較高。素土物理性質情況如表1所示。

表1 素土物理性質

1.2 試樣制備

在實際開展本次試驗過程中，選擇比標號為32.5的普通硅酸鹽水泥，并將其初凝時間控制在1～3 h[1]，在具體試驗過程中，采用2%、4%、6%、8%及10% 5種水泥占比方案。選用規格為61.8 mm×125 mm、壓實度為95%的圓柱試樣開展凍融循環條件下無限側以及三軸試驗。

在實際制備試樣過程中，在水泥初凝時間范圍內分5層達成擊實成件目標。隨后，利用保鮮膜以及密封袋將試樣密封并放置于恒溫(20±2℃)以及相對濕度95%以上的環境內進行養生處理，時間分別設定為7 d、28 d以及60 d。隨后選擇滿足養生時間設定的試樣在高低溫交變箱設備中開展0、1、3、5、9、15次凍融循環操作，冷卻負溫以及融合溫度分別設定為-5℃、-10℃以及-15℃ 3個檔次以及20℃，設定試驗時間持續12 h。

依照工程實際情況，設定在圍壓50 kPa以及100 kPa條件下開展三軸試驗，針對不同凍融循環次數條件下的試驗進行無限側抗壓強度試驗以及不固結不排水剪切三軸試驗。考慮到試驗中養生時間會隨著凍融循環進程推進而提升，由此，選取養生時間8 d、10 d、12 d、16 d以及22 d的水泥固化土試件作為對照試驗[2]。

2 試驗結果及分析

2.1 養生時間級凍融損傷

通過對工程實踐經驗進行梳理可知，高填方路基使用壽命在季節性凍土區范圍內直接受凍融循環影響。通過試驗可以得出結論，在水泥占比4%、冷卻負溫-10℃的條件下，齡期在7 d、28 d以及60 d試件的無限側壓強度以及抗壓強度如圖1～3所示。

圖1 無側限條件下凍融循環次數與峰值應力

由圖中信息可知，無側限抗壓值強度以及不同圍壓、齡期下抗壓強度會隨著凍融循環次數提升而呈現出先降低后提升的趨勢，其中經歷過一次凍融循環且養生7 d的試驗抗壓強度以及試樣強度下降趨勢最為顯著，這種情況表明水泥固化土試樣強度會直接受到凍融循環的影響。

圖2 50 kPa圍壓下凍融循環次數與峰值應力

圖3 100 kPa圍壓下凍融循環次數與峰值應力

采用先齡期養生后凍融循環順序開展試驗，試樣齡期會隨著凍融循環次數增長而增長，當凍融環境下試樣養生提升的強度高于凍融損失強度時，試樣強度會顯著提升。因此，在完成1～3次凍融循環后，試樣強度顯著提升[3]。

為進一步探究養生時間以及凍融循環對峰值應力影響幅度之間的關聯，通過設定相對強度增量實現對凍融循環對峰值應力影響幅度進行標識，具體如以下公式所示：

其中，A表示相對強度增量；qN以及q1分別表示經歷N次與1次凍融循環后的峰值應力。

依據上述公式計算得出不同齡期條件下相對強度增量情況。從最終計算成果可知，在養生時間為7 d條件時，試件相對強度增量增長幅度最為顯著，上下差值為0.58，而養生時間在28 d以及60 d條件時，增量擺動幅度相對較低。由此可見，養生時間可以直接影響凍融循環對峰值應力的影響幅度，且該幅度會隨著養生時間增長而下降。

除此以外，試驗者還針對不同圍壓情況與凍融循環對峰值應力影響幅度的關系進行探究，并設定通過強度損失進行表示，具體如下列公式所示：

B=qN-qN+i

其中，B表示強度損失，而qN與上文一致。依據此公式可計算出不同圍壓情況下強度損失情況。由計算結果可知，50 kPa以及100 kPa圍壓條件下，強度損失擺動幅度明顯高于無側限條件下，這種情況表明，圍壓效應可以對凍融循環對峰值應力影響幅度造成影響，且該影響會隨著圍壓提升而降低。

2.2 水泥占比及凍融損傷

在該試驗中，試驗者通過開展無側限抗壓強度試驗，得出養生實踐、含水率以及冷卻負溫分別在7d、14%以及-10℃條件下，試件凍融循環、水泥占比以及峰值應力之間的關系，具體如圖4與圖5所示。

圖4 各水泥占比下的凍融循環次數與峰值應力

依據圖4中信息可知，在不同水泥占比條件下，隨著凍融循環次數不斷提升，試件峰值應力也隨之呈現出先減后增趨勢，該趨勢與不同齡期條件下試件峰值應力變化保持一致。

依據各凍融循環次數下的水泥占比峰值應力信息可知，峰值應力會隨著水泥占比提升而提升，由此可見二者成正比關系，然而需要認識到的一點是，在不同凍融循環次數條件下，峰值應力增長趨勢呈現出不同態勢。

為探究水泥占比增長帶來的試件強度受凍融循環的影響幅度，設計以2%水泥占比峰值為基準，對不同水泥占比條件下試件應力峰值以及基準值之間的差值進行計算[4]，最終可得不同凍融循環次數條件下，不同水泥占比試件及其應力增量關系。依據圖5信息可見，未經歷凍融循環的試件應力增量明顯高于經歷3次凍融循環的不同水泥占比下的應力增量。由此可見，因水泥占比提升而獲取的強度直接受到凍融循環的影響。

圖5 應力增量及水泥占比

3 結語

針對水泥固化土在季節性凍土區凍融循環影響下的特性進行研究，最終結果顯示，養生時間、水泥占比、冷卻負溫條件在一定幅度下不會對凍融循環對峰值應力的影響趨勢造成干擾，但是直接決定其影響幅度。施工單位在季節性凍土區進行作業過程中應依據實驗研究結論對各項因素進行嚴格控制，最大限度地提升水泥固化土路基填料性能，為提升道路工程使用性能以及壽命奠定堅實基礎。