冻融循环作用对碳酸盐渍土单轴抗压强度影响的试验研究

王文华，万　健

(长春工程学院土木工程学院，长春130012)



冻融循环作用对碳酸盐渍土单轴抗压强度影响的试验研究

王文华，万健

(长春工程学院土木工程学院，长春130012)

为研究冻融循环作用对碳酸盐渍土单轴无侧限抗压强度的影响，取吉林省长春市农安县的盐渍土为研究对象，对不同含水率及含盐量的试样进行冻融循环处理后，在常温下进行单轴无侧限抗压强度试验。试验结果表明：在经历0～10次冻融循环过程中，试样含水率越高，其抗压强度越低，且试样抗压强度均会大大衰减，在经历10次冻融循环之后，试样抗压强度下降较缓慢，慢慢趋于平稳甚至会略有增加。含水率较低时，试样含盐量越高，其抗压强度越低；含水率较高时，盐的影响并不是很明显。含盐量一定时，含水率对抗压强度的影响较大。可见，水分和盐分的含量都会对试验结果产生影响，且影响并不是单一的，而是彼此联系、相互制约的。

冻融循环；盐渍土；抗压强度；衰减

0　前言

盐渍土指的是不同程度的盐碱化土的统称。公路工程中将地表下1.0 m深度内土层中易溶盐平均含量大于0.3%的土定义为盐渍土。盐渍土主要分布于内陆干旱及半干旱地区，滨海地区也有分布[1]。吉林省农安县土壤盐碱化严重，由于土体中的易溶盐主要为碳酸氢钠，该地区盐渍土属于碳酸盐渍土类型。农安县属于典型的季节性冻土地区，土体受到反复冻融作用的影响，其理化、力学性质发生改变，影响到路基的工程特性。该地区土体冬季冻结，产生冻胀；春季融化，发生翻浆、断裂、鼓包等现象，对公路工程造成严重危害[2-3]，因此，对该地区盐渍土在冻融循环作用后抗压强度变化的研究意义重大。许多研究人员对冻融循环后土体强度特性

的变化进行过研究[4-12]，主要有3种结论：一种认为冻融循环会降低土体的强度[7-9]；一种认为冻融循环会增大土体的强度[10]；还有一种认为冻融循环并不会影响土体的强度[11]。出现这种差异是因为前人在进行这些研究时，所选用的土体的种类、性质、成分并不相同，试验的条件和方法也不相同，可见不同条件下的试验结果是存在差异的。本文以吉林省农安县碳酸盐渍土为研究对象，对不同含水率、含盐量的试样，在冻融循环后进行单轴无侧限抗压强度试验，研究多次冻融循环对盐渍土抗压强度的影响。

1　实验土样与实验方法

1.1实验土样

实验时所用的土为碳酸盐渍土，取自长春市农安县，取样点如图1所示，其主要性质见表1。

表1　实验土样基本物理化学性质

天然密度反映了土体固、液、气三相组成的质量和体积的比例关系，综合反映了土体的物质组成和结构特性。盐分的胶结作用会提高土体的强度，阳离子能使土粒的扩散层变厚，塑性指数就会随之增大，会对未冻水含量带来影响。

图1　取样点位置

1.2实验设备

实验使用的是微机控制可调温力学性能试验机和程序式高低温试验机。微机控制可调温力学性能试验机的温控范围为-20～60 ℃，调控精度为0.1 ℃，加载范围为0～100 kN，加载精度为1 N。试验时由计算机控制加载，计算机实时显示加载数据并生成曲线。程序式高低温试验机的温度调控范围为-40～120 ℃，调控精度为0.1 ℃。

1.3实验方法

试验目的是研究多次冻融循环条件下不同含水率及含盐量对土体单轴无侧限抗压强度的影响。在测定出天然含水率后，将试样的含水率配制成16%、20%、24% 3种。根据易溶盐总量，将试样的含盐量配制成0.95%、1.5%、2.0% 3种。各含水率试样均分别配制成3种不同含盐量试样(如图2所示)，共27个，每个不同试样再做2个平行对比样，共81个试样。根据冻融循环0次、3次、10次、20次、30次、40次、50次，总共567个试样。

