凍融循環(huán)對(duì)改良紅粘土力學(xué)特性的影響研究

李建紅

摘要：通過(guò)對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)和不同水泥摻量條件下的紅粘土開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和直剪強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了凍融循環(huán)作用對(duì)改良紅粘土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、粘聚力的影響。研究結(jié)果表明：紅粘土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和粘聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加呈線性衰減；水泥紅粘土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加呈線性增長(zhǎng)，水泥最佳摻量為20%左右；隨著試驗(yàn)剪應(yīng)力的增加，應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系曲線存在峰值，未凍融試件的應(yīng)力峰值大小約為殘余應(yīng)力峰值的3倍。

關(guān)鍵詞：改良紅粘土；凍融循環(huán)；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；抗剪強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U416.1文獻(xiàn)標(biāo)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(guó)是一個(gè)季節(jié)性凍土分布極為廣泛的國(guó)家，特別是在東北、西北、華北及內(nèi)蒙古等地區(qū)。隨著經(jīng)濟(jì)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(jié)區(qū)內(nèi)，冬季氣溫急劇下降，公路或鐵路的路基、路堤邊坡、上部結(jié)構(gòu)物等地表結(jié)冰，由于負(fù)溫效應(yīng)，填土冰點(diǎn)以下未凍結(jié)土壤中的水分持續(xù)不斷地向凍結(jié)土移動(dòng)，凍結(jié)成冰晶體，使路基填土產(chǎn)生較大的凍脹變形破壞。地表層凍結(jié)形成的冰晶體增強(qiáng)了土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但隨著季節(jié)的變化，地表溫度逐漸上升，凍結(jié)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(yīng)力減小，土體開(kāi)始軟化，結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(chǔ)的不均勻沉降等工程問(wèn)題。針對(duì)季節(jié)性凍土工程問(wèn)題，技術(shù)人員通常采用水泥等無(wú)機(jī)材料對(duì)凍土進(jìn)行改良[13]，然而如何評(píng)價(jià)水泥等改良材料對(duì)反復(fù)凍融土體的改良效果是工程技術(shù)人員較為關(guān)心的問(wèn)題。本文將這個(gè)問(wèn)題作為研究重點(diǎn)，為水泥等改良材料在凍土地區(qū)的推廣和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

目前，對(duì)于水泥改良土在凍融循環(huán)作用下的力學(xué)特性研究不夠深入，Janoo等采用沖擊錘和錐貫入儀對(duì)凍融循環(huán)過(guò)程中水泥改良土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，路基上層土在凍融循環(huán)后強(qiáng)度降低50%。寧寶寬等[4]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的劣化過(guò)程。王天亮等[5]通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)，研究了不同凍融循環(huán)次數(shù)、冷卻溫度、圍壓下水泥和石灰改土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和應(yīng)力應(yīng)變的變化關(guān)系。趙振亞等[6]則對(duì)摻加Ca（OH）2的水泥土進(jìn)行凍融循環(huán)，然后測(cè)試無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，認(rèn)為Ca（OH）2能夠改善水泥土的抗凍性。龐文臺(tái)等[7]對(duì)比分析了凍融前后水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化關(guān)系。陳四利等[8]研究了凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)水泥土的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和滲透性的影響規(guī)律。以上研究均認(rèn)為凍融循環(huán)作用能夠使改良土各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)得到不同程度的衰減。本文為了更進(jìn)一步了解凍融循環(huán)對(duì)水泥紅粘土的力學(xué)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(shù)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及抗剪強(qiáng)度。

1試驗(yàn)方案及過(guò)程

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用紅粘土取自內(nèi)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(fēng)干碾壓后過(guò)2 mm篩，依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTC E40—2007）[9]，得到紅粘土的基本物理性質(zhì)，見(jiàn)表1。水泥采用普通硅酸鹽P·O42.5水泥，其化學(xué)組成成分和主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2、3。

1.2試驗(yàn)過(guò)程

將紅粘土烘干碾碎后過(guò)5 mm篩，分別在土樣中摻入占總質(zhì)量5%、10%、15%、20%、25%的普通硅酸鹽水泥，攪拌均勻后，依據(jù)最佳含水率和路堤壓實(shí)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，配制成初始含水率為173%、壓實(shí)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(jù)土的質(zhì)量和最佳含水率計(jì)算得到的，試件壓實(shí)是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入儀施加靜力荷載實(shí)現(xiàn)的。試件制作的時(shí)間不能超過(guò)初凝時(shí)間。

