冻融循环对改良红粘土力学特性的影响研究

李建红

摘要：通过对不同冻融循环次数和不同水泥掺量条件下的红粘土开展无侧限抗压强度和直剪强度试验，分析了冻融循环作用对改良红粘土的无侧限抗压强度、应力应变关系、粘聚力的影响。研究结果表明：红粘土的无侧限抗压强度和粘聚力随冻融循环次数增加呈线性衰减；水泥红粘土的无侧限抗压强度随着水泥掺量的增加呈线性增长，水泥最佳掺量为20%左右；随着试验剪应力的增加，应力应变的关系曲线存在峰值，未冻融试件的应力峰值大小约为残余应力峰值的3倍。

关键词：改良红粘土；冻融循环；无侧限抗压强度；抗剪强度

中图分类号：U416.1文献标志码：B

Abstract： Tests on unconfined compressive strength and direct shear strength of red clay were conducted with different freezethaw cycles and cement content. The impacts of freezethaw cycle on unconfined compressive strength， stressstrain relationship and the cohesion of red clay were studied. The results show that both unconfined compressive strength and the cohesion attenuate linearly； unconfined compressive strength becomes stronger following the increase of cement content， of which the optimal value is 20%； there will be a peak on the stressstrain curve when the shear stress increases， and the peak value for specimens without freezethaw cycles is three times the value of residual stress.

Key words： red clay improvement； freezethaw cycle； unconfined compressive strength； shear strength

0引言

中国是一个季节性冻土分布极为广泛的国家，特别是在东北、西北、华北及内蒙古等地区。随着经济发展的需求，很多公路和铁路等工程必须穿越季节性冻土地区。在冻结区内，冬季气温急剧下降，公路或铁路的路基、路堤边坡、上部结构物等地表结冰，由于负温效应，填土冰点以下未冻结土壤中的水分持续不断地向冻结土移动，冻结成冰晶体，使路基填土产生较大的冻胀变形破坏。地表层冻结形成的冰晶体增强了土体的结构强度，但随着季节的变化，地表温度逐渐上升，冻结填土中的冰晶体逐渐融化成水，由于填土中孔隙水压力增加，有效应力减小，土体开始软化，结构强度降低，容易引起路基的坍塌沉陷和翻浆、边坡失稳垮塌、地基基础的不均匀沉降等工程问题。针对季节性冻土工程问题，技术人员通常采用水泥等无机材料对冻土进行改良[13]，然而如何评价水泥等改良材料对反复冻融土体的改良效果是工程技术人员较为关心的问题。本文将这个问题作为研究重点，为水泥等改良材料在冻土地区的推广和应用提供理论依据。

目前，对于水泥改良土在冻融循环作用下的力学特性研究不够深入，Janoo等采用冲击锤和锥贯入仪对冻融循环过程中水泥改良土的力学性质进行了现场监测，监测数据分析表明，路基上层土在冻融循环后强度降低50%。宁宝宽等[4]通过室内试验模拟了淤泥土和粘土在不同掺量和不同龄期下冻融循环后的无侧限抗压强度的劣化过程。王天亮等[5]通过室内三轴试验，研究了不同冻融循环次数、冷却温度、围压下水泥和石灰改土的抗剪强度指标和应力应变的变化关系。赵振亚等[6]则对掺加Ca（OH）2的水泥土进行冻融循环，然后测试无侧限抗压强度，认为Ca（OH）2能够改善水泥土的抗冻性。庞文台等[7]对比分析了冻融前后水泥土的无侧限抗压强度的变化关系。陈四利等[8]研究了冻融循环次数对水泥土的抗剪强度、抗压强度和渗透性的影响规律。以上研究均认为冻融循环作用能够使改良土各项力学性能指标得到不同程度的衰减。本文为了更进一步了解冻融循环对水泥红粘土的力学特性的影响，研究了不同水泥掺量的水泥红粘土在不同冻融循环次数下的无侧限抗压强度、应力应变关系及抗剪强度。

