彭麗云， 華小寧， 劉德欣， 齊吉琳

（1.北京建筑大學土木與交通工程學院，北京 100044； 2.北京建筑大學大型多功能振動臺陣實驗室，北京 100044；3.清華大學建筑設計研究院有限公司，北京 100084）

0 引言

粉土在黃河中下游地區(qū)分布廣泛，它具有顆粒細小、級配均勻、黏聚力低和水穩(wěn)定性差等特點[1-2］。大量研究表明[3-7］，在有充足地下水補給的情況下，粉土凍脹敏感性強，易發(fā)生凍脹融沉，嚴重影響當地的工程建設。然而，隨著經濟建設的發(fā)展，大量的工程建設中涉及粉土，對其進行改良來抑制凍脹，是一種較為經濟、有效的措施。

現有研究表明，摻加無機結合料對土體凍脹有抑制作用。韓春鵬等[8］指出摻加石灰能在一定程度上抑制黏土凍脹；張立新等[9］認為石灰摻量12%~15%對細顆粒土凍脹抑制作用最顯著，但高摻量的石灰會影響土體以及地下水的pH 值，不利于其上植被的生長，有悖于綠色環(huán)保的工程理念。除石灰外，摻加水泥也能抑制土體凍脹[10］，然而當土中水泥含量過高時，除具有上述問題外，土體還將呈現出脆性特征而易開裂[11］，導致水分滲入量大，對凍脹也不利。因此，需要探尋環(huán)保的土體凍脹抑制新方法。

在新方法的探索中，人工合成纖維由于具有較好的分散性和較高的抗拉強度，引起了人們的關注。Khattak等[12］研究表明，人工纖維素纖維能夠增強黏土和粉土的抗拉伸開裂能力。而這個能力，正如Gilpin[13］所述是凍結過程中新的冰透鏡體形成時需要克服的；也如Konrad[14］所述，當凍結緣內某點的線性應變達到凍土的即時拉伸破壞應變時，新的透鏡體出現需要克服的。據此推斷，人工纖維素纖維既然能增強土體的抗拉伸開裂能力[12］，那么也將會對土體凍脹起到抑制作用。陳輪等[15］的研究證明了上述推斷，指出0.3%的聚酯纖維加筋將使粉土的凍脹量減小27%，凍脹抑制效果顯著。此外，0.8 kg·m-3的聚酯纖維加筋也使黃土的抗凍性能得到改善，減小了凍融循環(huán)下土體的質量和強度損失[16］。

綜上，除摻加無機結合料外，人工合成纖維加筋也對土體凍脹有一定的抑制作用，但人工合成纖維難降解，且多是從天然氣、石油、煤和石灰石等物質中經過復雜的提煉、化學合成和紡絲工藝制成，制備成本高，且有一定的環(huán)境污染。相比之下，天然纖維綠色環(huán)保、成本低廉，是否可作為人工合成纖維的替代材料用于土體凍脹抑制，需進一步研究。

天然纖維中的典型代表，麥秸稈也具有一定的抗拉強度和較好的分散性，理應會對凍脹起到抑制作用。然而，目前相關研究缺乏，僅有的少量研究也主要針對從麥秸稈中提取出來的物質展開，且主要集中在抗凍性能的研究方面。如陳誠等[17］指出木質素纖維摻量為0.75%時，軟黏土的彈性模量、破壞強度和黏聚力均達到最大值，內摩擦角變化最穩(wěn)定，抵抗凍融劣化能力最強。鄧宗才等[18］研究則表明，秸稈中的纖維素纖維對混凝土抗凍性能的改善優(yōu)于人工合成聚丙烯纖維。此外未見其他研究?？梢?，與人工合成纖維一樣，天然纖維摻入土體是否也會抑制土體凍脹，有待進一步研究。

基于此，本文將以粉土為研究對象，以防腐處理后的麥秸稈作為加筋材料，分別對粉土和秸稈加筋粉土進行了開敞系統(tǒng)下的一維凍脹試驗，研究摻加秸稈對土體凍脹特性的影響。研究結果將為凍土區(qū)凍害的防治提供新的方法和依據，為凍脹理論的發(fā)展提供支撐，為工程設計提供指導。

