冻融循环对固化盐渍土抗压强度影响范文

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《岩石力学与工程学报》2016年第五期

摘要：

北方地区冬季结冰与春季融化引起土的冻胀和融沉问题，弱化了土的抗压性能。以研究冻融循环对固化盐渍土抗压性能的影响为目的，完成冻融前后盐渍土、石灰固化盐渍土、石灰+SH固化盐渍土的抗压试验。结果表明：盐渍土、石灰固化土和石灰+SH固化土的抗压强度随冻融次数的增加而减小，石灰+SH固化土的抗压强度均高于另2种土；冻融前后石灰固化土和石灰+SH固化土均为应变软化型，盐渍土则由应变软化型转变为应变硬化型。冻融循环次数相同时，石灰+SH固化土的抗压强度随含水率的增加而减小，其应力–应变曲线逐渐趋于平缓，土的脆性减弱。石灰+SH固化土具有相对较好的抗冻融性能，含水率是影响冻融后土的抗压性能的首要因素。

关键词：

土力学；冻融循环；抗压强度；应力–应变；盐渍土；含水率

1引言

北方滨海地区分布着大量的氯盐渍土，因土中含有较多的吸附性钠离子，在潮湿环境中易吸湿软化，又由于冬季结冰和春季融化，引起盐渍土的冻胀和融沉问题。因此，研究冻融循环对固化盐渍土抗压性能的影响，对北方滨海地区的道路工程建设具有重要意义。Z.H.Yang等[1-5]研究表明，冻融循环影响固化土的抗压性能，但研究主要针对非盐渍土，且多以石灰和水泥为固化材料。柴寿喜[6]利用石灰和SH固土剂固化滨海盐渍土，提高了土的抗压强度和抗变形性能，但未涉及冻融循环对石灰和SH固土剂固化盐渍土的抗压性能的影响。冻融循环次数和含水率是影响冻融后固化土抗压性能的重要因素。M.Ghazavi等[7-9]分析得出，固化土的抗压强度随冻融次数的增加而降低，且前2次的抗压强度降幅较大，随后降幅减小；T.L.Wang等[10]发现冻融循环5～6次后，固化土抗压强度降幅减小；M.M.Zaman和K.N.Naji[11]认为，冻融循环8～12次后土的力学性能趋于稳定。R.J.Jamshidi等[12-13]研究了冻融后不同含水率的固化土的抗压性能，认为固化土的抗压强度随含水率的增加而减小。王铁行等[14]发现，含水率较高时，冻融循环后土的黏聚力降幅较为明显。据此，选取冻融循环次数和含水率为影响因素，完成了盐渍土，石灰固化土、石灰+SH固化土冻融循环前、后的无侧限抗压试验，分析土的抗压强度和应力–应变性能随冻融循环次数与含水率的变化规律，评价冻融循环对土的抗压性能的影响，为冻融条件下盐渍土的固化提供理论依据与技术指导。

2试验材料与条件

2.1试验材料盐渍土取自天津滨海新区，塑性指数14，含盐量2.64%。通过重型击实试验，得到土的最大干密度1.84g/cm3，最优含水率15.2%。将盐渍土风干、碾碎，过2mm筛；生石灰粉的有效钙镁成分为70%；SH固土剂(以下简称SH)为无毒水溶性液体状的改性聚乙烯醇，分子量为20000左右，密度1.09g/cm3[15]。

2.2试样制备试样直径61.8mm、高125mm，干密度1.65g/cm3，采用双向静力压实法制备试样。先将1/3质量的土料装入内壁涂抹黏稠油脂的钢质模具内，使用钢柱上下同时静力挤压土料；然后将上挤压面菱形刮毛，再装入1/3土料，重复上述过程；最后倒入剩余的1/3土料，将试样挤压成形。静置3min后，用千斤顶将试样缓慢推出。将试样置于温度20℃湿度95%的恒温恒湿养护箱，养护21d，进行冻融循环试验和抗压试验。(1)盐渍土试样：含水率15%，将水加入盐渍土中，均匀拌和后密封24h，制备试样。(2)石灰固化土试样：含水率15%，将水加入盐渍土中，密封浸润24h；制样前，将干土质量6%的石灰加入土中，考虑石灰的硬化作用，计算所需水量，将石灰、土和水均匀拌和。(3)石灰+SH固化土试样：选择含水率15%，17%和19%，先将所需水量的2/3加入盐渍土中，密封浸润24h；制样前，将干土质量0.6%的SH溶解于剩余的1/3水中，喷洒于盐渍土表面，再加入石灰和水，均匀拌和。

