季凍區(qū)粉煤灰加固路基土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

程 卓，崔高航，高原昊，剛浩航，高澤寧，楊 政，張 鑫

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040；2.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，西安 710000； 3.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引 言

分布在中國(guó)東北松嫩平原大面積的季節(jié)性凍土，可溶性鹽含量較高(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)大于0.3%)，屬于鹽漬土[1]。在水分和溫度的影響下土中的鹽類(尤其是易溶性結(jié)晶鹽)會(huì)發(fā)生相態(tài)和數(shù)量的變化，使鹽漬土具有不穩(wěn)定的工程特性[2-3]。季凍區(qū)鹽漬土每年至少經(jīng)歷一次凍融循環(huán)[4]，甚至在達(dá)到連續(xù)的負(fù)溫度之前每天經(jīng)歷一次凍融循環(huán)[5]，在大溫差下經(jīng)歷反復(fù)凍融循環(huán)會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)改變[6-7]。此外，鹽漬土所含鹽分本身對(duì)道路路基和路面有一定的侵蝕性[1,8]。在季凍區(qū)施工時(shí)，直接使用鹽漬土作為基礎(chǔ)填充材料，可能會(huì)導(dǎo)致道路出現(xiàn)翻漿、融沉和不均勻沉降等問題。為保持季節(jié)性凍土地區(qū)工程建設(shè)的可持續(xù)性和工程耐久性，研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)鹽漬土強(qiáng)度的影響和鹽漬土性質(zhì)改良等方面具有重要工程意義。

已有研究表明，凍融循環(huán)會(huì)削弱土壤結(jié)構(gòu)，破壞土壤顆粒間的結(jié)合力，導(dǎo)致土壤顆粒重排[9]。Zhang等[10]、Xu等[11]、Wang等[12]研究表明,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角在整體上均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但內(nèi)摩擦角在變化過程中可能出現(xiàn)波動(dòng)。Wang等[12]研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對(duì)于不同含鹽量的鹽漬土強(qiáng)度影響不同。研究人員對(duì)凍融循環(huán)下不同類型土壤的微結(jié)構(gòu)特征開展大量研究[5,11-14]，結(jié)果表明：反復(fù)凍融循環(huán)顯著改變了土壤微觀結(jié)構(gòu)，從而影響土的工程性質(zhì)。

在對(duì)凍融循環(huán)條件下土體性質(zhì)進(jìn)行大量研究的同時(shí)，對(duì)應(yīng)用改性劑改良鹽漬土路用性能的研究也取得了重要進(jìn)展。Zhang等[15]研究表明,應(yīng)用改性劑改良后的鹽漬土強(qiáng)度大小和改性劑摻入量有著復(fù)雜的關(guān)系,用無機(jī)材料改良鹽漬土?xí)r，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定實(shí)際施工時(shí)改性劑的用量。Kamei等[16]和Lv等[17]分別使用再生藍(lán)晶石和石灰、粉煤灰對(duì)鹽漬土進(jìn)行改良，均得到了較好的效果。Bin-Shafique等[18]研究表明，經(jīng)凍融循環(huán)作用后，粉煤灰改良土強(qiáng)度至少比相同條件下的未改良土高三倍。目前，較多學(xué)者對(duì)鹽漬土特性、鹽分對(duì)土壤侵蝕作用和應(yīng)用改性劑改良鹽漬土特性進(jìn)行了研究，報(bào)道了改性劑種類、摻量及土體含水率等因素對(duì)鹽漬土強(qiáng)度的影響規(guī)律。但是，改良鹽漬土特性往往會(huì)受改性劑摻量、凍融循環(huán)次數(shù)、含水率等多因素影響，且各因素間存在一定的交互作用。目前，對(duì)于不同因素本身及其交互作用對(duì)改良鹽漬土強(qiáng)度影響情況的研究相對(duì)較少。