1 試驗方案

1.1 試驗儀器

試驗儀器為土體凍脹試驗儀，主要由試樣筒、溫度控制系統(tǒng)、補水系統(tǒng)以及數據采集系統(tǒng)組成，示意如圖1 所示。其中，試樣筒為內徑20 cm、壁厚1 cm 的有機玻璃筒；溫度控制系統(tǒng)采用二級控溫，其中一級控溫為高精度的低溫恒溫箱（控溫精度±0.2 ℃），二級控溫系統(tǒng)（控溫精度±0.1 ℃）由試樣頂底部冷板、冷板外界恒溫冷浴（控溫精度±0.01 ℃）和周圍的保溫系統(tǒng)組成。補水系統(tǒng)為馬氏補水瓶（量程為380 mL）與凍脹試驗筒底板相連組成。數據采集系統(tǒng)由高精度溫度探頭（精度為±0.001 ℃）、位移傳感器（精度為±0.001 mm）、質量傳感器（精度為±1 g）分別與dataTaker DT80 數據采集儀相連，分別用來監(jiān)測試樣內溫度、土體凍脹變形和試驗過程中的補水量。

圖1 土體凍脹儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of soil frost heaving apparatus

1.2 試驗材料

試驗材料選自黃河中下游地區(qū)廣泛分布的粉土，其基本物理性質指標如表1所示。該土粉粒含量高、黏粒缺乏，級配嚴重不良，根據《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB 50007—2011）[19］可判定為低液限粉土。

表1 粉土的基本物理指標Table 1 Basic physical indicators of the silt

試驗用麥秸稈選自河北省，其基本性質如表2所示。由于秸稈莖節(jié)部分的抗拉強度較低且變異性較大，為保證試驗結果的可比性，選用除去莖節(jié)、粗細均勻的麥秸稈，并按需對其進行切斷處理。

表2 秸稈的基本情況Table 2 Basic information of the wheat straw

1.3 試驗設計

設計凍脹試驗方案（表3），重點研究秸稈長度和摻量對粉土凍脹的影響。土樣制樣時的含水率采用路基填筑工程中常用的最優(yōu)含水率14.6%，壓實中采用的壓實度為90%。由于目前對秸稈加筋土凍脹相關研究的缺乏，就秸稈長度和摻量的選擇，采用了其在力學性能測試中常用的長度和摻量[20-21］；同時較短長度的選擇，使秸稈在土中的分布更加均勻、更具隨機性，增加了不同試樣結果之間的可比性。

1.4 試驗方法

（1）材料準備。由于麥秸稈易在水的腐蝕下喪失抗拉強度，影響凍脹抑制作用的發(fā)揮。因此先將麥秸稈按照長度15 mm、20 mm、25 mm 和30 mm 剪斷，并將其放置在10%的聚乙烯醇溶液中防腐處理4 天，此時秸稈的防腐性能最優(yōu)，即具有較強的防水腐蝕能力和較高的抗拉強度，將其摻入土中后，即使受到長時間降雨的影響，其抗拉強度降幅很小[20］。之后，模擬自然風干條件，將浸泡后的麥秸稈置入烘箱中在40 ℃的溫度下烘干處理10 h，以排出水分的影響。

（2）試樣制備。以最優(yōu)含水率為配料控制指標，分別計算出試驗設計方案中各試樣所需水、粉土和秸稈的質量，分別將其拌和均勻后，燜料24 h，使水在土中均勻分布。以壓實度90%為制樣時的控制指標，計算出所需土料的質量，稱取土料并將其分層填筑到直徑20 cm 的試樣筒內，每層單獨擊實，達到要求高度后對接觸面處進行刮毛處理，成型試樣總高度14 cm。每組制備兩個試樣以進行平行試驗。

（3）調節(jié)馬氏補水瓶中的自由液面和試樣底部補水孔齊平，關閉馬氏補水瓶的進水管。將試樣連同頂底部冷板一同放置到低溫恒溫箱中，在試樣頂部冷板上部安裝位移傳感器。將溫度傳感器通過試樣筒側壁的圓孔由試樣筒底部沿土樣高度每隔2 cm 插入試樣中。設置數據采集儀采集頻率為5 min/次。在試樣筒的周圍包裹二氧化硅氣凝膠毯進行保溫。

（4）關閉低溫恒溫箱箱門，調節(jié)試樣頂底板連接的低溫恒溫冷浴和低溫恒溫箱溫度對土樣進行恒溫，待試樣溫度降至1 ℃后恒溫24 h。之后，保持底部冷板和周圍環(huán)境溫度不變，僅調節(jié)頂部冷板溫度，使土樣頂面溫度降至試驗設計的冷卻溫度后，打開馬氏補水瓶的進水管；進行試樣在設計頂端冷卻溫度下，開敞系統(tǒng)中的一維凍脹試驗。試驗過程中全程采集試樣內的溫度、試樣的凍脹變形和補水量。

