冻融循环下西安市长安区水泥土室内试验研究

张新新

(西安翻译学院，陕西 西安 710105)

0 前 言

西安市长安区土质为风形成黄土，具有湿陷性，属于特殊土，在一定压力下受雨水浸湿，土结构迅速破坏，产生显著附加下沉，强度也迅速降低；地基作为建筑物下部承受荷载的土层，一旦强度下降，使得地基产生过大的沉降或不均匀沉降都会对建筑物产生不可避免的危害。另外，作为季节性冻土地区，在冬季土中的水成冰后体积发生明显膨胀，孔隙比增加；土体融化后，体积会缩小，承载力较开始状态明显下降，以上的变化对工程实际的破坏都是极大的，所以分析湿陷性黄土及其在冻融循环作用下的受力机理，对该地区的工程是至关重要的。叶傅研究了水泥稳定黄土无侧限抗压强度，研究发现水泥剂量、压实度与水泥黄土抗压强度呈线性增长趋势；马文杰通过掺加固化剂与水泥及其组合进行土壤化学改良，对比分析了不同固化剂掺量下，黄土的养护龄期、压实度、抗渗能力等，得出了最佳拌和掺量；付红梅对中砂改良黄土的湿陷性进行了试验研究，分析出中砂对黄土湿陷性起到了降低的作用；李振进行生石灰改良黄土物理化学性质的研究，分析出随着养护龄期的增长，孔隙比、液限指数等参数都发生明显变化，分析其出变化趋势；吴文飞对固化剂改良水泥稳定黄土强度及水稳性进行研究，分析出不同水泥掺量及固化剂作用下水泥稳定黄土的机理。水泥因其造价低廉、来源广泛，在工程项目中应用较多，本文主要研究原状黄土、重塑黄土及不同水泥配合比的黄土在不同次数冻融循环作用下的无侧限抗压强度、粘聚力、内摩擦角等力学性质的变化趋势及其作用机理，分析出水泥最经济掺量。

1 试 验

1.1 原材料

本实验采用陕西延河水泥机械公司生产的P·O32.5普通硅酸盐水泥，黄土取自陕西省西安市长安区某地下管廊工程，按照标准土工试验操作规程测定土体的基本性能，黄土物理力学性能见表1。

表1 黄土的物理力学性质

经过试验分析，该土的塑性指数为7<10，属于粉质黏土。

1.2 试验方法

本试验采用单扛杆固结仪测定原状土的压缩系数为0.46 MPa-1，原状土体为中压缩性土；采用应变控制式直剪仪分别施加50、100、200、300 kPa的垂直压力，采用快剪的方法，使试样在5 min以内损坏，得到原状土的内摩擦角为30°，粘聚力为24.4 kPa;试验前将风干的土样过0.5 mm孔径的筛，取直径小于0.5 mm土样做成试样养护龄期7 d，每组试样3个，采用标准手动击实仪成型，水泥配合比分别为0，6%，12%，18%；水泥配合比为土质量的百分比，加入的水为自来水，含水率为土与水泥总质量的17.1%；冻结采用冻结温度-15℃，融化采用15℃，分别冻融0、2、4、6、8 d；无侧限抗压强度采用万能试验机，按照其操作规程调整相应参数，数据由系统采集完成，采集数据包括：时间、力及变形。为了节省试验时间、方便试验操作，抗压强度试验所用试件采用马歇尔手动击实仪成型。

2 试验结果及分析

2.1 不同水泥配合比水泥土实验(见图1～3)

图1 水泥配合比与粘聚力的关系

由图1可以看出，原状土的粘聚力较低，重塑土的粘聚力最低；各配合比水泥土的粘聚力均呈现明显增大趋势；特别是配合比为6%时，粘聚力的增大幅度最明显，约为原状土的4.3倍；随水泥配合比的增大，增长的幅度逐渐降低；当水泥掺量为18%，粘聚力增大的幅度约为原状土的7倍；可以看出，水泥的掺入能有效提高黄土的粘聚力。

由图2可以看出，原状土的内摩擦角最大，重塑土的内摩擦角最小；随水泥配合比增加，内摩擦角逐渐增大，水泥配合比为18%，约为重塑土的2倍，约为原状土的1.3倍；相比粘聚力和抗压强度的的变化，增大的幅度不显著。

图2 水泥配合比与内摩擦角的关系

由图3可以看出，重塑土的抗压强度较小；水泥配合比为6%时，相对重塑土增大的幅度最大，约为重塑土强度的7.7倍； 12%水泥配合比的抗压强度约为6%的1.46倍，18%水泥配合比的抗压强度约为12%的1.2倍；随水泥配合比的增加，抗压强度逐渐增大，增大的幅度越来越小并趋于稳定。

图3 水泥配合比与抗压强度的关系

综上，可以分析出水泥土能够有效提高黄土的粘聚力，而内摩擦角增大幅度不明显；主要原因在于水泥能够和水发生水化作用，逐渐生成凝胶体，使得粘聚力和抗压强度增长比较迅速；而本实验所用的过筛土，其颗粒级配没有原状土良好，使其内摩擦角较原状土有所降低。总的来说，水泥配合比的增加，在一定程度上促进了水泥土内摩擦角的增长。由此可见，黄土作为回填土、路基、挡土墙等受力结构，本身的粘聚力、抗压强度均较低，不能满足工程需要；根据工程实际需要，有必要采用水泥土提高工程的承载力和强度，以达到工程安全、稳定的目标。

2.2 冻融循环下水泥土破损(见图4～5)

