王宇琪 申楊凡 王紹全 高 斯 陶 源 韓春鵬*

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

凍融作用對(duì)過(guò)濕石灰改良土抗剪強(qiáng)度影響分析★

王宇琪 申楊凡 王紹全 高 斯 陶 源 韓春鵬*

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

以哈爾濱某施工工地取土場(chǎng)低液限粘性土為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)，得到了不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)于6%摻灰的過(guò)濕石灰改良粘性土的抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著凍融次數(shù)的增加，過(guò)濕條件下石灰改良粘性土的抗剪強(qiáng)度降低，粘聚力減小、內(nèi)摩擦角呈線性增加的變化趨勢(shì)。

過(guò)濕條件，凍融作用，石灰改良土，抗剪強(qiáng)度

0 引言

為了滿足道路工程建設(shè)的要求，工程性質(zhì)不良的粘性土一般不能直接作為路基填筑材料，而需要對(duì)土體采取相應(yīng)方法以改善土體性質(zhì)，摻加石灰是一種常用的處治方法。季節(jié)性凍土區(qū)在我國(guó)北方地區(qū)分布廣泛，凍脹現(xiàn)象是季節(jié)性凍土地區(qū)常見(jiàn)的病害，隨著氣候變化，路基土體內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)的水分融化，路基又會(huì)出現(xiàn)融沉現(xiàn)象，在凍融作用下路基土體的強(qiáng)度發(fā)生衰減，影響路基的正常工作。水是影響土體性質(zhì)的重要因素，同時(shí)抗剪強(qiáng)度是反映土體強(qiáng)度的重要指標(biāo)，因此研究含水率對(duì)季凍區(qū)路基土體凍融作用下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)具有意義。

本試驗(yàn)以哈爾濱某施工工地取土場(chǎng)粘性土為研究對(duì)象，考慮過(guò)濕條件下不同凍融循環(huán)次數(shù)下對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，進(jìn)行在凍融循環(huán)0次、1次、3次下土體的室內(nèi)直剪試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣為取自哈爾濱某工地基坑低液限粘性土，土體的基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用土主要物理指標(biāo)

所摻加石灰為鈣質(zhì)消石灰，產(chǎn)地為哈爾濱市阿城區(qū)石灰廠，其有效成分主要為氧化鈣和氧化鎂，其檢查結(jié)果為氧化鈣(CaO)有效成分含量為85%，氧化鎂(MgO)有效成分含量為1%。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)《石灰處治土路基凍融作用特性研究》對(duì)石灰改良土的研究，土體的石灰摻量為6%時(shí)的效果最佳[1]，因此本直剪試驗(yàn)試件土體的摻灰量取6%，同時(shí)采用重型擊實(shí)方法用TDJ-V多功能電動(dòng)擊實(shí)儀進(jìn)行6%摻灰土體的擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)得6%摻灰土體的最佳含水率為16.4%，最大干密度為1.77 g/cm3。以路基工程中路基土體實(shí)測(cè)含水率為依據(jù)，選取6%摻灰土體最佳含水率以上4個(gè)百分點(diǎn)20.4%含水率配置試件，根據(jù)不同凍融循環(huán)次數(shù)0次、1次、3次下，制備四組直剪試驗(yàn)試件，每組試件4個(gè)。試件制備完成后保鮮膜密封，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生28 d，養(yǎng)生完成后，使用低溫試驗(yàn)箱試件進(jìn)行凍融循環(huán)，試件的凍結(jié)溫度為-15 ℃，融化溫度為室溫，每次凍融循環(huán)周期為24 h，其中凍結(jié)時(shí)間12 h，融化時(shí)間12 h。

室內(nèi)直剪試驗(yàn)設(shè)備為SDJ-Ⅱ型三速電動(dòng)等應(yīng)變直剪儀，根據(jù)JTG E40—2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程中室內(nèi)直剪試驗(yàn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2]，通過(guò)垂直加荷系統(tǒng)對(duì)4個(gè)試件分別施加50 kPa，100 kPa，200 kPa，300 kPa的豎向壓應(yīng)力之后，由剪切傳動(dòng)系統(tǒng)施加水平剪切力進(jìn)行剪切，直剪儀剪切速度為0.8 mm/min，每個(gè)試件的剪切在3 min～5 min內(nèi)完成。剪切試件φ61.8 mm×20 mm的圓柱體，試驗(yàn)時(shí)試件從環(huán)刀內(nèi)脫出。通過(guò)精度0.01 mm的百分表測(cè)定位移數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方案對(duì)試件進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，橫坐標(biāo)為垂直壓力，縱坐標(biāo)為抗剪強(qiáng)度，得到抗剪強(qiáng)度s—垂直壓力p關(guān)系趨勢(shì)曲線如圖1所示。

由圖1結(jié)果可知，凍融1次土體的抗剪強(qiáng)度趨勢(shì)線位于未凍融土體抗剪強(qiáng)度趨勢(shì)線的下方較遠(yuǎn)位置，說(shuō)明粘性土在經(jīng)過(guò)一次凍融循環(huán)過(guò)程后土體的抗剪強(qiáng)度得到大幅削弱，而趨勢(shì)線大致平行則說(shuō)明內(nèi)摩擦角變化不大，本階段使其抗剪強(qiáng)度降低的主要原因是粘聚力指標(biāo)的降低；凍融3次土體與凍融1次土體的抗剪強(qiáng)度趨勢(shì)線出現(xiàn)了交叉，說(shuō)明在垂直壓力較小時(shí)，凍融3次的土體抗剪強(qiáng)度小于凍融1次土體，但隨著垂直壓力的增大，凍融3次土體的抗剪強(qiáng)度最終高于凍融1次土體，說(shuō)明隨著垂直壓力的增加，多次凍融破碎的土體得到足夠壓力，土顆粒間隙變小，土顆粒之間連接變得緊密，土顆粒間的摩擦力增加，增大了土體的抗剪強(qiáng)度。

