多因素影响下石灰固化盐渍土抗剪性能的试验研究

吕前辉，柴寿喜，李 敏

(1. 天津城建大学地质与测绘学院，天津 300384；2.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384；3.河北工业大学土木工程学院，天津 300401)

多因素影响下石灰固化盐渍土抗剪性能的试验研究

吕前辉1，柴寿喜2，李 敏3

(1. 天津城建大学地质与测绘学院，天津 300384；2.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384；3.河北工业大学土木工程学院，天津 300401)

北方地区季节性的冻融作用影响固化土的强度及变形特性。以冻融次数、含盐量、改性聚乙烯醇掺量(SH固土剂)、石灰掺量、养护龄期及干密度为影响因素，经正交试验设计及三轴UU压缩试验，获取固化盐渍土冻融后的抗剪强度及应力-应变性能。试验表明：试样冻融后的抗剪强度与改性聚乙烯醇掺量、石灰掺量、养护龄期和干密度呈正相关，与含盐量呈负相关；干密度和含盐量为影响固化盐渍土的黏聚力和内摩擦角的主要影响因素，冻融后土的抗剪强度逐渐降低，但抗变形能力逐渐增强，试样呈“鼓”型或弱脆性破坏；抗冻融效果最好的条件为：0.9%改性聚乙烯醇掺量与14%石灰掺量、干密度1.70 g/cm3、养护28 d、含盐量1%和冻融循环3次。

固化土；抗剪强度；冻融作用；盐渍土；应力-应变

《岩土工程勘察规范(GB 50021—2001)》规定：“岩土中易溶盐含量大于0.3%，并具有溶陷、盐胀、腐蚀等工程特性时应判断为盐渍土”[1]。渤海湾西岸的盐渍土地下水位埋藏较浅，含盐量多为1%～3%，最高达5%，含盐类型主要为氯盐。冻结融化作用使土的力学强度显著下降，以固化土填筑路堤时，冻融作用将直接影响公路质量及行车安全。

国内外学者对冻融后固化土的物理力学性能开展了广泛研究。邴慧等[2]提出土体遭遇周期性的冻融循环时，变形具有不可累加性；多次冻融后土样上部形成上层积水，盐分除随水分发生对流迁移外，也产生以浓度梯度为驱动力的扩散迁移效应；冻土段由于冰晶和结晶盐的生成与消融，增大了土颗粒的间隙。肖东辉等[3]证实在季节冻土区，周期性的冻融作用改变土体的内部结构，导致土体的渗透性能发生变化。Yarbasi等[4]对石灰、粉煤灰和水泥3种改良土冻融后的抗压强度、承载比和核磁共振试验参数对比，认为三者联合固化改良土抗冻融性能较好。廖晓兰等[5]通过丙烯酰胺(AM)原位聚合试验对盐渍土进行改良，探讨固化条件对其力学性能与耐水性能的影响，结果表明AM聚合固化后试样的抗折强度和抗压强度较传统材料强度大幅提高，加固后试样的耐水性能和收缩率也都得到明显改善。师华强等[6]研究表明，冻融循环作用改变了黄土的粒径分布，随着冻融循环次数的增加，土体中细颗粒不断增加，土体孔隙比变大；冻融循环作用使土的压缩系数增大，压缩模量减小。王沛等[7]对盐渍土、石灰、粉煤灰和SH固土剂单独及联合固化土进行研究，均得出滨海盐渍土经综合固化后，表现出良好的水稳性。柴寿喜[8]研究揭示，石灰固化盐渍土后，其盐分仍以离子或盐粒的形式存在，盐渍土还将吸收水分；再添加SH固土剂，使其包裹盐颗粒和土颗粒，达到增强土的结构联接性能的目的。上述试验研究表明，冻融循环作用影响土体的强度和性能。