试样制备时，先将风干的土样捣碎，过2 mm筛筛分，再将筛分后的土样按照设定好的含水率和含盐量进行配比，将配制好的土样用保鲜袋密封静置24 h，使土样中水分和盐分均匀分布。24 h后，称取每个试样所需的用土量，将其均匀击压到高7 cm，直径10 cm的圆形有机玻璃管内，制成高5 cm，直径10 cm的试样。成型后脱模并用保鲜膜包裹严实，防止水分及盐分的散失。

试验时将制备好的试样置于程序式高低温试验机中进行冻融循环，一个冻融循环周期为24 h，其中冻结(-20 ℃)时间为12 h，融化(25 ℃)时间为12 h。将冻融循环周期设置为0次、3次、10次、20次、30次、40次、50次。试样冻融循环完成后将其放入微机控制可调温力学性能试验机中，将温度设定为常温且恒定不变，将变形速率设定为1 mm/min且恒定不变，进行单轴无侧限抗压强度试验。试验过程中计算机会自动记录位移和荷载信息。

图2　试样试验设计图

2　试验结果

试验结果数据见表2和图3～8所示。

3　试验结果分析

3.1相同含盐量条件下不同含水率时冻融循环对抗压强度的影响

由图3中曲线的变化趋势可以看出，在含盐量同为0.95%时，试样含水率越高，其抗压强度越小。在经过冻融循环后，所有试样的抗压强度均随冻融循环次数的增加而减小。在10次冻融循环内抗压强度下降迅速，10次之后抗压强度下降缓慢，30次之后抗压强度变化不大。

图3　0.95%含盐量时不同含水率试样的抗压强度随冻融循环次数变化曲线

图4　1.5%含盐量时不同含水率试样的抗压强度随冻融循环次数变化曲线

图5　2.0%含盐量时不同含水率试样的抗压强度随冻融循环次数变化曲线

图6　16%含水率时不同含盐量试样的抗压强度随冻融循环次数变化曲线

图7　20%含水率时不同含盐量试样的抗压强度随冻融循环次数变化曲线

图8　24%含水率时不同含盐量试样的抗压强度随冻融循环次数变化曲线

试样的含水率越高，土颗粒间的水膜就越厚，土颗粒间的黏结力就越小，并且含水率越高盐结晶析出就越少，盐粒对土体的黏结作用就会降低，因此，试样的抗压强度就越小。试样的冻结过程是由表而内缓慢进行的，所以试样内会产生温度梯度，使得试样中心的未冻水向着试样外表迁移，盐也会随着水分一同迁移，在试样外表形成冰晶和盐结晶水合物，使得试样体积膨胀变大，致使土颗粒间的距离增大，使其位置发生相互错动，密实度降低，试样强度随之降低。试样在融化过程中同样会产生温度梯度，随着试样表面温度的升高，冰晶消失，结晶盐溶解，水分和盐分又会在温度梯度的作用下向着试样中心冷端迁移，导致土颗粒之间原有的支撑消失，形成孔隙，密实度降低，试样强度随之降低。试样在经过多次冻融循环后，土颗粒由于阻力或黏结等影响，并不能将产生的孔隙完全填充，因此，试样中的孔隙会越来越多，土体的密实度就会越来越小，导致试样抗压强度也就越来越小。

由图4中曲线的变化趋势可以看出，在含盐量同为1.5%时，所有试样的抗压强度的变化趋势与含盐量同为0.95%时的相同，只是试样的整体抗压强度有所降低。此时，试样中盐量的增加使得冻融循环过程中溶解在水中的易溶盐量增大，而以离子形式存在的易溶盐在土孔隙中不起骨架支撑的作用，冻融循环后试样中产生的孔隙将得不到支撑，密实度会降低，土体抗压强度就随之降低。

由图5中曲线的变化趋势可以看出，在含盐量同为2.0%时，所有试样的抗压强度均随冻融循环次数的增加而降低，但20%含水率的试样在冻融循环后的抗压强度会略大于16%含水率的试样，这点与之前两种含盐量的变化情况不同。冻融循环过程中，土颗粒在水、盐作用下会发生错位、移动，重新进行排列密实，水分在此过程中会起到润滑的作用。20%含水率的试样与16%含水率的试样相比，水分的润滑作用更加明显，土颗粒间重新排列得更紧密，密实度增大，提高抗压强度。

