冻融循环对水泥土三轴强度指标与裂隙演化规律的影响

孙 韬

(1.江苏建筑职业技术学院 建筑建造学院，江苏 徐州 221116； 2. 江苏建筑节能与建造技术协同创新中心，江苏 徐州 221116)

1 研究背景

淤泥质软土是我国长江三角洲河漫滩地区分布最广泛的沉积物，具有可压缩性强、强度低、液限值高、孔隙比大、易扰动等特点[1]。河漫滩地区的地质环境较复杂，相关地区路基发生不均匀沉降等工程事故的隐患较大[2]。因此，公路工程中经常采用水泥改性的处理方法提升淤泥质软土的工程特性，水泥改性处理方法的突出优点是可就地取材，施工方便、价格低廉且效果明显[3]。在季节性冻土地区，由于受到冷热交替作用的影响，水泥土频繁处于冻结与融解状态转换过程中[4]，反复冻融循环作用会导致水泥土力学性能的进一步衰弱，加速相关工程性能的劣化，从而对路基工程稳定性造成一定安全隐患[5]。因此，开展水泥改性的淤泥质软土受反复冻融循环影响的研究具有重要现实意义。

水泥改性软土是一种常见的人工改性岩土材料，其内部的孔隙结构较发育，微观结构与宏观性能均受气候效应的显著影响[6-7]。针对冻融循环作用对水泥土的性能衰变的影响，很多学者进行了大量物理和力学试验。崔宏环等[8]通过对不同冻融循环处理后的水泥土开展力学测试，分析得出冻融循环次数与强度指标存在明显的相关性。陈四利等[9]基于三轴压缩试验分析了冻融循环次数对水泥土强度及变形模量的影响规律。宋爱苹等[10]对水泥改性土和粉煤灰改性土的试样在冻融循环效应影响下分别开展力学试验研究，得到了不同循环次数对试样的抗剪强度指标弱化程度，并讨论了水泥土力学性质衰减的微观机理。Yan等[11]对冻融循环作用下的水泥土开展CT扫描，对孔隙演化规律进行定量分析，同时探讨了水泥土内部孔隙结构变化的机理。当前的研究侧重于单方面对水泥土力学和微结构特征开展分析，而结合宏-微观测试方法的综合分析还比较罕见。

本文以水泥改性的淤泥质软土为研究对象，利用三轴剪切试验与CT扫描试验研究了水泥土的力学特性与微观结构损伤特点，根据SEM图像结果揭示了水泥土受冻融循环影响的内在机理，为深入认识水泥土的工程性能提供了重要的参考。

表1 软土的基本物理性质指标Table 1 Basic physical and mechanical properties of silty soft soil

2 试验材料

2.1 试验原材料

2.1.1 淤泥质软土

本文所用的淤泥质软土取样地区为长江三角洲的一处河漫滩，采用钻孔取芯的方法沿深度钻取土样，运送至实验室开展相关土性测试。 本试验采用的淤泥质软土样品颜色呈灰褐色，土体含有大量粉土和黏土颗粒。根据XRD衍射试验发现黄土的矿物成分包括高岭土(40.1%)、伊利石(18.4%)、蒙脱石(15.1%)、石英(14.2%)、正长石(8.1%)和绿泥石(5.1%)。基本土性指标如表1所示，该软土的天然含水率约为28.1%，天然密度为 2.05 g/cm3，渗透系数约为1.12×10-6cm/s。对土样采用筛分法和比重瓶法开展土样颗粒级配曲线的测试，结果如图1所示。根据颗粒级配曲线，发现该地区淤泥质软土的不均匀系数Cu约为2.55，曲率系数Cc约为1.05。根据界限含水率与孔隙比试验的结果，发现该软土试样呈高液限和高孔隙比的特点。

图1 软土的级配曲线Fig.1 Gradation curves of silty soft soil specimens

2.1.2 硅酸盐水泥

本研究制备水泥土的凝胶材料采用普通硅酸盐水泥(OPC)，水泥的细度模数为2.34，比表面积为3 025 cm2/g，终凝时间为4.2 h，标准养护28 d后的抗压强度为48.5 MPa。

2.2 水泥土试样的制备

采用分层击实的方法进行水泥土圆柱体试样的制备，样品尺寸为直径38 mm，高度80 mm。按照天然含水率进行水泥土的配制，并在重塑土中添加质量比例为5%的硅酸盐水泥已制备水泥土。图2所示的是土体的扫描电子显微镜试验SEM微观结构图像。通过图2可以看出普通软土内部的黏土颗粒呈扁平片状结构，尺寸大小不一，平行排列，具有一定的定向性，土颗粒间裂隙较发育，孔隙多且大。水泥土内部颗粒以团粒结构为主，形成具有凝胶性的胶结物质，孔隙充填胶结程度提高，颗粒的胶结紧密程度增加。

