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《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》2016年第五期

摘要：

北方地區(qū)冬季結(jié)冰與春季融化引起土的凍脹和融沉問(wèn)題，弱化了土的抗壓性能。以研究凍融循環(huán)對(duì)固化鹽漬土抗壓性能的影響為目的，完成凍融前后鹽漬土、石灰固化鹽漬土、石灰+SH固化鹽漬土的抗壓試驗(yàn)。結(jié)果表明：鹽漬土、石灰固化土和石灰+SH固化土的抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增加而減小，石灰+SH固化土的抗壓強(qiáng)度均高于另2種土；凍融前后石灰固化土和石灰+SH固化土均為應(yīng)變軟化型，鹽漬土則由應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型。凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，石灰+SH固化土的抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加而減小，其應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)逐漸趨于平緩，土的脆性減弱。石灰+SH固化土具有相對(duì)較好的抗凍融性能，含水率是影響凍融后土的抗壓性能的首要因素。

關(guān)鍵詞：

土力學(xué)；凍融循環(huán)；抗壓強(qiáng)度；應(yīng)力–應(yīng)變；鹽漬土；含水率

1引言

北方濱海地區(qū)分布著大量的氯鹽漬土，因土中含有較多的吸附性鈉離子，在潮濕環(huán)境中易吸濕軟化，又由于冬季結(jié)冰和春季融化，引起鹽漬土的凍脹和融沉問(wèn)題。因此，研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)固化鹽漬土抗壓性能的影響，對(duì)北方濱海地區(qū)的道路工程建設(shè)具有重要意義。Z.H.Yang等[1-5]研究表明，凍融循環(huán)影響固化土的抗壓性能，但研究主要針對(duì)非鹽漬土，且多以石灰和水泥為固化材料。柴壽喜[6]利用石灰和SH固土劑固化濱海鹽漬土，提高了土的抗壓強(qiáng)度和抗變形性能，但未涉及凍融循環(huán)對(duì)石灰和SH固土劑固化鹽漬土的抗壓性能的影響。凍融循環(huán)次數(shù)和含水率是影響凍融后固化土抗壓性能的重要因素。M.Ghazavi等[7-9]分析得出，固化土的抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增加而降低，且前2次的抗壓強(qiáng)度降幅較大，隨后降幅減小；T.L.Wang等[10]發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)5～6次后，固化土抗壓強(qiáng)度降幅減小；M.M.Zaman和K.N.Naji[11]認(rèn)為，凍融循環(huán)8～12次后土的力學(xué)性能趨于穩(wěn)定。R.J.Jamshidi等[12-13]研究了凍融后不同含水率的固化土的抗壓性能，認(rèn)為固化土的抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加而減小。王鐵行等[14]發(fā)現(xiàn)，含水率較高時(shí)，凍融循環(huán)后土的黏聚力降幅較為明顯。據(jù)此，選取凍融循環(huán)次數(shù)和含水率為影響因素，完成了鹽漬土，石灰固化土、石灰+SH固化土凍融循環(huán)前、后的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，分析土的抗壓強(qiáng)度和應(yīng)力–應(yīng)變性能隨凍融循環(huán)次數(shù)與含水率的變化規(guī)律，評(píng)價(jià)凍融循環(huán)對(duì)土的抗壓性能的影響，為凍融條件下鹽漬土的固化提供理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。

2試驗(yàn)材料與條件

2.1試驗(yàn)材料鹽漬土取自天津?yàn)I海新區(qū)，塑性指數(shù)14，含鹽量2.64%。通過(guò)重型擊實(shí)試驗(yàn)，得到土的最大干密度1.84g/cm3，最優(yōu)含水率15.2%。將鹽漬土風(fēng)干、碾碎，過(guò)2mm篩；生石灰粉的有效鈣鎂成分為70%；SH固土劑(以下簡(jiǎn)稱(chēng)SH)為無(wú)毒水溶性液體狀的改性聚乙烯醇，分子量為20000左右，密度1.09g/cm3[15]。

2.2試樣制備試樣直徑61.8mm、高125mm，干密度1.65g/cm3，采用雙向靜力壓實(shí)法制備試樣。先將1/3質(zhì)量的土料裝入內(nèi)壁涂抹黏稠油脂的鋼質(zhì)模具內(nèi)，使用鋼柱上下同時(shí)靜力擠壓土料；然后將上擠壓面菱形刮毛，再裝入1/3土料，重復(fù)上述過(guò)程；最后倒入剩余的1/3土料，將試樣擠壓成形。靜置3min后，用千斤頂將試樣緩慢推出。將試樣置于溫度20℃濕度95%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱，養(yǎng)護(hù)21d，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)和抗壓試驗(yàn)。(1)鹽漬土試樣：含水率15%，將水加入鹽漬土中，均勻拌和后密封24h，制備試樣。(2)石灰固化土試樣：含水率15%，將水加入鹽漬土中，密封浸潤(rùn)24h；制樣前，將干土質(zhì)量6%的石灰加入土中，考慮石灰的硬化作用，計(jì)算所需水量，將石灰、土和水均勻拌和。(3)石灰+SH固化土試樣：選擇含水率15%，17%和19%，先將所需水量的2/3加入鹽漬土中，密封浸潤(rùn)24h；制樣前，將干土質(zhì)量0.6%的SH溶解于剩余的1/3水中，噴灑于鹽漬土表面，再加入石灰和水，均勻拌和。