3.2相同含水率条件下不同含盐量时冻融循环对抗压强度的影响

由图6中曲线的变化趋势可以看出，在含水率同为16%时，试样含盐量越高，其抗压强度越小，在冻融循环后，所有试样的抗压强度均随冻融循环次数的增加而逐渐减小，在10次冻融循环内抗压强度下降迅速，10次之后抗压强度下降缓慢，30次之后抗压强度变化不大。冻融循环过程中，盐分主要起分散土颗粒和使土体体积膨胀的作用，16%含水率时，可溶解在水中的盐是一定的，当试样中盐的含量增大时，冻融循环后，由于盐的作用，使得含盐量越高的试样中产生的孔隙越多、土颗粒间距越大，密实度越低，抗压强度就越低。

由图7中曲线的变化趋势可以看出，在含水率同为20%时，冻融循环后，所有试样的抗压强度均随冻融循环次数的增加而逐渐减小，含盐量为2.0%的试样的抗压强度略高于其他含盐量的试样。盐分会以两种形式存在于土体中，一种是溶解在水中，降低土体强度；另一种是析出到土体中，在土体中起到骨架作用，增大土体强度。以骨架形式存在的盐中的一部分抵消盐溶液对土体的分散作用，另一部分增强土体强度。2.0%含盐量的试样中盐含量比其他试样多，盐分对增加土体强度作用较大，于是其抗压强度略大。

由图8中曲线的变化趋势可以看出，在含水率同为24%时，冻融循环后，所有试样的抗压强度均随冻融循环次数的增加而逐渐减小，各含盐量试样的抗压强度都很接近，并且在多次冻融循环后，抗压强度降低程度不大。盐对土体抗压强度的作用会因土中较高含水率的影响而削弱，此时水分的作用占主导地位，在冻结过程中，水冻结成冰，起到支撑作用；融化过程中，水分对土颗粒起到润滑作用，有利于土颗粒回落填补孔隙，密实度减小缓慢，土体抗压强度降低程度减小。

4　结语

本文以吉林省农安县碳酸盐渍土为研究对象，对不同含水率、含盐量的试样，在冻融循环后进行单轴无侧限抗压强度试验表明：

(1)经过多次冻融循环后，不同含水率、不同含盐量条件下的各试样的单轴无侧限抗压强度在0～10次冻融循环阶段内急剧下降，并且含水率越高，试样的抗压强度降低程度越小，在10次冻融循环之后变化不大，30次冻融循环周期内均随冻融循环周期的增加而减小，但在30次冻融循环周期之后，试样的抗压强度会出现增大的现象。

(2)经过多次冻融循环后，在含水率较低时，试样的单轴抗压强度随含盐量的增大而减小，在含水率较高时，含盐量变化时，试样的抗压强度变化的差别不大；在含盐量一定时，含水率越高，试样的抗压强度越低。

由此可以看出，土体在经过多次冻融循环作用后，抗压强度会大大降低，水分和盐分含量的不同都会对此产生较大影响，并且影响作用并不是单一的，而是彼此联系、相互制约。

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The Experimental Study on the Role of Freeze-thaw Cycles on Uniaxial Compressive Strength Influence in Carbonate Saline Soil

WANG Wen-hua，etc.

(SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

To study the effect of freeze-thaw cycles on uniaxial unconfined compressive strength influence in carbonate saline soil，taking the saline soil in Changchun，Jilin Province Nong’an as the study object，this paper makes a uniaxial unconfined compressive strength experiment to different water content and salt content samples after freeze-thaw cycling treatment.The experiment has been carried out at room temperature.The results show that：after 0-10 freeze-thaw cycles，the higher of the moisture content of the sample，the lower of the compressive strength，and the compressive strength of the sample has be greatly attenuated.After 10 freeze-thaw cycles，the compressive strength of the sample decreases more slowly，and slowly stabilizes and even increases slightly.When in low water content，the higher of salt content of the sample，the lower of the compressive strength；when in high water content，the impact of the salt is not very obvious.When in a certain amount of salt，the effect of moisture content on the compressive strength is greater.It is evident that water content and salt content will affect the test results，and the impact is not a single，but they are linked to each other，and mutual-restrained.

freeze-thaw cycle；saline soil；compressive strength；attenuation

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.002

2016-05-30

国家自然科学基金项目(41302247，41430642，41372267)

王文华(1974-)，女(汉)，黑龙江，教授

主要研究交通土建、地质工程。

TU448

A

1009-8984(2016)03-0006-04

博士点基金(20120061110054)

吉林省教育厅科技项目(吉教科合字2013第295号)