巨澍朋，賈 斌，張文權(quán)

（塔里木大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

我國季節(jié)性凍土和常年凍土分布廣泛，在這些地區(qū)的路基和復(fù)合地基工程中，提高集合料在凍融循環(huán)條件下的強度和改善其在惡劣環(huán)境下抵抗侵蝕的能力是水泥土在上述地區(qū)能夠長期使用的關(guān)鍵[1]。董慧等[2-4]通過試驗發(fā)現(xiàn)與未凍融水泥土相比，凍融水泥土的強度受含水率的影響更大；凍融水泥土的強度和剩余質(zhì)量均隨凍融次數(shù)的增加而減小。

相關(guān)研究表明，在水泥土中均勻地摻入適量纖維可以改善水泥土的抗壓強度、抗拉強度和抗凍融性能[5-8]。高常輝等[9]研究了玄武巖纖維和砂對水泥土強度的影響，發(fā)現(xiàn)摻砂量適宜時，水泥土的強度有一定程度的提高。王閔閔等[10]通過試驗發(fā)現(xiàn)纖維摻量相同時玄武巖纖維水泥土的抗壓強度、最大動彈性模量均高于聚丙烯纖維水泥土。張迪迪等[11]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維摻量為1.5%的水泥土，試樣的高度、質(zhì)量和波速隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加總體呈先減小后增大的趨勢。陳峰[12]通過試驗研究了玄武巖纖維水泥土的劈裂抗拉強度和無側(cè)限抗壓強度，建立了劈裂抗拉強度與無側(cè)限抗壓強度的經(jīng)驗關(guān)系式。目前，對玄武巖纖維水泥土凍融特性的研究非常缺乏。

1 研究內(nèi)容

試驗土樣均取自兵團第一師阿拉爾市沙漠公路周邊沿線附近，根據(jù)《土工試樣方法標準》（GBT 50123-2019）的要求，對試驗用土進行一系列的基本物理性質(zhì)試驗，得到該黏土的基本物理性質(zhì)指標見表1；改良材料為玄武巖纖維，由浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)，其性質(zhì)見表2；以及42.5 普通硅酸鹽水泥，由天山水泥股份有限公司生產(chǎn)。針對凍融循環(huán)后的玄武巖纖維水泥改良土，在水泥含量ac為18%、纖維長度lf為12～13mm、纖維摻量af為1.5%，在凍融循環(huán)次數(shù)N 為0、1、2、3、4、5 次條件下進行一系列直剪試驗，測出在不同垂直壓力下最大的抗剪強度，并研究抗剪強度、粘聚力、內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)變化的關(guān)系。涉及的直剪試驗均在新疆阿拉爾市塔里木大學(xué)工科實訓(xùn)大樓土工試驗室的ZJ 型應(yīng)變式控制直剪儀上進行。

表1 試樣土的基本物理性質(zhì)指標數(shù)值

表2 玄武巖纖維性質(zhì)

2 試驗方案

本次直剪試驗的試驗方案見表3。

表3 試驗方案

3 分析凍融循環(huán)次數(shù)對抗剪強度以及抗剪強度指標的影響

3.1 凍融循環(huán)次數(shù)對抗剪強度的影響

凍融循環(huán)次數(shù)N 為0、1、2、3、4、5 次，水泥含量ac為18%，玄武巖纖維長度lf為12～13mm 和玄武巖纖維摻量af為1.5%，在不同法向應(yīng)力下，取每種配比的3個數(shù)據(jù)的平均值作為一次試驗結(jié)果進行分析，分別見表4，圖1。

表4 抗剪強度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

由圖1 可知，隨著法向應(yīng)力的逐級增加，在水泥含量ac為18%，玄武巖纖維長度lf為12～13mm 和玄武巖纖維摻量af為1.5%下的玄武巖纖維改良水泥土的抗剪強度呈現(xiàn)增大趨勢，并在法向應(yīng)力為400kPa 時，其抗剪強度達到最大值。這說明法向應(yīng)力的增大，對抗剪強度起有利影響。

由圖1 可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的依次增加，在水泥含量ac為18%，玄武巖纖維長度lf為12～13mm 和玄武巖纖維摻量af為1.5%下的玄武巖纖維改良水泥土的抗剪強度呈現(xiàn)降低趨勢。凍融循環(huán)次數(shù)在0 至1 階段時，下降的趨勢最大，說明此階段對玄武巖纖維改良水泥土的抗剪強度不利影響趨勢最大；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增加時，下降趨勢越來越平緩，這說明對其抗剪強度不利影響增加趨勢逐漸平緩。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達到5 次時，抗剪強度最小，此時的不利影響達到最大。

3.2 凍融循環(huán)次數(shù)與粘聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系

從表5 和圖2 可以發(fā)現(xiàn)，5 種配比下的玄武巖纖維改良水泥土凍融循環(huán)次數(shù)從0 次增加到3 次，所對應(yīng)的粘聚力呈現(xiàn)急劇降低趨勢，這說明在此階段凍融次數(shù)的變化對玄武巖纖維改良水泥土的粘聚力的不利影響最大。

圖2 凍融循環(huán)次數(shù)與粘聚力的關(guān)系

表5 凍融循環(huán)次數(shù)與粘聚力的關(guān)系

從表6 可以得出：當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)一定時，玄武巖纖維長度為12～13mm，纖維摻量為1.5%，水泥含量為18%時，此配比下對玄武巖纖維改良水泥土的內(nèi)摩擦角達到極限。

表6 凍融循環(huán)次數(shù)與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

3.3 凍融循環(huán)次數(shù)對抗剪強度指標的影響

根據(jù)試驗所得出的試驗結(jié)果和繪制出的抗剪強度曲線，通過查詢《工程地質(zhì)手冊》（第五版）中的最小二原理計算土體的內(nèi)摩擦角和粘聚力值C，用以下公式求得：

式中：σi-第i 次試驗的法向應(yīng)力；τi-對應(yīng)于σi的抗剪強度。

根據(jù)表4 中的數(shù)據(jù)，再根據(jù)式（1）和式（2），計算隨纖維含量變化的內(nèi)摩擦角和粘聚力值C，見表7，圖3。

圖3 抗剪強度指標隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

表7 抗剪強度指標隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

由圖2 可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，粘聚力呈現(xiàn)明顯降低趨勢，這說明凍融循環(huán)對粘聚力起著不利影響。從圖中可以得知隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，粘聚力的下降量在逐漸減小，這說明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，對其粘聚力的不利影響增加趨勢逐漸平緩。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達到5 次時，粘聚力達到最小值，此時達到最不利影響。從圖中得知內(nèi)摩擦角隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在凍融循環(huán)次數(shù)為1 次時，其粘聚力為最不利影響。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其內(nèi)摩擦角逐漸增大，增加量逐漸趨于平緩，這說明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，對其內(nèi)摩擦角的不利影響正在減小。

4 結(jié)論

（1）抗剪強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)降低趨勢，且在凍融循環(huán)次數(shù)為5 次時，抗剪強度達到最低值。

（2）粘聚力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)降低趨勢，且在凍融循環(huán)次數(shù)為5 次時，粘聚力達到最低值。

（3）當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)、玄武巖纖維長度、水泥含量不變時，內(nèi)摩擦角隨著玄武巖纖維摻量的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

（4）本試驗由于儀器精度不夠，因此試驗數(shù)據(jù)還存在一定的誤差。

（5）本試驗的數(shù)據(jù)可作為季節(jié)性凍土地區(qū)地基集合料提供相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行參考。