2.3试验设备冻融试验箱为无锡市华南实验仪器有限公司制造的DR-2A冻融试验箱，温度范围－25℃～+70℃。无侧限抗压试验仪的钢环系数为31.8N/(0.01mm)，试验速率1mm/min。以变形量0.2mm间隔计数一次。

2.4试验条件试验温度：邴文山[16]研究表明，土的冻结温度越低，融化后其强度降幅越显著，当冻结温度低于－10℃，强度的降幅趋于稳定。参考郭军等[17]的研究成果，近年天津冬季夜间最低气温－19℃左右、春季平均气温18℃左右。据此，选择冻结温度为－20℃，融化温度为20℃。冻结24h，融化24h为一次冻融循环。冻融循环次数：根据M.Ghazavi等[7-11]，试验冻融循环次数选为0，1，2，3，4，5，6，7，8，10次。含水率：试验中以2%的间隔设置3个不同初始含水率15%，17%和19%。但为保证石灰硬化作用充分进行，还需加入石灰质量20%～30%的水[18]。测试石灰固化土试样养护21d的含水率为16%，石灰+SH固化土的含水率分别为16%，18%和20%。冻融循环试验之前，用双层塑料薄膜包裹试样，放入冻融试验箱。称取冻融循环前、后试样的质量，基本保持不变。说明采用双层塑料薄膜包裹试样可避免冻融过程中水分的流失。

3试验结果与分析

3.1冻融循环次数对土应力–应变和抗压强度的影响图1为不同冻融循环次数下，盐渍土、6%石灰固化土和6%石灰+0.6%SH固化土的应力–应变曲线。图中FT表示冻融循环次数。由图1(a)可知，冻融循环前，盐渍土的应力随应变的增加而增大；在应变1.6%时，应力达到峰值，随后应力下降，曲线为应变软化型，试样呈脆性破坏。冻融循环后，随应变的增加，应力未出现明显的峰值，曲线呈应变硬化型，试样呈塑性破坏。由图1(b)和(c)可知，随应变增加，石灰固化土和石灰+SH固化土的应力–应变曲线均出现明显的峰值，曲线呈应变软化型，试样呈脆性破坏。王大雁等[19-20]研究表明，冻融循环作用只改变固化土的峰值应力，不改变其应力–应变的曲线形式，这与图1(b)和(c)所示结果一致。取峰值轴向应力作为试样的无侧限抗压强度，得到盐渍土、6%石灰固化土和6%石灰+0.6%SH固化土无侧限抗压强度，如图2所示。图2显示，随冻融循环次数的增加，土的抗压强度呈减小趋势。在不同冻融循环次数下，与前一次相比，盐渍土抗压强度的降幅分别为50.9%，25.9%，18.8%，20.0%，3.8%，2.0%，2.0%，6.0%，4.4%；石灰固化土的降幅分别为27.0%，12.6%，8.8%，4.0%，5.0%，1.3%，0.9%，1.8%，0.9%；石灰+SH固化土的降幅分别为26.0%，11.8%，6.9%，1.2%，0.8%，0.8%，0.4%，0.8%，0.9%。冻融循环1次后，土的抗压强度降幅最大；冻融循环2～4次，降幅减小；冻融循环5次后，降幅趋于稳定。石灰+SH固化土的抗压强度的降幅均小于盐渍土和石灰固化土的。冻融循环10次后，盐渍土抗压强度的总降幅为80%，石灰固化土抗压强度的总降幅为45.4%，石灰+SH固化土抗压强度的总降幅为42%。在相同冻融循环次数下，盐渍土和石灰固化土的峰值应变为1.6%；石灰+SH固化土的峰值应变为2%，冻融循环后石灰+SH固化土的抗压强度最大。由此表明掺加石灰和SH固土剂不仅提高了冻融后固化土的强度，还增强了固化土的抗变形性能。图3(a)为盐渍土、图3(b)和(c)为石灰+SH固化土的SEM照片。对比图3(a)，(b)可见，在土中加入石灰后，石灰的碳化作用对土颗粒具有明显的胶结作用，部分限制了冻胀引起的土颗粒的移动，减弱了冻融对土结构的破坏。对比图3(a)，(c)可见，加入SH固土剂后，固化土形成了一个富有弹性的丝网状的空间结构，主要是由SH固土剂主链上的羟基、羧基与土中的钙、镁、硅等离子发生络合作用产生；同时胶膜包裹土颗粒，降低了结合水膜的厚度，提高了固化土的抗冻融性能。

