趙安平,湯愛(ài)平,孫 靜,于雪梅

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,哈爾濱 150090; 2.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150080)

凍融作用下水泥改良土剪切強(qiáng)度試驗(yàn)研究

趙安平1,2,湯愛(ài)平1,孫 靜2,于雪梅2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,哈爾濱 150090; 2.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150080)

季節(jié)性凍土區(qū)路基填料經(jīng)歷凍融作用，使道路出現(xiàn)翻漿冒泥、沉陷、強(qiáng)度弱化等問(wèn)題，嚴(yán)重影響交通順暢和行車安全。水泥改良土因可就地取材、性能良好、價(jià)格低廉，近年來(lái)被應(yīng)用來(lái)改善凍害問(wèn)題，而反復(fù)凍融作用對(duì)水泥土強(qiáng)度的損傷，是其在季凍區(qū)進(jìn)一步推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。以水泥改良粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象，通過(guò)凍融循環(huán)試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)，研究溫度及凍融作用對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響，得到結(jié)論：①第1個(gè)凍融循環(huán)對(duì)改良土強(qiáng)度影響最大，表現(xiàn)在c值衰減快，且凍結(jié)溫度越低，c值衰減越大；②隨循環(huán)次數(shù)增加水泥土脆性特征明顯，第7個(gè)循環(huán)后存在一個(gè)強(qiáng)度峰值，此后強(qiáng)度急劇降低，說(shuō)明在第7次凍融時(shí)可能已經(jīng)發(fā)生脆性破壞；③φ值隨凍融次數(shù)增加呈小幅度的減小-增大-減小-增大的趨勢(shì)，且溫度越低，φ值減小幅度越小，增大的幅度越大。

水泥改良土；凍融循環(huán)；剪切強(qiáng)度；內(nèi)聚力c；內(nèi)摩擦角φ

0 引 言

黑龍江地處我國(guó)最北端高緯度區(qū)，深季節(jié)凍土(凍結(jié)深度>1 m)分布廣泛。冬季路基填土暴露于寒冷的自然環(huán)境下，土體中水分遷移凍結(jié)成冰引起體積膨脹，使路面產(chǎn)生不均勻變形或過(guò)量變形。春季氣溫升高冰晶體融化，路基土處于飽和或過(guò)飽和狀態(tài)，承載力低，在交通車輛作用下易出現(xiàn)翻漿冒泥、鼓包、沉陷、裂縫和強(qiáng)度弱化等病害[1]，嚴(yán)重影響公路的正常運(yùn)營(yíng)和行車安全，妨礙地區(qū)交通發(fā)展，困擾該地區(qū)公路建設(shè)，亟待解決。

因水泥改良土可就地取材、性能良好、價(jià)格低廉，近年來(lái)在季節(jié)性凍土區(qū)被用來(lái)解決路基土凍害問(wèn)題。而評(píng)價(jià)反復(fù)凍融對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響，從而保證工程的使用壽命，是水泥改良土在季凍區(qū)進(jìn)一步推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，研究水泥改良土在凍融循環(huán)下的強(qiáng)度特性十分必要，對(duì)季節(jié)凍土區(qū)道路凍害防治具有重要意義。

參考前人研究方法及成果基礎(chǔ)上，以黑龍江分布最廣泛的粉質(zhì)黏土，按質(zhì)量百分比加6% 的42.5普通硅酸鹽水泥后的改良土為研究對(duì)象[2-3]。通過(guò)室內(nèi)基本物理性質(zhì)試驗(yàn)、不同條件下的凍融循環(huán)試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)等，對(duì)不同凍結(jié)溫度、不同凍融循環(huán)次數(shù)水泥改良土強(qiáng)度及強(qiáng)度指標(biāo)c，φ的變化進(jìn)行研究[2-6]，以期為水泥改良土路基設(shè)計(jì)、施工及在季凍區(qū)推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，對(duì)地區(qū)道路凍害防治工作有所裨益。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.1 室內(nèi)基本物理性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)