1试验方案及过程

1.1试验材料

试验用红粘土取自内蒙古呼和浩特地区，取土深度在大气影响深度以下2～3 m位置。将取土材料风干碾压后过2 mm筛，依据《公路土工试验规程》（JTC E40—2007）[9]，得到红粘土的基本物理性质，见表1。水泥采用普通硅酸盐P·O42.5水泥，其化学组成成分和主要技术指标见表2、3。

1.2试验过程

将红粘土烘干碾碎后过5 mm筛，分别在土样中掺入占总质量5%、10%、15%、20%、25%的普通硅酸盐水泥，搅拌均匀后，依据最佳含水率和路堤压实规范标准的要求，配制成初始含水率为173%、压实度为94%的水泥红粘土试件，试件的尺寸有直径为50 mm、高度为50 mm的圆柱体试件和直径为618 mm、高度为2 mm的环刀试件两种。土样中含水率是依据土的质量和最佳含水率计算得到的，试件压实是通过标准贯入仪施加静力荷载实现的。试件制作的时间不能超过初凝时间。

试件的养护龄期对冻融性能的影响可忽略不计，同时水泥水化作用可能会对冻融作用产生影响。本次试验的养护龄期统一为28 d，养护28 d后的第29 d开始对试件进行冻融循环试验。冻融循环的温度控制依据季节性冻土区的温度变化范围，冻结和融化温度分别为 -15 ℃和15 ℃，循环的周期为24 h，在-15 ℃下冻结12 h，然后在15 ℃下融化12 h。冻结时采用恒温冷冻箱进行控制，融化时采用恒温潮湿养护箱控制，冻融循环次数分别为0、3、6、9、12次。

分别在冻融循环的第0、3、6、9、12次后采用WDW微机控制电子式万能压力试验机，对冻融循环后的直径为50 mm、高度为50 mm的圆柱体试件进行无侧限抗压强度试验，得到应力应变曲线和抗压强度值。采用应变控制式直剪仪，对冻融循环后直径为61.8 mm、高度为2 mm的环刀试件进行直剪强度试验，得到抗剪强度参数。

2试验结果及分析

对水泥掺量分别为5%、10%、15%、20%、25%的红粘土试件进行冻融循环0、3、6、9、12次的无侧限抗压强度测试，得到的抗压强度数据见表4。图1为试件在冻融循环作用下破坏后的图像。

2.1冻融循环对无侧限抗压强度的影响

依据表4无侧限抗压强度的试验结果，绘制了不同水泥掺量下红粘土的无侧限抗压强度随冻融循环次数变化的关系曲线，如图2所示。从图2中可以明显地看出，冻融循环对水泥红粘土无侧限抗压强度有显著的衰减作用。在不同的水泥掺量下，水泥红粘土的无侧限抗压强度值随着冻融循环次数的增加而逐渐减小，但衰减有趋于稳定的趋势。曲线整体表现为两阶段变化：0～6次冻融循环，曲线的斜率较大，衰减的速率较大；6～12次冻融循环，曲线的斜率变小，衰减的速率逐渐减小。

图3为不同冻融循环次数下，水泥红粘土的无侧限抗压强度随着水泥掺量的变化曲线。从图中可看出，水泥掺量的增加能够有效减小冻融循环对红粘土无侧限抗压强度的影响。水泥红粘土的无侧限抗压强度随着水泥掺量的增加呈线性增长。随着冻融循环次数的增加，无侧限抗压强度随水泥掺量的变化曲线愈加密集。水泥掺量越少，无侧限抗压强度值越小，主要是因为水泥掺量过少，分散在土体中且没有形成连续的絮凝结构，结构整体性不强，所以抗压强度较低。

从无侧限抗压强度的损失率分析冻融循环的作用，以未循环的水泥红粘土的无侧限抗压强度为基数，分别换算出3、6、9、12次冻融循环后的强度损失率，无侧限抗压强度的损失率随冻融循环次数的变化曲线如图4所示。从图4中看出，水泥掺量越小，强度损失率越大，随冻融循环次数的增加，强度损失率逐渐减小。水泥掺量为5%的红粘土在12次冻融循环后，强度损失率高达80.73%，仅为021 MPa，基本上已经丧失了抗冻性。水泥掺量为10%的红粘土12次冻融循环后，强度损失率为4948%，强度损失近半。水泥掺量分别为15%、20%、25%的红粘土，对应的强度损失率分别为4436%、3299%、2967%。当水泥掺量超过20%时，强度损失率变化减小，这说明在本次试验条件下，从经济和改善效果的角度来分析，水泥掺量为20%最佳。