正在建設(shè)的綏化至大慶高速公路穿越鹽漬土場(chǎng)地，該地區(qū)屬季節(jié)性凍土區(qū)。當(dāng)?shù)囟緸?0月至次年3月，晝夜溫差較大，冬季氣溫長(zhǎng)期低于零攝氏度，冬季多降雪。當(dāng)?shù)氐穆坊钔灵L(zhǎng)期處于凍融條件下，此外，春季融雪會(huì)導(dǎo)致路基填土含水率提高，這樣周期性變化會(huì)破壞路基土原有土層結(jié)構(gòu)。因此考慮在路基土中適量摻加粉煤灰，以提高路基的強(qiáng)度和耐久性。相比其他鹽漬土改良方法，摻加粉煤灰改良鹽漬土在降低施工成本和施工技術(shù)難度的同時(shí)，可加快粉煤灰的綜合利用進(jìn)程。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用土

表1 土壤基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Soil physical parameters

表2 易溶鹽離子含量表Table 2 Soluble salt ion content

1.2 粉煤灰

綜合考慮不同等級(jí)粉煤灰在該標(biāo)段施工中的經(jīng)濟(jì)差異，結(jié)合采購(gòu)條件和施工單位要求，改良材料選用哈爾濱市依蘭地區(qū)粉煤灰廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，密度為2.1 g·cm-3，堆積密度為1.27 g·cm-3，燒失量為4.7，實(shí)驗(yàn)室測(cè)得具體化學(xué)分析見表3。

表3 粉煤灰性能指標(biāo)Table 3 Performance index of fly ash

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

響應(yīng)曲面法(RSM)通過對(duì)回歸方程尋求最優(yōu)條件參數(shù)，從而解決多變量問題[20-21]。響應(yīng)曲面方法的具體設(shè)計(jì)方法較多，本次試驗(yàn)采用Box-Behnken設(shè)計(jì)。Box-Behnken設(shè)計(jì)是一種擬合二階響應(yīng)面的三水平設(shè)計(jì)，使用時(shí)無需進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn)，且可以對(duì)非線性影響進(jìn)行評(píng)估[21]。Design-Expert 8.0是美國(guó)Stat-Ease公司開發(fā)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件，可對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、擬合曲線、建立模型，并且可以通過三維立體響應(yīng)曲面求得試驗(yàn)的最佳化。

凍融循環(huán)過程中，鹽漬土中鹽分主要通過結(jié)晶膨脹失水收縮以及遷移等[2-3]改變自身體積和位置，進(jìn)而影響土體微觀結(jié)構(gòu)，改變土體性質(zhì)。研究表明，與粉煤灰摻量、凍融循環(huán)次數(shù)和含水率各因素交互作用相比，鹽分含量與含水率交互作用、鹽分含量與粉煤灰摻量交互作用對(duì)該類鹽漬土的物理力學(xué)性能影響較小[2-4,14]。凍融過程中，含鹽情況相同的鹽漬土，幾乎不存在由于鹽分成分改變導(dǎo)致的土體力學(xué)性能變化[3,14]。試驗(yàn)土樣經(jīng)大量室內(nèi)試驗(yàn)所得含鹽情況如表2所述，不存在較大波動(dòng)，故試驗(yàn)中不考慮因鹽分變化導(dǎo)致的土體力學(xué)性質(zhì)改變及鹽分含量與其他因素的交互作用。因此，本試驗(yàn)假定粉煤灰摻量α(依據(jù)質(zhì)量百分比摻加)、凍融循環(huán)次數(shù)n、含水率ω分別為變量A、B、C，根據(jù)三變量三水平，使用Design-Expert 8.0的Box-Behnken響應(yīng)面進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)(見表4)?，F(xiàn)有研究表明，當(dāng)凍融次數(shù)為1～9次時(shí)，凍融循環(huán)作用對(duì)于該類土壤的強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)影響較為明顯[1,3]。為進(jìn)一步研究?jī)鋈谘h(huán)作用對(duì)該類鹽漬土的影響，增加凍融循環(huán)次數(shù)1、3、7、9、10，試驗(yàn)方案如表5所示，共計(jì)63組試件，每組試件包含三軸試樣4個(gè)和無側(cè)限抗壓試件3個(gè)。