（5）當試樣凍結完成后，將試樣從恒溫箱中取出，在低溫環(huán)境下用切樣器將土樣從試樣筒中推出，并沿高度方向每隔2 cm進行切割，每個切面取3個試樣采用烘干法測定其含水率。

2 粉土的凍脹特性分析

圖2 為開敞系統(tǒng)下相同初始含水率（14.6%）、壓實度（90%），不同頂端冷卻溫度下粉土凍結深度曲線和凍脹變形曲線。

從圖2（a）可以看出，當頂端冷卻溫度一定時，土樣的凍結深度隨凍結時間先增加，至某一深度后逐漸穩(wěn)定；隨頂端冷卻溫度的降低，土樣凍結速率逐漸增大，最大凍結深度也增加，但凍結穩(wěn)定時間減小。從圖2（b）可以看出，土樣的凍脹量隨凍結時間的增長而不斷增大，最終趨于穩(wěn)定；不同頂端冷卻溫度下，總凍脹量隨溫度的升高而增大，即-3 ℃、-5 ℃和-10 ℃土樣的總凍脹量分別為5.99 mm、3.46 mm 和2.23 mm，計算得到的凍脹率分別為5.22%、3.05%和1.74%，根據《凍土地區(qū)建筑地基基礎設計規(guī)范》（JGJ 118—2011）[22］中粉土的凍脹性分類，-3 ℃時的凍脹率5.22%介于3.5%和6%之間，可判定為凍脹，且為接近6%的強凍脹。

圖2 不同頂端冷卻溫度下粉土的凍脹曲線Fig.2 Frost heaving curves of silt with various top cooling temperatures：frost depth with time（a）and amount of frost heaving with time（b）

3 秸稈加筋對粉土凍脹特性的影響

試驗粉土在-3 ℃時具有較強的凍脹性，用該溫度作為秸稈加筋粉土凍脹試驗的控制溫度，重點從秸稈摻量和長度兩個方面研究秸稈加筋對粉土凍脹特性的影響。

3.1 不同秸稈摻量下粉土的凍脹特性

3.1.1 秸稈摻量對土樣內溫度和凍結深度的影響圖3 顯示的是不同秸稈摻量下、不同土樣高度內的溫度隨時間變化曲線，圖中虛線為各摻量下的凍結深度隨凍結時間變化曲線。其中-0.029 ℃、-0.036 ℃和-0.050 ℃分別為0.2%、0.4%和0.8%摻量下粉土的凍結溫度。

圖3 不同秸稈摻量下不同土樣高度處溫度隨時間的變化（T=-3 ℃，l=15 mm）Fig.3 Variations of soil temperature with time at different heights with various straw contents：c=0.2%（a），c=0.4%（b）and c=0.8%（c）（T=-3 ℃，l=15 mm）

可見，秸稈加筋試樣在不同秸稈摻量下的土樣內溫度總體變化趨勢基本相同，即距冷端不同深度處試樣內的溫度隨凍結時間的增長而降低，最終趨于穩(wěn)定。不同之處在于，高秸稈摻量下，試樣內凍結深度線的位置出現了上移。

從圖3中提取出各試樣的凍結深度隨時間的變化曲線，如圖4所示。可見，素土在凍結初期的凍結速率較秸稈加筋土大，后期差異減小。高摻量下，秸稈對土體凍結深度的影響較明顯，當秸稈摻量為0.2%和0.4%時，其凍結深度曲線接近，最大凍結深度和素土相差不大；而當秸稈摻量從0.2%增大到0.8%，最大凍結深度減小了26.4 mm，降幅較大。

3.1.2 秸稈摻量對土樣凍脹變形和凍脹率的影響圖5 為相同初始含水率（14.6%）、壓實度（90%）、頂端冷卻溫度（T=-3 ℃）和秸稈長度（l=15 mm）條件下，不同秸稈摻量粉土試樣的凍脹曲線。圖6 為秸稈摻量和土體凍脹關系曲線。圖7 為凍結完成后不同摻量下土樣內的含水率沿試樣高度的分布曲線。

圖5 不同秸稈摻量下土樣凍脹量隨時間的變化（T=-3 ℃，l=15 mm）Fig.5 Variations of amount of frost heaving of soil samples with time and various straw contents（T=-3 ℃，l=15 mm）

圖6 秸稈摻量和土體凍脹量的關系（T=-3 ℃，l=15 mm）Fig.6 Relationship between straw content and amount of frost heaving of soil samples（T=-3 ℃，l=15 mm）

圖7 土樣含水率隨高度的變化（T=-3 ℃，l=15 mm）Fig.7 Variations of soil moisture content of soil samples with height（T=-3 ℃，l=15 mm）

