冻融作用对石灰土临界动应力影响的试验研究

李季宏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

冻融作用对石灰土临界动应力影响的试验研究

李季宏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

通过冻融循环前、后土的动三轴试验,对比分析了黏土与掺入 6%石灰后土的累积塑性变形在加载次数、外加动载值和冻融循环次数影响下的变化规律,得出了季节性冻土区修建高速铁路时,路基采用黏性土填料的石灰改良方案,即黏土中掺入 6%的石灰后可满足寒区高速铁路路基动强度的要求。

冻融循环;石灰土;临界动应力;路基填料

1 概述

在寒区道路工程中,路基填土常因冬季冻结、夏季融化而产生冻胀和融沉,且在车辆荷载反复作用下,路基会出现翻浆冒泥和沉陷等病害现象,严重影响行车安全[1]。一般因路基填筑时冻胀不敏感填料的缺乏,往往不得不就近选取土性较差的细颗粒土用做路基填料,为了减少冻害对道路工程的影响而满足工程技术标准要求,寒区道路工程设计中必须采取一定的工程措施。道路工程中采用石灰对土性较差的土质进行改良是常用的一种方法,其既简便又经济。石灰土的主要工作机理是通过石灰与土发生一系列的物理化学作用[2]：离子交换作用、结晶作用、火山灰作用、碳酸化作用,使土的性质发生根本的改变,从而降低土的塑性和提高土的力学性能,使土的承载力、固结特性和压实性得到显著改善。

由于季节的交替,寒区道路工程中不断往复的冻融作用会对路基填土的工程性质产生一定的影响。已见诸文献中,针对冻融循环作用下土物理力学性质方面的研究已进行了大量工作,但大部分研究主要集中在冻融循环作用下孔隙体积、孔隙率、微观结构、水传导性及渗透性等方面的变化[3～6],而就改良土力学特性研究的相关文献不多。Sauer等[7]人通过室内试验研究了不同灰剂量的冰渍石灰稳定土经历冻融循环后的动变形特性;Dempsey等[8]认为抗压强度是评价石灰土冻融耐久性的有效指标;Yarbasi等[9]对石灰、粉煤灰和水泥 3种改良土冻融循环后的抗压强度、加利福尼亚承载比、超声波和共振试验等参数对比,发现改良土具有良好的抗冻融耐久性。马巍[10]和徐实[11]通过冻融循环后石灰粉土剪切强度特性试验,表明反复冻融强烈影响着石灰粉土的强度和变形性能。

既有研究成果表明,生石灰可以有效的稳定路基、路面和提高土体承载力,而目前有关寒区高速铁路石灰改良土路基的研究报道较少。因此,本文通过冻融循环后黏土和石灰改良土的室内动三轴试验,对比分析了土的临界动应力变化特点,为季节冻土区高速铁路路基工程的设计、施工及冻害防治提供指导。

2 试验设计

2.1 试验材料

(1)土样的物理性质：土样取自哈大客运专线某土料堆填场,根据土的级配、液塑限及击实试验,将其定为黏性土质。其中粒径在 0.25～0.075mm的土颗粒含量占 17.5%,0.075～0.005m为 41.5%,其余为0.005mm以下,其主要的物理指标见表1。

表1 素土的物理指标

(2)试样制备：试验选用石灰掺和料进行改良。石灰为钙质生石灰粉,其消解后有效 CaO和MgO总含量为 65.2%,属三级灰。

试验中石灰的掺和率按质量百分比 6%控制。在试验时先将所需石灰加入土中初拌,再加入蒸馏水拌匀、密封,浸润 1昼夜后便可制样。根据试验测试结果,6%石灰土的最大干密度和最优含水量分别为1.73g/cm3、18.8%。试验中,黏土及石灰改良土的含水量均按最优含水量配制,干密度按最大干密度的95%压实;试样高度 H为 80mm,直径 D为 39.1mm。在进行试验前还应对制好的石灰土样进行 7 d的常温保湿养护。

2.2 试验方法

冻融作用即首先在低温箱内 -15℃条件下对土样冷却 12 h,然后在 5℃条件下养护 12 h,此过程为一个冻融循环周期,并且为防止冻融过程中土样水分损失,应对试样进行密封处理。在试样达到一定冻融循环周期次数后取出进行不固结不排水三轴试验。本试验中冻融循环周期次数分别为 0、1、3、6、10次,0表示试样未经受冻融作用。

