凍融循環(huán)對改良軟粘土壓縮特性的影響

胡莫珍，談云志，吳 翩，楊愛武

(1.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津300384;2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌443002)

軟粘土是指濱海、湖沼、谷地、河灘沉積的細(xì)粒土，具有天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)時間長、靈敏度高、擾動性大、透水性差、土層層狀分布復(fù)雜、各層之間物理力學(xué)性質(zhì)相差較大等特點［1］。為此，國內(nèi)外許多學(xué)者通過摻加穩(wěn)定劑對不良土進(jìn)行改良，從而提高其強(qiáng)度等工程特性［2-8］。利用水泥等外添材料處治不良土，是目前最為普遍的方法。然而，大部分研究主要集中在改良機(jī)理和改良工藝上，注重現(xiàn)場施工時達(dá)到的改良效果［9］。換言之，人們將大部分注意力放在改良土的早期強(qiáng)度上，而對改良土后期強(qiáng)度演化過程的關(guān)注較少［10-12］，以至于在改良土的長期力學(xué)性能方面少有研究。實際工程中，我們不僅要關(guān)注工程初期的力學(xué)性能，更要關(guān)注其長期力學(xué)性能。

影響改良土長期力學(xué)性能的環(huán)境因素主要有干濕循環(huán)和凍融循環(huán)的作用［13-15］，考慮到北方地區(qū)凍融循環(huán)占主要影響，故本研究選取壓縮性作為評價指標(biāo)，開展凍融作用下改良軟粘土的力學(xué)性能研究，旨在為軟粘土地區(qū)的地基處理提供技術(shù)參考。

1 試樣與方法

1.1 試樣

試驗用土取于天津濱海軟粘土，試驗所用水泥為32.5 級普通硅酸鹽水泥，初凝時間約4 h，軟粘土基本物性如表1 所示，顆粒分析試驗結(jié)果如圖1 所示。

表1 軟粘土的基本物性指標(biāo)Tab.1 Basic properties of soft clay

制樣相關(guān)條件如下:

①試樣尺寸:試樣尺寸取S=30 cm2，H=1 cm 的環(huán)刀樣。

②制樣參數(shù):水泥摻灰比取15%，密度ρ=1.70 g/cm3，初始含水率w=25.0%、27.5%、30.0%、32.5%、35.0%，各初始含水率下的試樣分別制備4 個。

③制樣方法:使用自制模具及千斤頂，采用靜壓法制備環(huán)刀樣。凍融循環(huán)過程中，使用保鮮膜對試樣進(jìn)行密封，以減少水分蒸發(fā)。

1.2 試驗方法

針對上述試樣，對各種初始含水率下的試樣進(jìn)行不同凍融循環(huán)次數(shù)的凍融循環(huán)試驗，并對經(jīng)過凍融循環(huán)后的試樣開展壓縮試驗。凍融次數(shù)、凍融條件以及壓縮試驗考察指標(biāo)如下:

①凍融次數(shù)FT:每種初始含水率下的4 組試樣分別進(jìn)行0 次、3 次、6 次和10 次凍融循環(huán)。

②凍融條件:凍結(jié)溫度TF=-16 ℃，凍結(jié)時間t1=24 h，融化溫度TT=15 ℃，融解時間t2=12 h。

③壓縮試驗:參考公路土工試驗規(guī)程，對已備好試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，經(jīng)過預(yù)定次數(shù)的凍融循環(huán)后進(jìn)行壓縮試驗，并對土體的壓縮系數(shù)和壓縮模量損失率的變化規(guī)律進(jìn)行研究。

圖1 軟土顆粒分析曲線Fig.1 Particlesize distribution curve of soft clay

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 凍融作用對壓縮系數(shù)的影響

通過對各組試樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗和壓縮試驗，得到壓縮系數(shù)(單位為MPa-1)與凍融次數(shù)的關(guān)系如圖2 所示。

軟粘土在未改良前，其天然孔隙比e0高達(dá)1.12，屬于高壓縮性土。由圖2 可知，軟粘土在摻15%水泥后，其壓縮性能得到較大改善，所有試樣的壓縮系數(shù)α ＜0.25 MPa-1，均屬于中壓縮性土，初始含水率為25.0%的試樣土α≤0.1 MPa-1，為低壓縮性土。因此，15%水泥處治方案對此種軟粘土的壓縮性能有著較好的改良效果。

同時，每種初始含水率的試樣在歷經(jīng)10 次凍融循環(huán)作用后，其壓縮系數(shù)均出現(xiàn)一定幅度的增加。低含水率(25.0%、27.5%、30.0%、32.5%)的試樣在不同次數(shù)凍融循環(huán)作用下，壓縮系數(shù)呈現(xiàn)出較為平緩的增加趨勢，無明顯陡增陡減曲線出現(xiàn);而最大含水率達(dá)35.0%的試樣的壓縮系數(shù)對凍融循環(huán)次數(shù)的反映較為敏感，在0 ～3 次及6 ～10 次凍融循環(huán)過程中出現(xiàn)較大的增幅?？傊?，不論初始含水率如何變化，試樣在多次凍融循環(huán)效應(yīng)下，其壓縮系數(shù)均出現(xiàn)不同程度的增幅，壓縮性能逐漸劣化。