從圖5 可以看出，秸稈的摻加對土體凍脹有明顯的抑制作用。當摻量為0.2%時，土體凍脹量僅為0.74 mm，相比素土5.99 mm 的凍脹，大幅降低。但上述抑制作用并不隨秸稈摻量的增大而增強，而是呈現圖6所示凍脹量隨秸稈摻量的增加呈近似線性增大的趨勢。具體原因如下：在凍結過程中，隨著土中的水分相變成冰，土骨架受拉分離。冰的生長需要克服秸稈加筋土的抗拉強度，而秸稈的摻加對土體抗拉強度有提高作用，從而抑制凍脹。較小摻量對土體凍脹的抑制作用比較大摻量下顯著，原因在于隨著摻入量的增加，抗拉強度增長較慢，但秸稈外表面比較光滑，摻量增加后，土中水分通過麥秸稈和土顆粒的接觸面向冷端遷移的途徑增多，遷移的水量增大，凍結過程中產生的冰晶更多，從而產生較大的凍脹。此時盡管凍脹抑制作用減弱，但總體上均遠小于素土的凍脹量。此外可以看出，較小摻量下加筋粉土的凍脹量更小，說明少量摻加秸稈即可抑制土體的凍脹。

從圖7可以看出，在凍結鋒面以下，素土試樣中的含水量較大；但在凍結鋒面以上，秸稈摻量越大，土體中的含水量越高，說明摻加秸稈后凍結過程抽吸至凍結鋒面以上的水量越多，凍脹量相應也就增加。

土體凍脹率隨時間變化曲線如圖8所示?？梢钥闯?，摻加秸稈后粉土的凍脹率整體小于素土；且隨著凍結時間的增長，各試樣的凍脹率都呈現先增大后減小的趨勢，原因在于凍結初期的凍脹變形量相比凍結深度增加快；隨著凍結時間的增長，盡管凍脹變形總量增加，但凍結深度很深，致使凍脹率有所下降。因此，凍結穩(wěn)定時的凍脹率不是曲線上最大值，此時土樣凍結深度、凍脹變形量最大。

圖8 不同秸稈摻量下土樣凍脹率隨時間的變化（T=-3 ℃，l=15 mm）Fig.8 Variations of frost heaving ratio of soil samples with time and various straw contents（T=-3 ℃，l=15 mm）

凍結穩(wěn)定時土樣的凍脹率和秸稈摻量關系曲線如圖9 所示?？梢钥闯觯瑑鼋Y穩(wěn)定時的凍脹率和秸稈摻量間呈線性關系，原因在于隨著麥秸稈摻量的增加，試樣的最大凍結深度減小，而最大凍脹量增加，因此凍脹率增大。但值得注意的是，盡管凍脹率增加了，但均小于素土5.22%的凍脹率，且在較小摻量下的凍脹率更小，即少量摻加秸稈就會使得粉土進入弱凍脹和不凍脹的范圍。

圖9 秸稈摻量和土體凍脹率的關系（T=-3 ℃，l=15 mm）Fig.9 Relationship between straw content and frost heaving ratio of soil samples（T=-3 ℃，l=15 mm）

3.2 不同秸稈長度下粉土的凍脹特性

除秸稈摻量外，秸稈長度也會影響秸稈加筋土的抗拉強度，從而影響凍脹，下面重點就這方面的內容進行研究。

3.2.1 秸稈長度對土樣內溫度和凍結深度的影響

圖10顯示的是不同秸稈長度下、不同土樣高度內的溫度隨時間變化曲線，圖中虛線為各長度下的凍結深度隨凍結時間變化曲線。其中-0.036 ℃、-0.061 ℃、-0.069 ℃、-0.079 ℃分別是秸稈長度為15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 下加筋粉土的凍結溫度。

通過對比分析發(fā)現，四個試樣溫度的總體變化趨勢基本相同，距離冷端不同位置處土體溫度隨時間降低，并最終趨于穩(wěn)定，且在凍結過程中土內逐漸形成沿豎向自上而下遞增的溫度分布。

從圖10中提取出各試樣的凍結深度曲線，如圖11 所示?？梢钥闯?，摻加秸稈后土體的凍結深度均小于素土凍結深度，其中當秸稈長度為15 mm、25 mm 和30 mm土體的凍結深度分別為107.3 mm、110.0 mm和110.6 mm，略小于素土；而當秸稈長度為20 mm 時，土體凍結速率較慢、凍結深度最小為93.8 mm。