3.2含水率对土应力–应变和抗压强度的影响含水率的变化可改变固化土的结构，使其力学性能发生变化[21]。在不同冻融循环次数、3个含水率条件下，6%石灰+0.6%SH固化土的应力–应变曲线如图4所示。由图4可见，不同冻融循环次数下，6%石灰+0.6%的SH固化土的应力–应变曲线变化趋势大致相同。在相同的冻融循环次数下，含水率16%固化土的应力出现明显峰值，峰值后应力降低；含水率18%固化土的应力出现峰值，峰值后应力降幅较含水率16%的小；含水率20%固化土在0～3次冻融循环后应力出现明显的峰值，在4次后峰值不显著。在相同的冻融循环次数下，随着含水率的增大，固化土的峰值应力逐渐降低，峰值应变呈增大趋势。应力–应变曲线的切线斜率逐渐减小，曲线逐渐趋于平缓，土的脆性逐渐减弱。图5(a)～(c)分别为冻融循环10次，3个含水率的石灰+SH固化土的破坏形态。图5(a)和(b)为脆性破坏，有明显的破坏面，而图5(c)呈鼓胀型，没有形成完整的贯穿面，土的脆性减弱。图4中的峰值应力为试样的无侧限抗压强度。不同冻融循环次数下的抗压强度随含水率变化曲线如图6所示。由图6可知，冻融循环前、后固化土的抗压强度随含水率的变化规律大致相同。含水率从16%增至18%，抗压强度的降幅随冻融循环次数的增加而增大；含水率从18%增至20%，抗压强度的降幅随冻融循环次数的增加而减小。当冻融循环次数相同时，抗压强度随含水率的增大而减小。原因在于含水率增大使土颗粒的孔隙水增多，冰体增大，结冰使土的体积膨胀量增大，导致土的抗压强度降低。

3.3冻融循环次数和含水率对抗压强度影响的综合评价由表1可见，当含水率由16%增至18%时，固化土的抗压强度为含水率16%固化土抗压强度的86%；经历7次冻融循环后，抗压强度仅为含水率16%固化土抗压强度的33%。当含水率由16%增大到20%时，抗压强度为含水率16%固化土抗压强度的44%；经历7次冻融循环后，抗压强度仅为含水率16%固化土抗压强度的21%。因此，含水率对固化土抗压强度的影响程度大于冻融循环次数，这与毛雪松等[22]得出的结论基本一致。

4结论

(1)冻融循环后，盐渍土、石灰固化土和石灰+SH固化土的抗压强度随冻融循环次数的增加而减小。冻融循环1次，土的抗压强度降幅最大；冻融循环2～4次，降幅减小；冻融循环5次后，降幅趋于稳定。冻融循环10次后，与盐渍土、石灰固化土相比，石灰+SH固化土的抗压强度降幅最小，说明石灰+SH固化土具有更好的抗冻融性能。(2)含水率相同时，随着冻融循环次数的增加，盐渍土、石灰固化土和石灰+SH固化土应力–应变曲线的切线斜率逐渐降低。盐渍土在冻融前为应变软化型，冻融后转变为应变硬化型，石灰固化土和石灰+SH固化土冻融前、后均为应变软化型。冻融循环次数相同时，随含水率的增加，石灰+SH固化土的峰值应力逐渐降低，峰值应变增大，应力–应变曲线逐渐趋于平缓，土的脆性减弱。(3)比较抗压强度变化系数，含水率对固化土抗压强度的影响程度大于冻融循环次数。因此，含水率是影响冻融循环后固化土抗压性能的首要因素。

作者：方秋阳 柴寿喜 李敏 魏丽 单位：天津城建大学 地质与测绘学院 河北工业大学 土木工程学院