2.2 初始含水率對壓縮系數(shù)的影響

通過對試樣開展壓縮試驗，得到初始含水率與壓縮系數(shù)的關(guān)系如圖3 所示。

對于不同的土樣，壓縮系數(shù)通常都會在低于某個初始含水率時出現(xiàn)一個極小值(以下簡稱Wmin)，在高于此初始含水率直至飽和含水率的區(qū)間內(nèi)，試樣的含水率越大，其壓縮系數(shù)越大。在凍土融化壓縮試驗中，飽和程度和凍脹作用都會對土樣的壓縮系數(shù)產(chǎn)生影響，且這兩種因素對土樣的壓縮性能均產(chǎn)生減益效果。由圖3 可知，F(xiàn)T=0 時，土樣均未受到凍脹作用的影響，隨著含水率增大，其壓縮系數(shù)線性增加，說明土樣越接近飽和狀態(tài)，壓縮性能越差。

圖2 壓縮系數(shù)與凍融次數(shù)關(guān)系Fig.2 Compression coefficient vs freeze-thaw times

圖3 壓縮系數(shù)與初始含水率關(guān)系Fig.3 Compression coefficient vs initial water content

FT 為3、6、10 次時，壓縮系數(shù)在初始含水率25.0%～32.5%區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)線性增長趨勢，但在32.5%～35.0%區(qū)間內(nèi)壓縮系數(shù)出現(xiàn)跳躍性增加，增幅提升較明顯。因此，可以推測初始含水率w=32.5%為該類軟粘土的“臨界含水率”(以下簡稱Wmid)。

在不同的含水率區(qū)間內(nèi)，壓縮系數(shù)對初始含水率存在著不同的反映規(guī)律:

①當(dāng)初始含水率在(0，Wmin)區(qū)間時，此時的壓縮系數(shù)為該類軟粘土的極小值，飽和程度和凍融次數(shù)均不會對其造成較大的影響。

②當(dāng)初始含水率在(Wmin，Wmid)區(qū)間時，在相同的凍融次數(shù)下，壓縮系數(shù)隨著初始含水率的增加呈現(xiàn)線性增長，壓縮系數(shù)平緩上升，增幅較小。

③當(dāng)初始含水率在(Wmid，Wsat)區(qū)間時，在相同的凍融次數(shù)的條件下，壓縮系數(shù)對初始含水率變化的反映較為敏感，壓縮系數(shù)出現(xiàn)跳躍性增加狀態(tài)，增幅明顯提升，如表2 所示。

表2 壓縮系數(shù)的變化Tab.2 Changes of compression coefficient

2.3 壓縮模量損失率的變化規(guī)律

評價土體壓縮性指標(biāo)主要有壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)以及壓縮模量。為了研究此類改良軟粘土強(qiáng)度損失率變化，以壓縮模量這個強(qiáng)度指標(biāo)作為參考依據(jù)更具直觀性。壓縮模量損失率SN計算公式如下:

式中，N 為凍融循環(huán)次數(shù)(次)，EN為N 次凍融循環(huán)次數(shù)下的回彈模量(MPa)。

通過試驗測到得各初始含水率下經(jīng)凍融循環(huán)后試樣的回彈模量E0.1～0.2，將試驗數(shù)據(jù)代入式(1)，得到表3 結(jié)果。

由表3 可知，天然含水率試樣隨著凍融次數(shù)的增加，SN在凍融循環(huán)初期相對較大，而在凍融循環(huán)后期相對較小且基本保持不變，說明以此改良軟粘土作為地基材料的工程中，若該地區(qū)處于季凍區(qū)，則在工程竣工后0 ～6 a 時間內(nèi)其沉降量最大，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測力度。由表4 可知，隨著初始含水率增加，試樣壓縮模量的最終損失率會逐步增加，在w=35%時最大，SN=54.74%，明顯高于較低含水率32.5%下的SN=31.40%?？紤]到高含水率的土樣后期強(qiáng)度損失率較大，在實際地基處理工程中，使用此類改良軟粘土填筑時含水率應(yīng)盡量偏低，不宜超過32.5%。

表3 不同凍融次數(shù)下SN值Tab.3 Value of SNin different freeze-thaw times

表4 不同初始含水率下S10值Tab.4 Value of S10 with different initial water content

3 結(jié) 語

①本研究對試樣進(jìn)行多次凍融循環(huán)作用，研究了改良軟粘土的服役期后期強(qiáng)度，較對其短期強(qiáng)度的研究有所突破創(chuàng)新，對保持改良軟粘土地基填筑工程的長期穩(wěn)定性具有指導(dǎo)性。研究結(jié)果表明，隨凍融次數(shù)的增加，試樣壓縮系數(shù)增長越快，高含水率(35%)對凍融循環(huán)次數(shù)的反映更為敏感。

②飽和程度會對土樣的壓縮系數(shù)產(chǎn)生影響，且土樣越接近飽和狀態(tài)，其壓縮性能越差。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)相同且含水率高于臨界含水率32.5%時，試樣壓縮系數(shù)隨含水率增大呈跳躍性增加，增幅明顯提升。

③本研究創(chuàng)新性地提出壓縮模量損失率的概念，以其大小反映凍融次數(shù)的增加對壓縮性能的累積影響。隨著凍融次數(shù)的增加，含水率相同試樣的壓縮模量損失率SN在凍融循環(huán)初期相對較大，而在凍融循環(huán)后期相對較小且基本保持不變，且隨著初始含水率增加，試樣壓縮模量的最終損失率會逐步增加。

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