图2 土体的SEM微观结构图像Fig.2 SEM images showing the microstructure of soil

2.3 冻融循环试验

在试样制备完成后，对水泥土试样进行反复冻融循环试验，单次冻融试验步骤如下所述。

(1)饱和：将土样放入不锈钢制饱和器内，采用抽气饱和法对土样在室温(20 ℃)条件下，进行饱和处理。

(2)冻结：将饱和的水泥土试样放到低温冷冻箱中，使试样在-20 ℃的环境中冻结48 h。

(3)融解：将冷冻后的试样放入干燥箱中，在温度20 ℃左右的环境中静置48 h，使试样完全融解。

2.4 力学与细观结构测试方法

2.4.1 三轴剪切试验

利用土工三轴剪切试验仪对水泥土试样开展力学测试，围压分别设置为50、100、150、200 kPa，加载速率控制为0.001 mm/min，在固结不排水剪切模式下开展三轴试验，获得土体应力-应变曲线和强度参数。轴向变形的加载速率设置为0.02 mm/min，持续剪切直至试样的轴向应变达到18%左右。在剪切过程中，应力-应变关系曲线由计算机系统记录。土体的强度参数按《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)确定。

2.4.2 CT扫描

为了探讨冻融循环作用引起的水泥土孔隙演化规律，对不同冻融循环次数下的土样开展CT扫描。得到二维CT扫描图像后对图像中的裂隙进行二值化显示，通过统计裂隙像素点数量而提取出裂隙的面积指标，从而计算土体的裂隙率。

3 试验结果

3.1 三轴强度指标的冻融循环效应

由三轴剪切试验得到了经历不同冻融循环次数和不同固结围压下的土体应力-应变关系曲线，结果如图3所示。在荷载的作用下，不同冻融循环次数的试样均保持弱应变硬化的变化特点，可将其应力-应变曲线分为：线弹性阶段、屈服阶段、应变硬化阶段[12]。对于应变硬化型的应力-应变曲线，可以采用轴向应变ε=15%作为抗剪强度对应的应变值。随着冻融循环次数的增加，水泥土试样的抗剪强度逐渐衰减。其中，0～1次循环之间的衰减速度最快，说明土体的结构强度在从0次到1次循环的过程中损失最严重。另外，5～10次冻融循环之间的强度衰减速度相对较小，说明冻融循环作用对水泥土结构的损伤效应在后期逐渐减弱。从图3还可以看出，水泥土抗剪强度与固结围压存在明显的正相关关系，围压值越大，相同冻融循环次数N下的抗剪强度越大。

图3 不同冻融循环次数下土体的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of soil undergone different freeze-thaw cycles

由摩尔-库伦强度破坏准则得到不同冻融循环次数下的黄土黏聚力c和内摩擦角φ。包络线的截距为黏聚力c，斜率为内摩擦角φ的正切值。经过对不同固结围压下的应力-应变关系曲线进行回归分析，获取的结果如图4所示。

图4 强度参数与冻融循环次数的关系曲线Fig.4 Strength parameters against the number of freeze-thaw cycle

从图4可以看出初始黏聚力为50.5 kPa，内摩擦角为24.3°，多次冻融循环处理后的土体强度指标渐次减小。经过10次循环后，黏聚力降为24.7 kPa，降幅达50.3%；内摩擦角降为21.2°，降幅为14.8%。说明冻融循环对黏聚力的影响远大于内摩擦角。对黏聚力和内摩擦角指标进行数据拟合后，发现黏聚力与循环次数保持指数型函数关系，内摩擦角与循环次数保持线性函数关系。拟合曲线与实测数据的相关系数均达到了0.98以上，说明预测结果的误差很小，拟合公式如下所示。

c=25.32e-N/3.135+25.15 ；

(1)

φ=24.26-0.264N。

(2)

图5 不同冻融循环次数下水泥土的裂隙发育特征Fig.5 Fracture characteristics of specimens undergone different freezing-thawing cycles

3.2 CT扫描图像裂隙特征的冻融循环效应

本研究对经过0、1、2、5、10次冻融循环后的水泥土进行测试。首先使用工业CT扫描仪对经历不同次数冻融循环的水泥土试样进行测试，原始扫描图像的结果如图5所示。得到CT扫描结果后，利用图像处理软件image J将二维图像进行二值化处理，提取出裂隙形态特征，结果如图6所示。

图6 不同冻融循环次数下水泥土的二值化裂隙图像Fig.6 Binary crack images of specimens undergone different freezing-thawing cycles