土的抗剪強(qiáng)度是由土顆粒間的表面摩擦力和顆粒嵌合作用產(chǎn)生的內(nèi)摩擦角φ和土體間結(jié)合水膜及化合物的膠結(jié)作用等所產(chǎn)生的粘聚力c所組成[3]。土體的內(nèi)摩擦角(φ)和粘聚力(c)是反映粘性土體抗剪強(qiáng)度的重要參數(shù)，為進(jìn)一步分析凍融作用下試驗(yàn)土體的抗剪強(qiáng)度，根據(jù)抗剪強(qiáng)度趨勢(shì)線方程可求出土體的c,φ值。運(yùn)用庫(kù)侖定律(式(1))來(lái)表示土體的抗剪強(qiáng)度，即：

τf=c+σtanφ

(1)

式中：τf——土體抗剪強(qiáng)度,kPa;

c——土體的粘聚力，kPa；

σ——土體的主應(yīng)力，kPa；

φ——土體內(nèi)摩擦角，(°)。

根據(jù)圖1趨勢(shì)線方程可以得到不同凍融次數(shù)下土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：內(nèi)摩擦角(φ)和粘聚力(c)，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)變化的結(jié)果如圖2，圖3所示。

由圖2可知，隨著凍融次數(shù)的增加，粘性土體的粘聚力逐漸降低，在凍融1次時(shí)下降最為明顯，下降了38.7%，從凍融1次到凍融3次時(shí)粘聚力下降了19.5%，土體的粘聚力隨著凍融次數(shù)增長(zhǎng)其下降趨勢(shì)是逐漸減緩的。由于土體的粘聚力是由土粒間水膜受到相鄰?fù)亮Ｖg的電分子吸引力以及土粒中化合物的膠結(jié)作用形成的[3]，在凍融循環(huán)作用下，隨著凍融次數(shù)的增加，土體變得更加破碎，孔隙數(shù)量增加，土顆粒之間間距變大，導(dǎo)致結(jié)合水膜與土粒的電分子引力減弱甚至消失；凍結(jié)作用產(chǎn)生的冰晶體使得土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，土顆粒間膠結(jié)作用減弱。因此，隨著凍融次數(shù)的增加,土體粘聚力呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，且土體在第1次凍融循環(huán)對(duì)粘性土的粘聚力影響最為顯著。

由圖3可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，粘性土體的內(nèi)摩擦角逐漸增長(zhǎng)，與未凍融土體相比凍融1次土體內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)率僅為4.3%；在凍融1次到凍融3次的過(guò)程中，土體內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)了16.3%。 粘性土體在凍融過(guò)程中，土體顆粒之間的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土體隨凍融次數(shù)增加變得更加破碎，土體的孔隙數(shù)量增加但大的孔隙數(shù)量有所減少，從而使土顆粒間重新排列，各土顆粒間的接觸點(diǎn)增加[4]。由于試驗(yàn)土體的含水率較高，將有更多的自由水充滿在土體顆粒之間，從而導(dǎo)致土顆粒間的接觸受到限制，使其內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)受限，內(nèi)摩擦角總體呈線性增長(zhǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高含水率下6%摻灰粘性土在凍融作用后的室內(nèi)剪切試驗(yàn)，得到的主要結(jié)論如下：

1)隨著凍融次數(shù)的增加，土體的抗剪強(qiáng)度降低，粘聚力減小而內(nèi)摩擦角增大，在一定垂直壓力作用下，出現(xiàn)凍融3次土體的抗剪強(qiáng)度高于凍融1次土體的現(xiàn)象。

2)隨著凍融次數(shù)的增加，土體粘聚力呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，且土體在第1次凍融循環(huán)對(duì)粘性土的粘聚力影響最為顯著。

3)由于試件為高含水率，更多的自由水充滿在土體顆粒之間，從而導(dǎo)致土顆粒間的接觸受到限制，內(nèi)摩擦角的總體呈線性增長(zhǎng)。

[1] 韓春鵬.石灰處治土路基凍融作用特性研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2011.

[2] JTG E40—2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[3] 劉紅軍，韓春鵬.土質(zhì)土力學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2012.

[4] 胡耀宗,尚祖峰.凍融作用下季凍區(qū)粘性土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].工程建設(shè)，2014,46(6):1-3.

Freeze-thaw action across wet lime improved soil shear strength impact analysis★

Wang Yuqi Shen Yangfan Wang Shaoquan Gao Si Tao Yuan Han Chunpeng*

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniv.,Harbin150040,China)

Taking the low liquid limit clay soil from a construction site field in Harbin as the test object. Through the indoor direct shear test, obtained the influence law of the different freezing and thawing cycles for 6% of the mixed ash wet lime improved on the cohesive soil’s shear strength. Experimental results show that with the increase of number of freezing and thawing, under the condition of wet, the lime improved cohesive soil’s shear strength is reduced, cohesive force decreases, internal friction angle of the change trend of linear increase.

wet conditions， freeze-thaw action， lime improved soil， shear strength

2015-03-09★:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(項(xiàng)目編號(hào)：2572014CB21)；黑龍江省自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：E201349)；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201410225040)

王宇琪(1994- )，女，在讀本科生； 申楊凡(1993- )，男，在讀本科生； 王紹全(1993- )，男，在讀本科生； 高 斯(1994- )，男，在讀本科生； 陶 源(1993- )，男，在讀本科生

韓春鵬(1979- )，男，博士，副教授

1009-6825(2015)14-0052-02

TU431

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