2.3試驗(yàn)設(shè)備凍融試驗(yàn)箱為無(wú)錫市華南實(shí)驗(yàn)儀器有限公司制造的DR-2A凍融試驗(yàn)箱，溫度范圍－25℃～+70℃。無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)儀的鋼環(huán)系數(shù)為31.8N/(0.01mm)，試驗(yàn)速率1mm/min。以變形量0.2mm間隔計(jì)數(shù)一次。

2.4試驗(yàn)條件試驗(yàn)溫度：邴文山[16]研究表明，土的凍結(jié)溫度越低，融化后其強(qiáng)度降幅越顯著，當(dāng)凍結(jié)溫度低于－10℃，強(qiáng)度的降幅趨于穩(wěn)定。參考郭軍等[17]的研究成果，近年天津冬季夜間最低氣溫－19℃左右、春季平均氣溫18℃左右。據(jù)此，選擇凍結(jié)溫度為－20℃，融化溫度為20℃。凍結(jié)24h，融化24h為一次凍融循環(huán)。凍融循環(huán)次數(shù)：根據(jù)M.Ghazavi等[7-11]，試驗(yàn)凍融循環(huán)次數(shù)選為0，1，2，3，4，5，6，7，8，10次。含水率：試驗(yàn)中以2%的間隔設(shè)置3個(gè)不同初始含水率15%，17%和19%。但為保證石灰硬化作用充分進(jìn)行，還需加入石灰質(zhì)量20%～30%的水[18]。測(cè)試石灰固化土試樣養(yǎng)護(hù)21d的含水率為16%，石灰+SH固化土的含水率分別為16%，18%和20%。凍融循環(huán)試驗(yàn)之前，用雙層塑料薄膜包裹試樣，放入凍融試驗(yàn)箱。稱(chēng)取凍融循環(huán)前、后試樣的質(zhì)量，基本保持不變。說(shuō)明采用雙層塑料薄膜包裹試樣可避免凍融過(guò)程中水分的流失。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)土應(yīng)力–應(yīng)變和抗壓強(qiáng)度的影響圖1為不同凍融循環(huán)次數(shù)下，鹽漬土、6%石灰固化土和6%石灰+0.6%SH固化土的應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)。圖中FT表示凍融循環(huán)次數(shù)。由圖1(a)可知，凍融循環(huán)前，鹽漬土的應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增大；在應(yīng)變1.6%時(shí)，應(yīng)力達(dá)到峰值，隨后應(yīng)力下降，曲線(xiàn)為應(yīng)變軟化型，試樣呈脆性破壞。凍融循環(huán)后，隨應(yīng)變的增加，應(yīng)力未出現(xiàn)明顯的峰值，曲線(xiàn)呈應(yīng)變硬化型，試樣呈塑性破壞。由圖1(b)和(c)可知，隨應(yīng)變?cè)黾樱夜袒梁褪?SH固化土的應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)均出現(xiàn)明顯的峰值，曲線(xiàn)呈應(yīng)變軟化型，試樣呈脆性破壞。王大雁等[19-20]研究表明，凍融循環(huán)作用只改變固化土的峰值應(yīng)力，不改變其應(yīng)力–應(yīng)變的曲線(xiàn)形式，這與圖1(b)和(c)所示結(jié)果一致。取峰值軸向應(yīng)力作為試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，得到鹽漬土、6%石灰固化土和6%石灰+0.6%SH固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，如圖2所示。圖2顯示，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土的抗壓強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)。在不同凍融循環(huán)次數(shù)下，與前一次相比，鹽漬土抗壓強(qiáng)度的降幅分別為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別為27.0%，12.6%，8.8%，4.0%，5.0%，1.3%，0.9%，1.8%，0.9%；石灰+SH固化土的降幅分別為26.0%，11.8%，6.9%，1.2%，0.8%，0.8%，0.4%，0.8%，0.9%。凍融循環(huán)1次后，土的抗壓強(qiáng)度降幅最大；凍融循環(huán)2～4次，降幅減小；凍融循環(huán)5次后，降幅趨于穩(wěn)定。石灰+SH固化土的抗壓強(qiáng)度的降幅均小于鹽漬土和石灰固化土的。凍融循環(huán)10次后，鹽漬土抗壓強(qiáng)度的總降幅為80%，石灰固化土抗壓強(qiáng)度的總降幅為45.4%，石灰+SH固化土抗壓強(qiáng)度的總降幅為42%。在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，鹽漬土和石灰固化土的峰值應(yīng)變?yōu)?.6%；石灰+SH固化土的峰值應(yīng)變?yōu)?%，凍融循環(huán)后石灰+SH固化土的抗壓強(qiáng)度最大。由此表明摻加石灰和SH固土劑不僅提高了凍融后固化土的強(qiáng)度，還增強(qiáng)了固化土的抗變形性能。圖3(a)為鹽漬土、圖3(b)和(c)為石灰+SH固化土的SEM照片。對(duì)比圖3(a)，(b)可見(jiàn)，在土中加入石灰后，石灰的碳化作用對(duì)土顆粒具有明顯的膠結(jié)作用，部分限制了凍脹引起的土顆粒的移動(dòng)，減弱了凍融對(duì)土結(jié)構(gòu)的破壞。對(duì)比圖3(a)，(c)可見(jiàn)，加入SH固土劑后，固化土形成了一個(gè)富有彈性的絲網(wǎng)狀的空間結(jié)構(gòu)，主要是由SH固土劑主鏈上的羥基、羧基與土中的鈣、鎂、硅等離子發(fā)生絡(luò)合作用產(chǎn)生；同時(shí)膠膜包裹土顆粒，降低了結(jié)合水膜的厚度，提高了固化土的抗凍融性能。