三轴试验采用 MTS810动三轴仪,试验过程采用应力控制的单循环加载方式,围压采用 20 kPa,动荷载加载频率 f为 4Hz。

3 试验结果分析

3.1 冻融对黏土临界动应力的影响

图1中分别为未改良的黏土在不同冻融循环次数和动应力下的累积塑性应变 εp与振动次数 N的半对数 lgN的关系曲线。

由图1可看出,未改良的黏土经不同次数的冻融作用后,不同大小的动载作用下土的累积塑性变形曲线形式都基本相类似,且变形随加载次数的增加而逐渐增大,表明该黏性土以塑性破坏形式为主。

图1 素土的 εp-lgN曲线

由图1中的(a)可以看出,当外加动应力小于 190 kPa时,未受冻融作用的黏土累积塑性变形的增长梯度随加载次数的增加而逐渐减小。当外加动应力为 160 kPa且加载次数达到10000次左右时,累积塑性变形增长的梯度接近于 0,变形基本不再增加。因此,在未受冻融作用影响时,该黏性土的临界动应力约为 160kPa。

从图1中的(b)、(c)、(d)和(e)可以看出,在经过 1、3、6和 10次冻融循环后,黏土的临界动应力分别约为 100、80、60 kPa和 50 kPa,这表明其临界动应力随冻融循环次数的增加而逐渐减小。

3.2 冻融对石灰土临界动应力的影响

图2为石灰掺入率为 6%的石灰土在三轴试验过程中的累积塑性应变 εp与振动次数 N的半对数 lgN的关系曲线。由图2可以看出,黏性土经改良以后的力学性质得到明显改善,在较大动应力作用下改良土的塑性变形较小。当加载次数达到10000次时,300kPa的动应力作用下未经冻融的石灰土其塑性变形约为 3.0%;冻融 1次后,210 kPa的动应力作用下土的塑性变形约为 3.3%;冻融 3次后,160 kPa的动应力作用下土的塑性变形约为 2.0%;冻融 6次后,160 kPa的动应力作用下土的塑性变形约为 3.1%;冻融 10次后,180 kPa的动应力作用下土的塑性变形约为 4.6%。改良土经冻融 3次和 6次后,160 kPa的动应力作用 1万次左右时,土的塑性变形增长梯度较小,基本都处于临界动应力范围,由此可推断冻融 10次后改良土的临界动应力值也基本变化不大。

图2 6%的石灰改良土的 εp-lgN曲线

以上结果说明,该黏土中掺入 6%的石灰后由于石灰粉末、土颗粒和水之间发生了一系列的化学反应,增加了颗粒之间的相互黏结力,从而提高了土的抗冻耐久性;在反复冻融作用下颗粒之间的黏结力很快趋于平衡,从而达到稳定状态。

3.3 黏土改良前、后的临界动应力对比分析

根据以上结果,图3反应了黏土和 6%的石灰改良土临界动应力随冻融循环次数的变化趋势;其中0%代表黏土,6%代表掺入石灰的改良土。

图3表明,该黏土在采用掺入率为 6%的石灰改良后,在相同次数的冻融作用后土的临界动应力得到明显提高;并且在改良前、后土的临界动应力随冻融循环次数的增加呈降低趋势,但经 6次冻融循环后素土和改良土的临界动应力值降低幅度较小,基本都趋于稳定。

图3 改良前、后土的临界动应力随冻融次数的变化

在 10次冻融循环作用后,素土的临界动应力值为50 kPa,改良土的临界动应力值约为 160kPa。

4 结论

该类黏土中掺入 6%的石灰后,土的临界动应力得到明显提高;随冻融作用次数的增加,改良前、后土的临界动应力都呈降低趋势,但经 6次循环后临界动应力值基本都趋于稳定;该黏土中掺入 6%的石灰后可满足寒区高速铁路路基的动强度要求。

[1]陈肖柏,刘建坤,刘鸿绪,等.土的冻结作用与地基[M].北京：科学出版社,2006.

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U 213.1+4

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1004-2954(2010)07-0013-03

2010-05-10

铁道部科技研究开发计划项目(2006C011-B-2)

李季宏(1973—),男,高级工程师。