表4 響應(yīng)面三因素三水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 4 Response surface three factors three levels test design

表5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 5 Test design

1.4 試樣制備

將收集到的天然鹽漬土風(fēng)干，碾碎后過2 mm篩。為保證各試件壓實(shí)度相同，通過擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得土樣干密度，見表6。照配比關(guān)系將粉煤灰和鹽漬土混勻，加入相應(yīng)質(zhì)量蒸餾水。將拌和后土樣標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)24 h后，使用液壓機(jī)將土樣按照95%壓實(shí)度靜壓成直徑39.1 mm、高80 mm三軸試件和直徑50 mm、高50 mm無側(cè)限抗壓試件[22]。將試件用密封袋包裹在潮濕環(huán)境中固化24 h后，放入低溫箱。

表6 試樣的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 6 Physical property index of sample

1.5 試驗(yàn)方法

參考中國(guó)天氣網(wǎng)數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)囟救臻g均溫度-4.3 ℃，夜間平均氣溫-13.9 ℃，選取-13.9 ℃作為試驗(yàn)凍結(jié)溫度。將密封嚴(yán)密的試樣置于-13.9 ℃低溫箱凍結(jié)6 h，后置于20 ℃恒溫箱融化6 h。

無側(cè)限抗壓試驗(yàn)方法依照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)在室溫(20 ℃)下進(jìn)行，試驗(yàn)儀器為長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的WDW-50型微機(jī)控制式電子試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)過程中，設(shè)定試件變形速率1 mm/min，軸向壓力和位移數(shù)據(jù)由儀器自動(dòng)記錄。

在實(shí)際工程中由于施工速度較快，土壤孔隙水很難完全排出，同時(shí)為避免三軸試驗(yàn)中固結(jié)過程對(duì)土體結(jié)構(gòu)擾動(dòng)，試驗(yàn)選擇采用不固結(jié)不排水試驗(yàn)(UU)。儀器為南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的TSZ-6型全自動(dòng)三軸儀。為減小環(huán)境溫度改變對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，控制三軸儀所處環(huán)境溫度20 ℃。設(shè)置土壤樣品的圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa，剪切應(yīng)變速率0.8 mm/min，試件無明顯破壞值時(shí)，采用應(yīng)變15%時(shí)的主應(yīng)力差作為破壞值。

2 結(jié)果和討論

2.1 凍融循環(huán)作用對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

2.1.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖1為含水率12%的不同粉煤灰摻量鹽漬土未經(jīng)凍融循環(huán)作用時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖1可知，在含水率一定條件下，摻加粉煤灰會(huì)提高土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，隨著摻量的增加土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。摻加10%粉煤灰的鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于摻加20%粉煤灰的鹽漬土。圖2為粉煤灰摻量10%的鹽漬土在不同含水率情況下未經(jīng)凍融循環(huán)作用的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖2可知在保證粉煤灰摻量不變的條件下，隨著含水率增加試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值不斷減小，含水率大的試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線更加平緩。

圖3為凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響曲線。由圖可知在粉煤灰摻量一定的情況下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷減小。凍融循環(huán)次數(shù)小于7次時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的降低明顯；凍融循環(huán)次數(shù)大于7次時(shí)，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度受凍融循環(huán)作用影響減小。摻加粉煤灰的鹽漬土在經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度優(yōu)于未摻加粉煤灰的鹽漬土。

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(ω=12%)Fig.1 Stress-strain curves (ω=12%)

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(α=10%)Fig.2 Stress-strain curves (α=10%)

圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度-凍融循環(huán)次數(shù)Fig.3 Unconfined compressive strength-freeze-thaw cycle curves