圖10 不同秸稈長度下不同土樣高度處溫度隨時間的變化（T=-3 ℃，c=0.4%）Fig.10 Variations of soil temperature with time at different heights with various straw lengths：l=15 mm（a），l=20 mm（b），l=25 mm（c）and l=30 mm（d）（T=-3 ℃，c=0.4%）

圖11 不同秸稈長度下土樣凍結深度隨時間的變化（T=-3 ℃，c=0.4%）Fig.11 Variations of frost depth of soil samples with time and various straw lengths（T=-3 ℃，c=0.4%）

3.2.2 秸稈長度對土樣凍脹變形和凍脹率的影響

圖12 為相同初始含水率（14.6%）、壓實度（90%）、頂端冷卻溫度（T=-3 ℃）和秸稈摻量（c=0.4%）時，不同秸稈長度下粉土試樣的凍脹曲線。圖13 為不同秸稈長度下不同時刻的粉土凍脹率曲線。從中可見，凍結穩(wěn)定時，秸稈長度為15 mm、20 mm、25 mm 和30 mm 的試樣凍脹量分別為1.26 mm、0.82 mm、1.73 mm 和1.99 mm，凍脹率分別為1.18%、0.88%、1.57%和1.74%，根據《凍土地區(qū)建筑地基基礎設計規(guī)范》（JGJ 118—2011）[22］，凍脹率為0.88%小于1%，為不凍脹；凍脹率為1.18%、1.57%和1.74%大于1%小于3.5%為弱凍脹，說明上述秸稈長度下粉土的凍脹得到了較好的抑制。同時可以看出，試樣凍脹量和凍脹率隨秸稈長度的增加呈先減小后增大的趨勢，判定存在一個最優(yōu)長度，此時試樣的凍脹變形量、凍脹率均獲得最小值。

圖12 不同秸稈長度下土樣凍脹量隨時間的變化（T=-3 ℃，c=0.4%）Fig.12 Variations of amount of frost heaving of soil samples with time and various straw lengths（T=-3 ℃，c=0.4%）

圖13 不同秸稈長度下土樣凍脹率隨時間的變化（T=-3 ℃，c=0.4%）Fig.13 Variations of frost heaving ratio of soil samples with time and various straw lengths（T=-3 ℃，c=0.4%）

圖14 給出了相同摻量（c=0.4%）、溫度（T=-3 ℃）和壓實度（90%）時，不同秸稈長度加筋土試樣的縱剖圖。從中可以看出，隨著秸稈長度的增加，秸稈在土中的分布逐漸趨于不均勻。當秸稈長度較短時，如圖14（a）中所示，土樣剖面處可見的秸稈根數較少，秸稈在土中的分布較隨機，秸稈交叉搭接數量少，對土體的約束作用較弱，土體抗拉強度的提升不明顯。當秸稈長度太長，如圖14（d）中所示，秸稈分布雜亂，且筋土分離現象嚴重，影響抗拉強度的發(fā)揮。當長度適中時，秸稈與土體的結合緊密，秸稈在土樣內分布均勻，如圖14（b）中所示，此時秸稈在土體中會形成較穩(wěn)定的網架結構，使秸稈的抗拉強度達到最大，對土體的約束作用最強，凍脹抑制相應較明顯。

圖14 不同秸稈長度下的試樣剖面（T=-3 ℃，c=0.4%）Fig.14 Profiles of soil samples with various straw lengths（T=-3 ℃，c=0.4%）

4 結論

本文基于秸稈加筋粉土在相同溫度、開敞系統(tǒng)中的一維凍脹試驗，重點研究了秸稈摻量和長度對粉土凍脹特性的影響，通過凍結深度、凍脹量和凍脹率等指標的對比分析，得出如下結論：

（1）秸稈的摻加對粉土凍脹具有較強的抑制作用，對接近強凍脹的粉土，低摻量如0.2%、短長度如15 mm 的秸稈摻加就會使其進入不凍脹范圍。

（2）秸稈的摻加對粉土的凍結深度有影響，其他條件相同的情況下，凍結深度隨秸稈摻量的增加而減小；隨秸稈長度的增加先減小后增大，但均小于不摻加秸稈時粉土的凍結深度。

（3）在試驗范圍內，其他條件相同的情況下，秸稈加筋粉土的凍脹量和凍脹率均隨秸稈摻量的增加而線性增大，均隨秸稈長度的增加呈先減小后增大，但均遠小于素土的凍脹量和凍脹率。本試驗條件下，存在一個最優(yōu)摻量0.4%和最優(yōu)長度20 mm，該組合對秸稈加筋粉土的凍脹變形具有顯著的抑制作用，可在實際工程中推薦使用。