从不同冻融循环次数下土样的二值化图像可以看出:冻融循环作用对水泥土的裂隙发育程度有明显的影响。未经冻融处理的水泥土内部没有出现明显的裂隙；经过1次冻融循环后，水泥土内部出现了长度和宽度较小的2条裂隙；经过2次冻融循环后，裂隙的长度和宽度有明显增大趋势，新生裂隙数量和尺寸均有所增加，裂隙连通程度也相应提高；在经过5次冻融循环后，裂隙的数量与尺寸继续增加，裂隙连通程度大大提高；在进行5～10次循环过程中，新生裂隙数量没有明显增加，裂隙网络的规模没有明显扩大，但裂隙连通性进一步提高，裂隙宽度明显增加。

对二值化图像中二维裂隙的像素点数量进行统计，获得了不同冻融循环次数下水泥土内部裂隙的面积An。然后通过式(3)计算水泥土试样的裂隙率Rn，根据裂隙率评价试样受冻融循环影响的结构损伤程度[13]。

(3)

裂隙率Rn和冻融循环次数n的关系曲线如图7所示，水泥土的裂隙率与冻融循环次数之间保持良好的指数型变化关系，其表达式如式(4)所示，裂隙率和循环次数拟合曲线与实测数据的相关系数为0.95，说明采用式(4)可以有效地预测水泥土裂隙率Rn的发展趋势。

(4)

图7 裂隙率与循环次数的关系曲线Fig.7 Relationship between crack ratio and number of freeze-thaw cycle

图8 强度指标与裂隙率的关系曲线Fig.8 Strength indicators against crack ratio

3.3 强度指标与裂隙率的关联性

由三轴剪切试验的结果发现水泥土抗剪强度指标随冻融循环次数增加而衰减，由二值化CT图像计算的裂隙率随循环次数增加而升高。为了分析力学性能衰减与裂隙结构损伤的相关性，根据试验结果得到强度指标与裂隙率的关系曲线(见图8);并建立裂隙率R与强度指标(黏聚力c、内摩擦角φ)的直角坐标系，用数据拟合的方法分析两者之间的数学关系，结果如式(5)和式(6)所示。2个公式的拟合关系均超过了0.95，说明利用裂隙率可以对水泥土强度指标合理地进行预测。

c=-5.781R+68.11 ，

(5)

φ=-0.461R2+2.796R+19.86 。

(6)

从图8所示的拟合曲线可以看出，黄土的黏聚力c与裂隙率R呈线性关系，内摩擦角φ与裂隙率R呈二次函数关系，且黏聚力c、内摩擦角φ均随着裂隙率R的增加而下降。图8的结果说明水泥土强度指标与裂隙发育程度保持了较好的相关性，体现了反复冻融循环对水泥土与力学性能和裂隙结构均有显著的影响[14]。

3.4 微观形态的冻融损伤演化特征

图9 经历不同循环次数试样的SEM扫描结果Fig.9 SEM images of specimens undergone different freeze-thaw cycles

为了研究冻融循环对水泥土损伤效应的微观机理， 对经历不同循环次数(0、 2、 5、 10次)的土样进行扫描电镜(SEM)试验， 放大500倍的图像结果如图9所示。水泥土在初始状态下的内部结构比较密实， 裂隙少且小。 经过冻融循环后， 土体内部裂隙结构有明显变化， 新生裂隙的数量和长度开始增加， 裂隙范围不断扩张， 结构愈发疏松。 水泥土内部结构微观形貌的改变主要是因为反复冻融循环作用使得孔隙水在土颗粒间不断发生相变。 在孔隙水的蒸发和冻结过程中， 水泥土内部孔隙结构不断发生膨胀和收缩作用， 使得水泥基的凝胶胶结物质逐渐溶解， 黏土间的密实度不断降低。 裂隙结构的变化使得土颗粒间组构关系也出现相应的改变， 颗粒之间的排列致密程度有所下降， 进而削弱了土体的力学性能。 由于黏聚力主要取决于土颗粒间的黏结强度， 受水泥凝胶结构的影响较大， 而内摩擦角取决于颗粒接触关系， 冻融循环主要使得水泥胶结物质流失，故黏聚力远大于内摩擦角下降幅度[15]。

4 结 论

(1)经过水泥改性的淤泥质软土试样在冻融循环过程中表现出明显的损伤现象，由CT扫描反映的二维裂隙的尺寸与数量随冻融循环的进行逐渐增加，裂隙率与循环次数保持指数型上升关系。

(2)反复冻融循环加速了水泥土力学性能的劣化，黏聚力随循环次数增加保持指数函数的衰减趋势，内摩擦角随循环次数增加呈线性衰减趋势，且黏聚力下降幅度远大于内摩擦角。

(3)在冻融循环过程中，水泥土试样的黏聚力与裂隙率呈线性关系，内摩擦角与裂隙率呈二次函数关系，说明土体的强度指标衰减与结构损伤效应保持较好的相关性。

(4)冻融循环使得水泥土试样内部的水泥基胶结物逐渐流失，土体密实度下降，这是水泥土裂隙扩张和力学性能损伤的本质原因。