2.1.2 顯著性分析

利用最小二乘法回歸建立無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與不同變量的多元回歸方程如下：

q=11.26A-118.63B-45.51C-18.07AB- 0.58AC+32.56BC-43.87A2+ 50.82B2+40.78C2+278.08

(1)

式中：q為試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;A為粉煤灰摻量；B為凍融循環(huán)次數(shù)；C為含水率。該表達(dá)式R2=0.971 6,P<0.000 1,方程回歸性顯著，具有較好的擬合性。

各因素顯著性分析結(jié)果見表7。當(dāng)P值小于0.05時(shí)為顯著，F(xiàn)值越大該因素顯著性越大，下文所述顯著性分析均以此為判斷依據(jù)。當(dāng)考慮交互作用，粉煤灰摻量、含水率與凍融循環(huán)次數(shù)的交互作用對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響均為顯著，粉煤灰摻量與含水率交互作用不顯著。由表7可知，各因素及其交互作用對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的顯著性從大到小依次為：凍融循環(huán)次數(shù)B、含水率C、A×B、粉煤灰摻量A、B×C。

表7 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度回歸模型方差分析Table 7 Variance analysis of unconfined compressive strength regression model

2.1.3 各變量響應(yīng)面分析

根據(jù)回歸方程(1)，運(yùn)用Design-Expert 8.0軟件得到粉煤灰摻量、含水率、凍融循環(huán)次數(shù)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲面。使用Design-Expert 8.0軟件，根據(jù)該回歸方程(1)計(jì)算得到當(dāng)鹽漬土粉煤灰摻量為15%，含水率為12%，未經(jīng)凍融循環(huán)作用時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，選取該條件下的響應(yīng)面進(jìn)行分析。圖4為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度響應(yīng)面，當(dāng)含水率增加時(shí)鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出減小的變化趨勢(shì)?？赡苡捎诋?dāng)鹽漬土含水率增加時(shí)，顆粒間水膜加厚，潤(rùn)滑作用加強(qiáng)，因此顆粒間黏聚程度和摩擦力下降[23-24]，導(dǎo)致土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。由圖4(a)可知，在鹽漬土中摻加粉煤灰可以提高試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，隨著粉煤灰摻量的增加無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，其中摻加10%粉煤灰的鹽漬土強(qiáng)度高于摻加20%粉煤灰的鹽漬土。這是由于粉煤灰摻入鹽漬土中后，土體微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響?zhàn)ぞ哿εc內(nèi)摩擦角從而改變鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。根據(jù)圖3、圖4(b)、(c)可知，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度受凍融循環(huán)影響程度與凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān)。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加土體強(qiáng)度早期下降較快，后期變化較為平緩?？赡苡捎趦鋈谘h(huán)作用通過改變土壤骨架結(jié)構(gòu)改變土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角大小。

圖4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度響應(yīng)面Fig.4 Unconfined compressive strength response surface

2.2 凍融循環(huán)作用對(duì)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)摩爾-庫(kù)倫理論可以計(jì)算得到不同鹽漬土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角數(shù)值，圖5、圖6分別為不同粉煤灰摻量鹽漬土試樣經(jīng)歷凍融循環(huán)后黏聚力、內(nèi)摩擦角變化曲線。由圖5、圖6可知，粉煤灰摻量相同的鹽漬土，經(jīng)歷相同次數(shù)凍融循環(huán)時(shí)，鹽漬土黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率的增加而降低。含水率較高的鹽漬土內(nèi)摩擦角受凍融循環(huán)作用影響較為明顯，但不同含水率的鹽漬土黏聚力和內(nèi)摩擦角隨在凍融循環(huán)次條件下的變化規(guī)律大致相同。本文以含水率12%時(shí)鹽漬土試樣在凍融循環(huán)條件下，黏聚力內(nèi)摩擦角變化曲線為例，對(duì)凍融循環(huán)作用的影響進(jìn)行分析。