以東北林業(yè)大學(xué)院內(nèi)路基土為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)、液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)、輕型擊實(shí)試驗(yàn)等，得到基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)

試樣制備：將土樣烘干、粉碎、過(guò)篩，按最優(yōu)含水率計(jì)算加蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?，塑料袋密封，放?4 h。制樣前，向土中按質(zhì)量百分比6%摻入水泥，攪拌均勻后按質(zhì)量—體積關(guān)系制樣，制件時(shí)間不超過(guò)水泥的初凝時(shí)間。試樣按100%的壓實(shí)度控制干密度，利用三瓣飽和器分3層擊實(shí)而成，然后用環(huán)刀取樣.為防止水分蒸發(fā)，將環(huán)刀所取試樣先用保鮮膜密封，然后單獨(dú)裝入塑料袋中，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7 d。

凍融循環(huán)試驗(yàn)：將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試樣在1 ℃恒溫環(huán)境中穩(wěn)定，然后放入凍融試驗(yàn)箱中進(jìn)行試驗(yàn)。前3組試樣在不同負(fù)溫(-3 ℃、-5 ℃、-7 ℃)下凍結(jié)12 h，然后室溫條件下融化12 h，此過(guò)程為一個(gè)凍融循環(huán)。負(fù)溫的設(shè)置依據(jù)哈爾濱季凍區(qū)研究文獻(xiàn)，當(dāng)?shù)乇頊囟冗_(dá)到-20～-30 ℃時(shí)，地下120～80 cm處路基土體溫度為-10 ℃左右[7-8]，因此選擇0～-10 ℃之間的3個(gè)凍結(jié)溫度。為研究溫度對(duì)路基土強(qiáng)度的影響程度，最后一組試樣在2014年1月初平均氣溫-20～-30 ℃室外自然溫度下凍結(jié)12 h，室溫條件下融化12 h。4組試樣凍融循環(huán)次數(shù)均為0、1、2、3、5、7、9次，取達(dá)到凍融循環(huán)次數(shù)的試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，剩余試樣繼續(xù)進(jìn)行凍融試驗(yàn)。

室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)：采用應(yīng)變控制式直剪儀,環(huán)刀直徑61.8 mm,高20 mm。每組試驗(yàn)取4個(gè)試樣，施加100、200、300、400 kPa 4種垂直壓力進(jìn)行剪切試驗(yàn)，剪切速度為0.8 mm/min，使試樣在3～5 min破壞,應(yīng)力無(wú)峰值時(shí),按規(guī)程破壞以位移變形量達(dá)到4 mm，即變形控制為15%時(shí)作為最大偏應(yīng)力。同時(shí)位移變形量為6 mm，即應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)停止試驗(yàn)，剪切破壞試樣見(jiàn)圖1。

圖1 直剪試驗(yàn)破壞試樣Fig.1 Shear failure samples

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)大量不同凍結(jié)溫度的凍融試驗(yàn)，得到不同凍融循環(huán)后的試樣，進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2～圖5。

圖2 -3 ℃下不同凍融循環(huán)次數(shù)后土的抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.2 Shear strength-vertical stress curve after different freeze-thaw cycles at -3 ℃

圖3 -5 ℃下不同凍融循環(huán)次數(shù)后土的抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.3 Shear strength-vertical stress curve after different freeze-thaw cycles at -5 ℃

圖4 -7 ℃下不同凍融循環(huán)次數(shù)后土的抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.4 Shear strength-vertical stress curve after different freeze-thaw cycles at -7 ℃

圖5 -20 ℃以下不同凍融循環(huán)次數(shù)后土的抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 Shear strength-vertical stress curve after different freeze-thaw cycles at -20～-30 ℃