本文以固化滨海盐渍土为研究对象，选取冻融次数变化为主线，以氯盐含量、改性聚乙烯醇掺量、石灰掺量、养护龄期及干密度为影响因素，进行正交试验设计，开展三轴UU压缩试验，分析冻融后固化土的黏聚力、内摩擦角及应力-应变关系的变化规律，为路基工程应用提供理论支持。

1 试样制备与试验条件

1.1试验材料

盐渍土取自天津滨海新区，为精确设计含盐量，预先进行粉碎、过2 mm筛、去除杂质和洗盐处理。对粉碎后的天然盐渍土进行洗盐处理时，按5∶1的水土比将盐渍土浸入水中，使其逐步脱盐。用自来水洗盐6次，蒸馏水洗盐3次，使用DDSJ-308A型电导率仪测试每一次清洗悬液的电导率，测试时的温度为20 ℃，当测试数值小于1 000 μS/cm，即为素土料。烘干、碾碎、过2 mm筛，备用。经重型击实、液塑限与电导率测试，获取土料的各指标，见表1。

表1 洗盐后土料的基本物理性质指标

掺入盐分类型为氯盐，NaCl含量大于95%。石灰有效钙镁含量为56.2%，符合三级石灰标准。

改性聚乙烯醇(SH固土剂)是兰州大学开发的高分子改性固化材料，为透明的无色液体，黏度低、凝胶时间易控制，固化后的物理力学性能良好，固体含量为6%，密度为1.09 g/cm3。

1.2试验设备

采用华南试验仪器有限公司的DR-2A型冻融试验箱，温度可控范围-25～70 ℃。

使用南京土壤仪器厂生产的SLB-1型三轴剪切渗透仪，量力环系数3.18×102N/mm，应变速度0.828 mm/min。以0.1 mm变形量为间隔，读取轴向和钢环变量。

1.3试验条件控制

近年天津冬季夜间最低气温约-19 ℃、春季平均气温18 ℃左右[9]。设定冻融温度为±20 ℃，冻结24 h、融化24 h为一次冻融循环。为保持初始含水率，以保鲜膜密封试样，放入冻融试验箱，称取冻融前后试样质量基本不变。

每组4个试样，分别进行100，200，300，400 kPa围压的UU压缩试验。当读数出现峰值或稳定后，继续3%～5%的轴向应变即停止试验；若读数无明显减小，则设定剪切至轴向应变量的15%～20%时停止试验。

1.4试验参数设定

结合表1中的素土指标，取含水率15%。现场分区取样20组，经残渣烘干测试，含盐量多为1%～3%，个别为5%，所以按1%、3%、5%、7%和9%(干土质量百分比)的含盐量配制人工盐渍土。将盐溶于定量水中，再均匀拌和在土料中。密封闷料24 h，以备制样。

根据已有试验结论[7，10～11]，综合分析，选定石灰掺量6%、8%、10%、12%和14%；改性聚乙烯醇掺量0.7%、0.8%、0.9%、1.0%和1.2%；以上均为干土质量的百分比。干密度1.50，1.55，1.60，1.65，1.70 g/cm3；养护龄期7，14，21，28，35 d；设为各因素水平。

方秋阳等[11]经试验表明，各固化土的抗压强度，均随冻融循环次数的增加而减小。冻融循环1次，土的抗压强度降幅最大；冻融循环2～4次，降幅减小；冻融循环5次后，降幅趋于稳定。冻融循环10次后，与盐渍土、石灰固化土相比，石灰+改性聚乙烯醇固化土的抗压强度降幅最小，说明石灰+改性聚乙烯醇固化土抗冻融性能较好。Bing等[12]通过对冻融后盐渍土的物理和力学性质研究，表明6次冻融后，土的性质达到稳定。王海涛等[13]对不同类型的盐渍土进行了9次冻融，表明抗剪参数随冻融次数的增加而减小，但φ值降低趋势较平缓。Liu等[14]和吕擎峰等[15]得出结论，7～10次冻融后土的物理力学参数趋于稳定。据此，设定冻融循环为1，3，5，7和9次。各因素水平见表2。