由圖5(a)可知，摻加粉煤灰可以提高鹽漬土黏聚力，粉煤灰摻量10%的鹽漬土黏聚力大于粉煤灰摻量20%的鹽漬土。不同粉煤灰摻量的鹽漬土試樣，在凍融循環(huán)過程中，黏聚力均呈現(xiàn)出先逐漸降低后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。在經(jīng)歷第1次和第3次凍融循環(huán)后，黏聚力下降明顯，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到7次時(shí)黏聚力趨于穩(wěn)定。土體經(jīng)歷第3次凍融循環(huán)后，黏聚力下降幅度最大，粉煤灰摻量為0%、10%、20%鹽漬土黏聚力分別下降8.05%、10.56%、10.48%。土體經(jīng)歷1～3次凍融循環(huán)，摻加粉煤灰的土體黏聚力下降幅度大于未摻加粉煤灰土體的黏聚力下降幅度；經(jīng)歷7次凍融循環(huán)后，摻加粉煤灰的土體相比于未摻加粉煤灰土體的黏聚力變化更加平穩(wěn)。圖6(a)表明鹽漬土的內(nèi)摩擦角會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的改變而改變。經(jīng)受相近次數(shù)的凍融循環(huán)作用，與黏聚力的變化情況相比內(nèi)摩擦角變化規(guī)律不明顯。經(jīng)歷0～7次凍融循環(huán)時(shí)，內(nèi)摩擦角隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加下降較快，經(jīng)過7次凍融循環(huán)后，內(nèi)摩擦角下降減緩，變化趨于穩(wěn)定。

圖5 黏聚力-凍融循環(huán)次數(shù)曲線Fig.5 Cohesion-freeze-thaw cycles curves

圖6 內(nèi)摩擦角-凍融循環(huán)次數(shù)曲線Fig.6 Internal friction angle-freeze-thaw cycles curves

2.2.2 黏聚力顯著性分析

利用最小二乘法回歸建立黏聚力(F)與不同變量的多元回歸方程如下:

F=-1.73A-15.06B-14.60C-0.49AB+0.2AC-5.05BC-2.65A2+ 11.50B2+1.79C2+85.51

(2)

該表達(dá)式R2=0.992 8,P<0.000 1，方程回歸性顯著，具有較好的擬合性。

根據(jù)表8黏聚力回歸模型方差分析以及上文所述判別方法，當(dāng)考慮交互作用時(shí)，含水率與凍融循環(huán)作用的交互作用對(duì)黏聚力影響顯著，粉煤灰摻量與含水率和凍融循環(huán)次數(shù)的交互作用對(duì)黏聚力的影響均為不顯著，粉煤灰摻量與含水率交互作用不顯著。各因素及其交互作用對(duì)黏聚力影響的顯著性從大到小依次為：凍融循環(huán)次數(shù)B、含水率C、B×C、粉煤灰摻量A。

表8 黏聚力回歸模型方差分析Table 8 Cohesion regression model analysis of variance

2.2.3 內(nèi)摩擦角顯著性分析

利用最小二乘法回歸建立黏聚力與不同變量的多元回歸方程如下：

φ=0.69A-2.88B-2.05C-0.078AB-1.12A2+1.93B2-0.23C2+18

(3)

式中:φ為試樣內(nèi)摩擦角。該表達(dá)式R2=0.971 6,P<0.000 1，方程回歸性顯著，具有較好的擬合性。

粉煤灰摻量，凍融循環(huán)次數(shù)，含水率的顯著性分析結(jié)果見表9。當(dāng)考慮交互作用，含水率、凍融循環(huán)作用、粉煤灰摻量彼此的交互作用對(duì)內(nèi)摩擦角影響均為不顯著。各因素及其交互作用對(duì)內(nèi)摩擦角的顯著性從大到小依次為：凍融循環(huán)次數(shù)B、含水率C、粉煤灰摻量A。