2.2冻融循环对应力应变的影响

为了解不同冻融循环次数下水泥红粘土的应力应变关系规律，选取水泥掺量为20%，水泥红粘土破坏过程中的应力应变关系曲线如图5所示。由图5可知，随着试验剪应力的增加，应力应变的关系曲线存在一个峰值，并且随着冻融循环作用次数的增加，峰值大小逐渐降低。应力应变关系曲线基本上呈应变软化型，应力达到峰值后，随着应变的增加，应力显著降低，试件大多呈脆性破坏。未冻融的试件的应力峰值约为冻融循环12次后的3倍。因此，冻融循环对水泥红粘土的应力应变变化的影响显著。

2.3冻融循环对粘聚力的影响

选取水泥掺量为20%的红粘土环刀试件进行抗剪强度试验，依据摩尔库伦定理得到不同冻融循环次数后土体的抗剪强度参数变化曲线，如图6所示。由图6可知，随冻融循环次数的增加，水泥红粘土粘聚力呈线性衰减（R2=0938 9）。曲线的衰减率随着冻融循环次数增加有减小的趋势。通过粘聚力和冻融循环次数的函数关系可以预测不同冻融循环次数作用土体的抗剪强度范围值。循环冻融的过程中，土体内部反复受冻胀应力的作用，使得土体结构产生疲劳损伤，随着冻融次数的增加，导致土体结构因损伤而产生微小裂纹，破坏了土体整体的结构性，表现为粘聚力下降。

3结语

（1） 冻融循环对水泥红粘土无侧限抗压强度的衰减作用显著。在不同的水泥掺量下，水泥红粘土的无侧限抗压强度值随冻融循环次数的增加而减小，并趋于稳定。曲线整体表现为两阶段变化。

（2） 水泥掺量的增加能够有效减小冻融循环对红粘土无侧限抗压强度的影响。水泥红粘土的无侧限抗压强度随着水泥掺量的增加呈线性增长。水泥掺量越小，强度损失率越大。随着冻融循环次数的增加，强度损失率逐渐减小。本次试验条件下，水泥最佳掺量为20%。

（3） 随着试验剪应力的增加，应力应变的关系曲线存在一个峰值，并且随着冻融循环作用次数的增加，峰值大小逐渐降低。未冻融试件的应力峰值约为残余应力峰值的3倍。

（4） 水泥红粘土的粘聚力随着冻融循环次数的增加呈线性衰减。通过线性关系可以预测不同冻融循环次数作用后土体的抗剪强度范围。

参考文献：

[1]潘湘辉，桂岚，李跃军.不同土壤固化剂对土质固化性能影响的对比试验研究[J].公路工程，2014，39（1）：5962.

[2]王天亮，刘建坤，田亚护.水泥及石灰改良土冻融循环后的动力特性研究[J].岩土工程学报，2010，32（11）：17331737.

[3]周丽萍，申向东，白忠强，等.外掺剂对冻融循环水泥土强度影响的试验研究[J].人民长江，2008，39（24）：7376.

[4]宁宝宽，陈四利，刘斌.冻融循环对水泥土力学性质影响的研究[J].低温建筑技术，2004（5）：1012.

[5]王天亮，刘建坤，田亚护.冻融作用下水泥及石灰改良土静力特性研究[J].岩土力学，2011，32（1）：193198.

[6]赵振亚，申向东，宋小园.水泥红粘土抗冻性的试验研究[J].硅酸盐通报，2012，31（3）：702705.

[7]庞文台，申向东.冻融循环对水泥土力学性能的影响[J].公路，2012（9）：3032.

[8]陈四利，史建军，于涛，等.冻融循环对水泥土力学特性的影响[J].应用基础与工程科学学报，2014，22（2）：343349.

[9]JTC E40—2007，公路土工试验规程[S].

[责任编辑：王玉玲]