表2 因素与水平表

1.5试样制备与养护

试样直径61.8 mm，高125 mm，依据土工试验规范，采用双向静力压实法制样。先将1/3质量的土料装入内壁涂抹油脂的模具内压实；然后将上表面菱形刮毛，再装入1/3土料，重复上述过程，试样制备成型。静置3 min后，用千斤顶将试样缓慢推出。在恒温20 ℃恒湿95%的养护箱中，养护至预设龄期时，进行冻融试验和三轴UU压缩试验。

2 试验结果与分析

2.1试验结果

根据表2，六因素五水平的因素水平表，选取L25(56)型正交设计方案。经三轴UU压缩试验，获取抗剪指标Cu、φu值。试验设计方案见表3。

表3 L25(56)正交设计和Cu、φu值

由表3可知，耦合因素下抗剪参数的最大值：Cu=208.2 kPa；φu=38.56°，此时冻融循环次数为3次，改性聚乙烯醇掺量为0.9%，含盐量为1%，干密度为1.70 g/cm3，石灰掺量为14%和养护龄期为28 d。

2.2极差分析

2.2.1黏聚力的极差分析

黏聚力的极差分析结果，见表4和图1。

表4 黏聚力的极差分析结果

注:ki为各因素相应水平的平均值，如k1为各因素第1水平的平均值；R为极差。

按照黏聚力极差R的大小，对影响因素排序为：F5(干密度)gt;A4(养护龄期)gt;C5(石灰掺量)gt;D5(改性聚乙烯醇掺量)gt;E1(含盐量)gt;B2(冻融作用)，即在耦合因素作用下，干密度为影响Cu值的首要因素，随干密度的增加，Cu值呈递增状态。与直观分析(F5A4C5D3E5B2)对比，除改性聚乙烯醇掺量，其它5个因素均为同一梯度水平最大。

由表4和图1可知，试样的Cu值随干密度、石灰和改性聚乙烯醇掺量的增加而递增，随含盐量的增加而递减。当含盐量为9%时，试样的Cu值略有上升，说明饱和盐渍土中的盐分结晶体起到骨架作用，增强了试样的抗剪强度。

随养护龄期的增加，Cu值先增大后减小。养护28 d与21 d相比增幅达102.7%，养护龄期35 d与28 d相比下降26.1%，说明养护龄期21～28 d内固化作用已经完成，但冻融的进一步影响，使试样的抗剪强度呈降低趋势。故含盐量1%～9%的固化盐渍土，28 d为最适宜养护龄期。

图1 黏聚力的极差分析曲线图Fig.1 Cohesion based on the range analysis

单从图1冻融作用的曲线分析，冻融3次时，Cu值较冻融1次时略有增大；而第3次到第9次冻融后，Cu值逐渐降低。前者原因可归结为冻融次数的增加和水的冻结，使水中可溶盐浓度增加，造成盐结晶析出，增强了盐渍土的结构强度，使其黏聚力增加；后者则是因为多次冻融使盐和水的相态多次变化，水分向试样的冷端运移，造成水盐分布不均匀，进而影响了试样的黏聚力。

2.2.2内摩擦角的极差分析

内摩擦角的极差分析见表5和图2。

按内摩擦角极差R的大小，对影响因素排序为：E1(含盐量)gt;D3(改性聚乙烯醇掺量)gt;C5(石灰掺量)gt;F5(干密度)gt;B2(冻融作用)gt;A4(养护龄期)。表明在耦合因素作用下，盐分是影响φu值的首要因素，随含盐量的增加，φu值呈递减状态。与直观分析(E1D3C5F5B2A4)对比，各因素均为同一梯度水平时，试样内摩擦角处于最佳状态。

表5 内摩擦角的极差分析结果

注:ki为各因素相应水平的平均值；R为极差。

图2 内摩擦角的极差分析曲线图Fig.2 Internal friction angle based on the range analysis

结合表5和图2可知，改性聚乙烯醇掺量为0.9%时曲线达峰值。结合图1曲线分析，含量由0.8%增至0.9%时，曲线增幅达27%；在0.9%～1.2%范围内，曲线略有波动，但增幅较小。从工程经济角度并结合直观综合分析，0.9%为改性聚乙烯醇最适宜掺量。