表9 內(nèi)摩擦角回歸模型方差分析Table 9 Internal friction angle regression model variance analysis

2.2.4 各變量響應(yīng)面分析

根據(jù)回歸方程(2)、(3)，運(yùn)用Design-Expert 8.0軟件得到粉煤灰摻量、含水率鹽漬土、凍融循環(huán)次數(shù)與黏聚力和內(nèi)摩擦角關(guān)系曲面。根據(jù)回歸方程(2)計(jì)算得到當(dāng)鹽漬土粉煤灰摻量為14.84%、含水率為12%、未經(jīng)凍融作用時(shí)黏聚力最大；根據(jù)回歸方程(3)計(jì)算得到當(dāng)鹽漬土粉煤灰摻量為15.17%、含水率為12%、未經(jīng)凍融時(shí)黏聚力最大，考慮Design-Expert 8.0分析得到的最優(yōu)條件為估計(jì)值與實(shí)際值可能存在差異[25]，同時(shí)為方便比較無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角的變化，因此選取粉煤灰摻量15%、含水率12%、未經(jīng)凍融循環(huán)條件下的鹽漬土試樣進(jìn)行分析。

圖7、圖8分別為黏聚力、內(nèi)摩擦角響應(yīng)曲面。由圖7(a)和圖8(a)可知，在鹽漬土中摻加粉煤灰可以提高黏聚力和內(nèi)摩擦角，隨著摻量的增加二者均呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)。經(jīng)凍融循環(huán)作用后，摻加粉煤灰土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角依舊高于未摻加粉煤灰土體的。粉煤灰粒徑遠(yuǎn)小于土顆粒粒徑，壓縮模量較大，具有活性[26]。在鹽漬土中摻入粉煤灰后，粉煤灰顆粒對(duì)于鹽漬土微觀孔隙有一定的填充作用。相關(guān)微觀試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加粉煤灰后土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，土體強(qiáng)度得到提高[27]。鹽漬土中摻入粉煤灰后，在土中水的作用下，Na2O和K2O迅速溶解，生成K+、Na+、OH-，另一方面CaO消解產(chǎn)生Ca(OH)2與Mg(OH)2生成二價(jià)鈣、鎂和氫氧根離子[28]。粉煤灰的加入可以降低鹽漬土中游離水含量，削減凍融作用對(duì)土體強(qiáng)度的影響。一定范圍內(nèi)摻加粉煤灰可以提高土體強(qiáng)度，當(dāng)粉煤灰摻入量超過一定限度時(shí)，外摻粉煤灰本身的力學(xué)性質(zhì)會(huì)對(duì)土體特性有較大的影響。粉煤灰本身性質(zhì)的表達(dá)可能會(huì)導(dǎo)致土體強(qiáng)度的下降[29]。

圖7 黏聚力響應(yīng)面Fig.7 Cohesion response surface

由圖5～6、圖7(b)、(c)和圖8(b)、(c)可知在凍融循環(huán)的過程中，初期黏聚力和內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)的增加降低明顯，均呈現(xiàn)出先逐漸降低后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。其原因是，在凍融循環(huán)過程中鹽漬土中的水會(huì)因溫度變化而發(fā)生相變，水結(jié)晶體積膨脹會(huì)擠壓土骨架，改變土骨架原有結(jié)構(gòu)[29]。在凍融循環(huán)過程中，鹽漬土中的硫酸鹽結(jié)晶體積發(fā)生膨脹[30-31]擠壓土骨架。研究表明第1次凍融循環(huán)過程導(dǎo)致水的體積膨脹和硫酸鈉的結(jié)晶膨脹較為明顯[30]。凍融循環(huán)使鹽漬土內(nèi)外存在溫差，凍結(jié)過程中，試樣中心未凍水向表面遷移，可溶性硫酸鈉隨水移動(dòng)。解凍過程中，鹽漬土表面的水和鹽就會(huì)轉(zhuǎn)移到樣品的中心[32]。凍融過程中水鹽遷移產(chǎn)生遷移力作用在土顆粒上，削弱土壤顆粒之間的結(jié)合力，導(dǎo)致黏聚力下降，內(nèi)摩擦角發(fā)生變化。土顆粒在遷移力、鹽結(jié)晶和水結(jié)晶的擠壓作用下重新排列，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土顆粒逐漸形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，凍融循環(huán)對(duì)結(jié)合力和內(nèi)摩擦角的影響逐漸減小。