图4 重塑土冻融4次

图5 12%水泥土冻融4次

由图4～5可以看出，试样的破坏均由从上到下的斜截面裂缝而引起；重塑土的表面破损最为严重，土体呈现出比较松散的状态；水泥配合比越高，破坏越不明显，这与水泥与土发生胶结作用，生成凝胶体直接相关；水泥配合比越高，水化作用生成的凝胶体越多，胶结作用越明显，土粒之间的粘结力越大，表面的损坏越不严重。冻融循环的水泥土，由于其发生反复的冻胀、融化作用，水泥土表面均出现一定的破损，循环次数越多，冻胀力越大，相应的水泥土破损越严重。

2.3 冻融循环作用下水泥土强度(见图6～8)

图6 不同冻融循环次数与粘聚力的关系图

由图6可知，不同水泥配合比下，随冻融次数的增加，重塑土粘聚力的降低幅度最低，基本无变化，其余土样的粘聚力逐渐降低，在第2次冻融循环作用下，降低的幅度最大，随冻融次数的增加，逐渐趋于稳定，8次冻融循环最为稳定。

由图7可知，不同水泥配合比下，冻融次数增加，内摩擦角的变化趋势与粘聚力较为相似，第2次冻融循环下降比较明显，8次冻融循环最为稳定，冻融次数增多，逐渐趋于稳定；但下降的幅度较为缓慢。

图7 不同冻融循环次数与内摩擦角的关系

由图8可知，不同水泥配合比下，重塑土的抗压强度远远低于各种配合比的水泥土；冻融次数增加，各水泥土的抗压强度均呈下降的趋势。其中，重塑土的强度下降极为缓慢，6%、12%、18%水泥土在第2次冻融循环下降最快，4、6、8次下降幅度呈逐渐减缓趋势，18%水泥土下降幅度最大。

图8 不同冻融循环次数与抗压强度的关系

冻融循环抗压强度比见表2。由表2可知，重塑土的粘聚力最低，在8次冻融循环下，重塑土的粘聚力下降最小，为0次冻融的97.5%；随着配合比的升高，粘聚力的比值有减小的趋势；6%水泥土粘聚力比值最小，12%水泥土粘聚力比值最高，18%水泥土粘聚力比值有所降低；8次冻融循环下，6%配合比水泥土与12%水泥土粘聚力比值为66.5%，12%配合比水泥土与18%水泥土粘聚力比值为87.8%，说明随着水泥配合比的升高，粘聚力的增长速度有下降的趋势，增长的速度逐渐缓慢。

表2 冻融循环粘聚力比

冻融循环抗压强度比见表3。由表3可知，重塑土的抗压强度最低，8次冻融循环下，重塑土的抗压强度降低最小，6%配合比水泥土强度下降较多，12%水泥强度降低接近于50%，随水泥配合比增加，18%水泥土强度下降趋势明显；6%配合比水泥土是12%水泥土的71.3%，12%配合比水泥土是18%水泥土的85.7%，可以看出随配合比的增加，在冻融循环作用下，抗压强度的增长的速度先增加后出现降低，12%配合比水泥土增长最快。

表3 冻融循环抗压强度比

3 试验结果与分析

1)水泥的掺入，能有效提高黄土的物理力学性能；水泥掺量越高，无侧限抗压强度及粘聚力都呈现明显上升趋势；内摩擦角略有所下降，主要由于原状土各颗粒之间的内摩擦力较大，水泥土中的土经过碾压、磨碎和过筛已经失去一部分原本土体中内摩擦力，使得土体的内摩擦角有所下降；而水泥产生的水化作用，使水泥土的内摩擦角远大于重塑土的内摩擦角。

2)水泥固化黄土的机制主要在于水泥水化生成碳酸钙同时与土粒发生置换反应生成水化硫酸铝钙，两种产物附着于土颗粒表面，填充土体中的空隙，使土体更加密实，从而增加的土体的粘聚力和抗压强度；水泥的比表面积远小于黄土，水泥吸附在黄土的表面，增加了土体之间的接触面积，应力得以增加。

3)经过分析，各项指标在水泥掺量在6%时，增长速度最为明显，到12%左右时，各指标增幅最显著，大于12%时，各项指标的增幅逐渐缓慢。

4)水泥土在冻融循环作用下，无侧限抗压强度和粘聚力均呈下降趋势，其中以第一次下降最为明显，冻融次数越多，下降越缓慢；其主要原因在于土体中的水分在冻结后发生冻胀、空隙变大，冻胀力使土体颗粒的胶结受到破坏，土体产生裂缝，土颗粒间的粘结能力降低；融化后，这种裂缝不能完全恢复，有一部分残留，土体空隙随冻融次数的增大而逐渐增多，导致土体的强度等逐渐下降。

4 结 论

1)通过水泥的掺入，能有效提高黄土的粘聚力和抗压强度，在冻融循环作用下的力学性能都有所提高，在工程实际当中有必要根据实际掺入合适比例的水泥用以保证结构的安全和稳定性。

2)从本文对抗压强度及粘聚力等力学参数的分析可知，该地区的土中水泥掺量为12%左右时，各项性能增长速度最快，从经济角度考虑，掺量12%或略高于12%时最为经济合理。

3)冻融循环后，水泥土的粘聚力和抗压强度较重塑土均有大幅度提高，8次冻融循环后水泥土的力学性质均逐渐趋于稳定，能满足季节性冻土地区路基防护、边坡稳定等工程建设项目的需要。

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