試件的養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)凍融性能的影響可忽略不計(jì)，同時(shí)水泥水化作用可能會(huì)對(duì)凍融作用產(chǎn)生影響。本次試驗(yàn)的養(yǎng)護(hù)齡期統(tǒng)一為28 d，養(yǎng)護(hù)28 d后的第29 d開(kāi)始對(duì)試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。凍融循環(huán)的溫度控制依據(jù)季節(jié)性凍土區(qū)的溫度變化范圍，凍結(jié)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(jié)12 h，然后在15 ℃下融化12 h。凍結(jié)時(shí)采用恒溫冷凍箱進(jìn)行控制，融化時(shí)采用恒溫潮濕養(yǎng)護(hù)箱控制，凍融循環(huán)次數(shù)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(jī)控制電子式萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)，對(duì)凍融循環(huán)后的直徑為50 mm、高度為50 mm的圓柱體試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到應(yīng)力應(yīng)變曲線和抗壓強(qiáng)度值。采用應(yīng)變控制式直剪儀，對(duì)凍融循環(huán)后直徑為61.8 mm、高度為2 mm的環(huán)刀試件進(jìn)行直剪強(qiáng)度試驗(yàn)，得到抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)水泥摻量分別為5%、10%、15%、20%、25%的紅粘土試件進(jìn)行凍融循環(huán)0、3、6、9、12次的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，得到的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)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(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

依據(jù)表4無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，繪制了不同水泥摻量下紅粘土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的關(guān)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(duì)水泥紅粘土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，但衰減有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。曲線整體表現(xiàn)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(shù)下，水泥紅粘土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(duì)紅粘土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。水泥紅粘土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加呈線性增長(zhǎng)。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的變化曲線愈加密集。水泥摻量越少，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值越小，主要是因?yàn)樗鄵搅窟^(guò)少，分散在土體中且沒(méi)有形成連續(xù)的絮凝結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體性不強(qiáng)，所以抗壓強(qiáng)度較低。

從無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為基數(shù)，分別換算出3、6、9、12次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度損失率，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖4所示。從圖4中看出，水泥摻量越小，強(qiáng)度損失率越大，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)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(qiáng)度損失率高達(dá)80.73%，僅為021 MPa，基本上已經(jīng)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(qiáng)度損失率為4948%，強(qiáng)度損失近半。水泥摻量分別為15%、20%、25%的紅粘土，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度損失率分別為4436%、3299%、2967%。當(dāng)水泥摻量超過(guò)20%時(shí)，強(qiáng)度損失率變化減小，這說(shuō)明在本次試驗(yàn)條件下，從經(jīng)濟(jì)和改善效果的角度來(lái)分析，水泥摻量為20%最佳。

2.2凍融循環(huán)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響

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

2.3凍融循環(huán)對(duì)粘聚力的影響

選取水泥摻量為20%的紅粘土環(huán)刀試件進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，依據(jù)摩爾庫(kù)倫定理得到不同凍融循環(huán)次數(shù)后土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化曲線，如圖6所示。由圖6可知，隨凍融循環(huán)次數(shù)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(shù)增加有減小的趨勢(shì)。通過(guò)粘聚力和凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系可以預(yù)測(cè)不同凍融循環(huán)次數(shù)作用土體的抗剪強(qiáng)度范圍值。循環(huán)凍融的過(guò)程中，土體內(nèi)部反復(fù)受凍脹應(yīng)力的作用，使得土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷，隨著凍融次數(shù)的增加，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)因損傷而產(chǎn)生微小裂紋，破壞了土體整體的結(jié)構(gòu)性，表現(xiàn)為粘聚力下降。

3結(jié)語(yǔ)

（1） 凍融循環(huán)對(duì)水泥紅粘土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的衰減作用顯著。在不同的水泥摻量下，水泥紅粘土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，并趨于穩(wěn)定。曲線整體表現(xiàn)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(duì)紅粘土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。水泥紅粘土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加呈線性增長(zhǎng)。水泥摻量越小，強(qiáng)度損失率越大。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)度損失率逐漸減小。本次試驗(yàn)條件下，水泥最佳摻量為20%。

（3） 隨著試驗(yàn)剪應(yīng)力的增加，應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系曲線存在一個(gè)峰值，并且隨著凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加，峰值大小逐漸降低。未凍融試件的應(yīng)力峰值約為殘余應(yīng)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(shù)的增加呈線性衰減。通過(guò)線性關(guān)系可以預(yù)測(cè)不同凍融循環(huán)次數(shù)作用后土體的抗剪強(qiáng)度范圍。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]