由圖7～8可知，隨著含水率的增加黏聚力和內(nèi)摩擦角不斷減低，結(jié)合圖5～6，經(jīng)歷相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用時(shí)，含水率高的試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角變化更加明顯，其中內(nèi)摩擦角變化曲線波動(dòng)性更大。其原因是含水量的增減會(huì)改變土壤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。含水量較小時(shí)，土體內(nèi)部自由水的比例很小，土顆粒周圍的結(jié)合水膜厚度較薄[24]，土體聯(lián)結(jié)牢固，土體強(qiáng)度較大。隨著含水率增加，土粒表面結(jié)合水膜變厚，水膜潤(rùn)滑作用加強(qiáng)，土粒間阻力減小，土體變軟[23]，土體宏觀力學(xué)指標(biāo)下降。凍結(jié)過程中，土體孔隙內(nèi)水分凍結(jié)，體積膨脹，在土粒的約束下產(chǎn)生膨脹力，凍脹力超過一定限度值會(huì)破壞土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用。當(dāng)土體含水率較高時(shí)，土顆粒間自由水比例較大，凍融過程中產(chǎn)生的凍脹力和遷移力隨之增大，土顆粒受到凍融循環(huán)影響增大。宏觀表現(xiàn)為含水率較高的土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角受凍融循環(huán)作用影響更大。

3 結(jié) 論

(1)無側(cè)限壓縮條件下，不同粉煤灰摻量的鹽漬土均處于應(yīng)變軟化狀態(tài)。摻加粉煤灰可以提高鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，且強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加先增后減。摻加粉煤灰的鹽漬土，經(jīng)歷凍融作用后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度優(yōu)于未摻加粉煤灰的鹽漬土。

(2)凍融循環(huán)會(huì)導(dǎo)致鹽漬土強(qiáng)度降低，經(jīng)歷1～7次凍融循環(huán)時(shí)強(qiáng)度下降速率較快，凍融次數(shù)大于7時(shí)，鹽漬土強(qiáng)度下降速率減緩逐漸趨于穩(wěn)定。含水率較高的鹽漬土黏聚力和內(nèi)摩擦角受凍融循環(huán)作用影響大于含水率低的鹽漬土。鹽漬土試樣含水率越高，在凍融循環(huán)過程中內(nèi)摩擦角波動(dòng)性越明顯。

(3)基于顯著性分析理論，凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)鹽漬土的力學(xué)性質(zhì)影響較為顯著，粉煤灰摻量顯著性較弱。凍融循環(huán)次數(shù)與含水率的交互作用對(duì)鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和黏聚力的影響比較明顯；粉煤灰摻量與凍融循環(huán)次數(shù)的交互作用僅對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響較明顯。凍融循環(huán)條件下，對(duì)鹽漬土力學(xué)性能改良時(shí)，需綜合考慮各因素交互作用。

(4)該類型鹽漬土可以按照其質(zhì)量的10%～20%摻加粉煤灰，對(duì)土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角數(shù)值提升效果較好；含水率也會(huì)對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)有一定影響。為提高路基強(qiáng)度和抗凍融性、增加道路使用壽命，根據(jù)回歸方程計(jì)算分析，建議該類型路基施工過程中在路基土中摻加15%粉煤灰，做好路基排水工作以降低路基含水率水平，并將經(jīng)歷7次凍融循環(huán)后壓實(shí)鹽漬土的力學(xué)指標(biāo)作為工程設(shè)計(jì)參考值。