图2表明，试样的φu值随干密度和石灰掺量的增加而递增；随养护龄期的增加，φu值与Cu值曲线趋势相似，综合分析，同取28 d为最适宜养护龄期。

单次冻融后，试样φu值增大，表明冻融前期固体颗粒之间滑动摩擦的增量大于固体颗粒之间咬合摩擦的减少量。因此，固体颗粒间的滑动摩擦对内摩擦角的影响程度大于固体颗粒间的咬合摩擦。冻融3次后，φu值曲线急速下降，冻融5～9次后，数值趋于平缓变化，这与冻胀和盐胀的双重作用降低土的密实度且其降低程度具有累加性密切相关。

综合单一及耦合因素下的直观分析、极差数据和曲线分析，以冻融3次，含盐量1%，改性聚乙烯醇掺量0.9%，石灰掺量14%，养护龄期28 d和干密度1.70 g/cm3为冻融固化盐渍土最适宜的设计方案。

2.3应力-应变性能分析

2.3.1干密度影响下的应力分析

干密度和含盐量为影响试样抗剪强度的主要因素，抗剪强度随干密度的增大而增强。以围压100 kPa为参照，含盐量及干密度变化下的应力-应变曲线见图3。

图3 干密度影响下盐渍土的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of the saline soil with the dry density

随干密度的增加，单位体积内固体颗粒的含量增加，密实度增大，试样的黏聚力和内摩擦角持续增大，抗剪能力逐渐增强。

含盐量相同时，图3(a)与(e)相比，随干密度的增大，试样的抗剪强度增幅达2～3倍，最大主应力差达1 500 kPa左右。相同干密度下试样的抗剪强度随含盐量的增加而递减。由图3分析可知，含盐量1%和3%的抗剪强度明显大于含盐量5%、7%和9%的抗剪强度。含盐量的持续增加，使固体颗粒间滑动摩擦逐渐增大，内摩擦角逐渐减小；含盐量达饱和后，盐分结晶析出，试样结构遭到盐颗粒及相态变化的破坏，咬合摩擦量的减少使内摩擦角逐渐减小，造成试样的抗剪强度随含盐量的增加而逐渐降低。

2.3.2冻融作用下的应力分析

冻融作用及养护龄期变化下的应力-应变曲线见图4。

图4 冻融作用下固化土的应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of the soil experienced cyclic freezing and thawing

随冻融次数的增加，试样的抗剪强度总体上呈递减趋势。冻融3次时应力值达到最大，且在应变前期出现峰值，而后应力曲线转为较平缓变化，但曲线的峰值应力与残余应力差值较小；其余各周期曲线均无明显峰值。随冻融次数的持续增加，曲线应力水平呈持续降低趋势，冻融循环达9次后，各养护龄期曲线应力值均在600 kPa以下，呈低应力水平发展。

不同养护龄期的固化土在相同冻融次数下，随冻融次数的增加，试样的抗变形能力逐渐增强。随冻融次数的增加，试样的应力-应变曲线在达到峰值后，坡度变化平缓。冻融3次时，应变前期虽有峰值，但数据相差较小，曲线坡度平缓；冻融1次和5次的应力曲线也略显坡度，但冻融7次和9次时应力曲线达峰值后，几乎呈水平状态，说明冻融作用下的固化盐渍土，抗变形能力较强。

2.3.3试样破坏的定型及定量分析

以冻融1次、3次和9次后固化盐渍土的破坏形态为例，详见图5。

图5 冻融后固化盐渍土的破坏形态Fig.5 Failure of solidified saline soil experienced cyclical freezing and thawing