由圖2～圖5可見(jiàn)，經(jīng)不同次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度變化規(guī)律基本一致：1次、2次、3次、5次循環(huán)后強(qiáng)度逐漸減??；第1次凍融循環(huán)后減小的幅度最大，可見(jiàn)第1個(gè)循環(huán)對(duì)土剪切強(qiáng)度的影響最大；2次、3次、5次后減小的幅度依次降低，7個(gè)循環(huán)后，正應(yīng)力相同情況下，剪切強(qiáng)度增大，但仍小于沒(méi)經(jīng)凍融循環(huán)的值，9個(gè)循環(huán)后，剪切強(qiáng)度又大幅度降低，遠(yuǎn)低于增大之前(即第5次循環(huán)后)的值。分析原因有兩個(gè)方面：①第7次凍融后，水泥改良土齡期正好14 d，隨齡期增加強(qiáng)度增大；②隨凍融循環(huán)的增加，水泥土呈現(xiàn)出一定的脆性特征，強(qiáng)度可能存在一個(gè)最高值(屈服值)，這個(gè)屈服值對(duì)應(yīng)某個(gè)凍融循環(huán)次數(shù)，超過(guò)此次數(shù)，改良土發(fā)生屈服破壞，結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，強(qiáng)度急劇衰減。

2.2 不同條件下黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ值變化

根據(jù)直剪試驗(yàn)，得到不同凍結(jié)溫度下經(jīng)不同凍融循環(huán)后強(qiáng)度指標(biāo)c值，見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，在0～5次循環(huán)中，黏聚力c值持續(xù)減小，但最初一個(gè)循環(huán)對(duì)c值影響最大，經(jīng)過(guò)3個(gè)循環(huán)后，降低幅度減小。凍結(jié)溫度越低，c值降低的幅度越大，以第1個(gè)循環(huán)為例，-3 ℃時(shí)，c值降低37.6%，-5 ℃、-7 ℃、-20 ℃以下降低分別為40.1%、46.6%和50.3%，可見(jiàn)凍結(jié)溫度越低，凍融循環(huán)作用導(dǎo)致c值衰減越快。

圖6 不同凍結(jié)溫度、不同循環(huán)次數(shù)后c值變化Fig.6 Changes of cohesion c after different freeze-thaw cycles under different freezing temperature

圖7 不同凍結(jié)溫度、不同循環(huán)次數(shù)后φ值變化Fig.7 Changes of the angle of internal friction φ (°)after different freeze-thaw cycles under different freezing temperatures

同時(shí)得到內(nèi)摩擦角φ值隨凍結(jié)溫度、凍融循環(huán)次數(shù)的變化，見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)，隨凍融次數(shù)的增加，φ呈減小-增大-減小-增大、總體呈上升平放的“S”型，且絕大部分試樣經(jīng)9次凍融后φ值超過(guò)初始值。這可能與已有研究[9-10]得出季節(jié)凍結(jié)和融化層的重要特征，即細(xì)粒土經(jīng)反復(fù)凍融循環(huán)作用后粉粒含量增高有關(guān)，增高的原因:①凍融循環(huán)作用使較大的顆粒逐步粉碎形成原生粉土顆粒;②由于正凍粘性土中黏粒和膠體顆粒經(jīng)受物理-化學(xué)作用發(fā)生凝聚形成次生粉土集合體。這與筆者[11]通過(guò)凍融后SEM圖片定量分析，得出凍融后土樣結(jié)構(gòu)單元體團(tuán)聚程度增加，且凍結(jié)溫度越低，團(tuán)聚程度越高，顆粒越粗大，內(nèi)摩擦角φ值越大結(jié)果相一致。凍結(jié)溫度越低，凍融過(guò)程中φ值減小的幅度越小，增大的幅度越大。因?yàn)檩^低的溫度有利于冷生結(jié)構(gòu)的變化，即有利于冰的形成和膠結(jié)作用，致使更多微細(xì)顆粒聚集在一起，結(jié)構(gòu)類型從絮凝狀逐漸向團(tuán)聚狀轉(zhuǎn)變，迭聚、團(tuán)聚、集合體增多。