3.2含水率對(duì)土應(yīng)力–應(yīng)變和抗壓強(qiáng)度的影響含水率的變化可改變固化土的結(jié)構(gòu)，使其力學(xué)性能發(fā)生變化[21]。在不同凍融循環(huán)次數(shù)、3個(gè)含水率條件下，6%石灰+0.6%SH固化土的應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，不同凍融循環(huán)次數(shù)下，6%石灰+0.6%的SH固化土的應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)變化趨勢(shì)大致相同。在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，含水率16%固化土的應(yīng)力出現(xiàn)明顯峰值，峰值后應(yīng)力降低；含水率18%固化土的應(yīng)力出現(xiàn)峰值，峰值后應(yīng)力降幅較含水率16%的小；含水率20%固化土在0～3次凍融循環(huán)后應(yīng)力出現(xiàn)明顯的峰值，在4次后峰值不顯著。在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，隨著含水率的增大，固化土的峰值應(yīng)力逐漸降低，峰值應(yīng)變呈增大趨勢(shì)。應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)的切線(xiàn)斜率逐漸減小，曲線(xiàn)逐漸趨于平緩，土的脆性逐漸減弱。圖5(a)～(c)分別為凍融循環(huán)10次，3個(gè)含水率的石灰+SH固化土的破壞形態(tài)。圖5(a)和(b)為脆性破壞，有明顯的破壞面，而圖5(c)呈鼓脹型，沒(méi)有形成完整的貫穿面，土的脆性減弱。圖4中的峰值應(yīng)力為試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗壓強(qiáng)度隨含水率變化曲線(xiàn)如圖6所示。由圖6可知，凍融循環(huán)前、后固化土的抗壓強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律大致相同。含水率從16%增至18%，抗壓強(qiáng)度的降幅隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大；含水率從18%增至20%，抗壓強(qiáng)度的降幅隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨含水率的增大而減小。原因在于含水率增大使土顆粒的孔隙水增多，冰體增大，結(jié)冰使土的體積膨脹量增大，導(dǎo)致土的抗壓強(qiáng)度降低。

3.3凍融循環(huán)次數(shù)和含水率對(duì)抗壓強(qiáng)度影響的綜合評(píng)價(jià)由表1可見(jiàn)，當(dāng)含水率由16%增至18%時(shí)，固化土的抗壓強(qiáng)度為含水率16%固化土抗壓強(qiáng)度的86%；經(jīng)歷7次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度僅為含水率16%固化土抗壓強(qiáng)度的33%。當(dāng)含水率由16%增大到20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為含水率16%固化土抗壓強(qiáng)度的44%；經(jīng)歷7次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度僅為含水率16%固化土抗壓強(qiáng)度的21%。因此，含水率對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度的影響程度大于凍融循環(huán)次數(shù)，這與毛雪松等[22]得出的結(jié)論基本一致。

4結(jié)論

(1)凍融循環(huán)后，鹽漬土、石灰固化土和石灰+SH固化土的抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。凍融循環(huán)1次，土的抗壓強(qiáng)度降幅最大；凍融循環(huán)2～4次，降幅減小；凍融循環(huán)5次后，降幅趨于穩(wěn)定。凍融循環(huán)10次后，與鹽漬土、石灰固化土相比，石灰+SH固化土的抗壓強(qiáng)度降幅最小，說(shuō)明石灰+SH固化土具有更好的抗凍融性能。(2)含水率相同時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，鹽漬土、石灰固化土和石灰+SH固化土應(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)的切線(xiàn)斜率逐漸降低。鹽漬土在凍融前為應(yīng)變軟化型，凍融后轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型，石灰固化土和石灰+SH固化土凍融前、后均為應(yīng)變軟化型。凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，隨含水率的增加，石灰+SH固化土的峰值應(yīng)力逐漸降低，峰值應(yīng)變?cè)龃螅瑧?yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)逐漸趨于平緩，土的脆性減弱。(3)比較抗壓強(qiáng)度變化系數(shù)，含水率對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度的影響程度大于凍融循環(huán)次數(shù)。因此，含水率是影響凍融循環(huán)后固化土抗壓性能的首要因素。

作者：方秋陽(yáng) 柴壽喜 李敏 魏麗 單位：天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院