单次冻融后试样呈塑性破坏，无完整的贯穿面，至峰值应力(轴向应变4%左右)时，呈“鼓”型形变，如图4(a)和图5(a)所示；而冻融3次后应力曲线峰值明显，峰值应力(轴向应变2%～3%)后，呈弱脆性破坏，试样贯穿面完整，如图4(b)和图5(b)所示；随冻融次数的进一步增加、冻胀的加剧，试样内部结构遭到破坏，且冻融造成的水盐分布不均，使试样抗剪强度明显降低，抗剪力值均小于600 kPa，如图4(e) 和图5(c)所示。

从试样的应力-应变曲线及破坏形态分析，固化盐渍土试样干密度越大，试样的抗剪强度越大；随含盐量和冻融次数的增加，试样的抗剪强度逐渐降低，但抗变形能力逐渐增强，同时试样的脆性降低，塑性增强，呈弱脆性或“鼓”型形变。

3 结论

(1)干密度和含盐量是影响固化土的黏聚力和内摩擦角的主要因素。抗冻融的最适宜设计方案为：冻融循环3次，养护28 d，改性聚乙烯醇掺量0.9%，含盐量1%，石灰掺量14%和干密度1.7 g/cm3。

(2)固化盐渍土的抗剪强度参数Cu、φu值均随冻融循环次数的增加而减小。随冻融次数的增加，冻胀和盐胀的双重破坏使固化土的抗剪性能下降，应力-应变曲线变化趋于平缓，残余应力和峰值应力相差较小；多次冻融后，固化土的破坏形态均呈塑性“鼓”型或弱脆性形变，且峰值应力后的曲线近乎水平发展，变形减小。

(3)单一及多因素影响下，改性聚乙烯醇与石灰固化盐渍土冻融后的抗剪性能稳定。抗剪性能随干密度的增大和石灰掺量的增加而增强；与改性聚乙烯醇掺量和养护龄期呈正相关。

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责任编辑

：汪美华

Anexperimentalstudyoftheshearpropertiesofthesolidifiedsalinesoilwithlimeconcerningundertheinfluenceofmultiplefactors

LYU Qianhui1，CHAI Shouxi2，LI Min3

(1.SchoolofGeologyandGeomatics,TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China;2.TianjinKeyLaboratoryofSoftSoilCharacteristicsandEngneeringEnvironment,Tianjin300384,China;3.SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,China)

Freezing-thawing action has a great effect on the strength and deformation properties of solidified saline soil in northern China. Factors of freezing-thawing cyclic number, salt content, modified ethylene alcohol content (SH soil fixing agent), lime content, curing age and dry density are considered, and the orthogonal design and unconsolidated undrained triaxial compression tests are conducted to obtain the shear strength and stress-strain properties of the solidified soil. The results indicate that (1) shear strength is positively correlated with the modified ethylene alcohol, lime content, curing age and dry density under the freezing-thawing action, and it is negatively correlated with salt content. (2) Dry density and salt content are the key factors affecting the cohesion and the internal friction angle of the solidified saline soil. (3) Shear strength and deformation of the soil experienced freezing and thawing are decreased and the drum-shaped plastic deformation or the weakly brittle failure appear in the soil samples. The suitable scheme is composed of 0.9% of the modified ethylene alcohol with 14% of lime content, 1.7 g/cm3of dry density, 28 d of conservation, 1% of salt content, and 3 times of cyclical freezing and thawing.

solidified soil; shear strength; freezing-thawing action; saline soil; stress-strain

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.14

P642.16

A

1000-3665(2017)06-0089-07

2017-02-03;

2017-03-20

国家自然科学基金项目(51409079)；河北省自然科学基金项目(E2014202104)；高等学校博士学科点专项科研基金(20131317120013); 天津市科技计划项目(152XCXSF00070,17JCZDJC39200,17JCYBJC22200)

吕前辉(1989-)，男，硕士研究生，主要从事固化土的工程性质研究。E-mail: lvqianhui0915@163.com

柴寿喜(1962-)，男，博士，教授，硕士生导师，主要从事岩土体改性与加固研究。E-mail: chaishouxi@163.com