3 結(jié) 論

凍融循環(huán)后水泥改良土強(qiáng)度逐漸減小，第1次凍融循環(huán)對(duì)路基土抗剪強(qiáng)度的影響最大。本次試驗(yàn)在第7個(gè)凍融循環(huán)后，水泥改良土強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)最

高值(屈服值)后驟然下降，低于發(fā)生破壞之前的值，所以水泥改良土設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮反復(fù)凍融循環(huán)對(duì)其壽命的影響。

最初一個(gè)凍融循環(huán)對(duì)c值影響最大，經(jīng)3個(gè)循環(huán)后，c值基本穩(wěn)定，另外凍結(jié)溫度越低凍融導(dǎo)致的c值衰減越快。

隨循環(huán)增加，內(nèi)摩擦角φ呈減小-增大-減小-增大的上升平放的“S”型，且絕大部分試樣經(jīng)9次凍融后φ值超過(guò)初始值。凍結(jié)溫度越低φ值減小的幅度越小，增大的幅度越大，可見(jiàn)較低的凍結(jié)溫度有利于冷生結(jié)構(gòu)的變化，使土的粉?；潭忍岣?。

[1]趙安平，王 清，李方慧，等.長(zhǎng)春地區(qū)公路路基土凍脹敏感性因素分析[J].黑龍江大學(xué)工程學(xué)報(bào)，2012，3(2)：12-16.

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[7]候創(chuàng)恩.凍融循環(huán)對(duì)路基土物理力學(xué)性質(zhì)影響的研究[D]．中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)：中國(guó)知網(wǎng)，2009．

[8]于元峰．季凍區(qū)公路路基土水分遷移室內(nèi)綜合試驗(yàn)研究[D]．中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)：中國(guó)知網(wǎng),2004．

[9]徐學(xué)祖,王家澄,張立新.凍土物理學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[10]周幼吾,邱國(guó)慶,程國(guó)棟,等.中國(guó)凍土[M].北京:科學(xué)出版社,2000.

[11]趙安平．季凍區(qū)路基凍脹的微觀機(jī)理研究[D]．中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)：中國(guó)知網(wǎng)，2008．

Tests on shear strength of cement improved soil under freeze-thaw cycles

ZHAO An-Ping1,2,TANG Ai-Ping1,SUN Jing2,YU Xue-Mei2

(1.College of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China; 2.College of Civil Engineering,Heilongjiang University,Harbin 150080,China)

In seasonal frozen soil zones, roadbed fillings undergo freeze-thaw action, which will make road surface boiling, settling, weakening strength and so on, these impact traffic deeply, and have to be resolved . Recently, cement improved soil is used to figure out frost problems for it can be obtained locally, it has high property and lower price. But strength loss of cement soil during several freeze-thaw cycles affects its further apply in theset areas. In the research, cement improved silty clay is chosen as the object, freeze-thaw cycle tests and direct shear tests are acted to study how do freeze-thaw cycles influence shear strength of the soil. From lab data, some results are got:①the first cycle has most influence on shear strength, especially on cohesionc,creduces quickly, and the lower temperature is helpful to reduce ofc.②shear strength of the cement soil appears brittle with freeze-thaw cycles add, and there happens a peak value after seven cycle, then it reduce rapidly. Maybe, during the seventh cycle, a brittle destroy has been happened in soil body.③internal friction angle is reducing - increasing-reducing- increasing during cycles within a small range,andφl(shuí)ows less and rises more when temperature is lower.

cement improved soil；freeze-thaw cycle；shear strength；cohesionc； internal friction angleφ

10.13524/j.2095-008x.2015.01.006

2014-11-16;

2014-12-15

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20150211.1452.009.html

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51108163)；黑龍江大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(Hdtd2010-13)；黑龍江大學(xué)青年基金項(xiàng)目(QL201125)

趙安平(1977-)，女，甘肅蘭州人，副教授，博士，研究方向：地質(zhì)工程、巖土工程及凍土工程，E-mail：zhaoap003@sohu.com。

P642.116

A

2095-008X(2015)01-0028-04