解邦龍， 張吾渝，3， 孫翔龍， 劉樂青， 劉成奎

（1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海西寧 810016； 2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海西寧 810016； 3.青海省高原綠色建筑與生態(tài)社區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海西寧 810008； 4.青海省建筑建材科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，青海西寧 810008）

0 引言

凍融循環(huán)作用通過影響土體內(nèi)部水相變而導(dǎo)致土體強(qiáng)度劣化和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)損害等問題，而青海季節(jié)性凍土地區(qū)分布廣泛[1］，凍融循環(huán)作用作為季凍區(qū)常見的物理作用之一，會(huì)對(duì)地基產(chǎn)生不均勻沉降、凍脹裂縫等常見的工程問題，影響建筑的正常使用。與此同時(shí)，青海黃土面積分布廣泛，濕陷性等級(jí)高且土層厚，同樣危害著本地區(qū)的工程建設(shè)，兩者作用的雙重影響對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工提出更高的要求。

為減少凍融循環(huán)作用所帶來的危害，許多學(xué)者研究?jī)鋈谘h(huán)作用對(duì)黃土性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)凍融過程中水力重分布、凍融循環(huán)次數(shù)及溫度是對(duì)土體力學(xué)性能影響較大的因素[2-3］，Zhou等[4］通過對(duì)長(zhǎng)期凍融黃土進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)黃土的強(qiáng)度影響較大，循環(huán)次數(shù)越多，試樣的后期強(qiáng)度變化趨于穩(wěn)定；胡田飛等[5］研究發(fā)現(xiàn)凍融過程中隨著溫度的降低，土體的凍脹和凍縮逐漸減小，而強(qiáng)度先減小后增大；張翻等[6］基于Johansen 法反演不同溫度時(shí)未凍含水量的變化，發(fā)現(xiàn)隨著土體溫度的降低，未凍水含量、土水勢(shì)等先減小后趨于穩(wěn)定。由此看出，凍融循環(huán)過程中循環(huán)次數(shù)對(duì)土體性能影響較大。

同時(shí)，實(shí)際工程中為處理黃土的不良性質(zhì)通常采用換土墊層法進(jìn)行處理，常以2∶8 灰土和3∶7 灰土作為墊層材料而保證地基土承載力滿足設(shè)計(jì)和施工要求。因此，許多學(xué)者采用石灰或其他改性材料研究土體的改良性能，張磊等[7］、楊晴等[8］對(duì)改性生土材料進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)后測(cè)定其力學(xué)特性，研究發(fā)現(xiàn)凍融前后改性生土材料的強(qiáng)度較素土有所提高，且隨著改性材料摻量的增加其強(qiáng)度提高；周宇等[9］采用石灰對(duì)紅層進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)摻入石灰可以提高紅層的抗壓強(qiáng)度，且隨著摻量的增加其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大；胡再?gòu)?qiáng)等[10］通過對(duì)凍融循環(huán)后石灰改性黃土進(jìn)行固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，改性黃土的強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，隨著石灰摻量的增加，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線由弱硬化型向弱軟化型過渡；Zhang 等[11］以石灰改良黃土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加其強(qiáng)度降低，但強(qiáng)度有所波動(dòng)；Nguyen等[12］以石灰改良細(xì)粒土為研究對(duì)象，經(jīng)歷凍融循環(huán)后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和微觀試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由于凍融作用試樣內(nèi)部冰晶體形態(tài)的變化導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，但石灰可以提高土體的抗凍融性。

凍融循環(huán)作用不僅對(duì)土體的宏觀力學(xué)產(chǎn)生影響，而且也影響土體的微觀結(jié)構(gòu)，許建等[13-15］研究發(fā)現(xiàn)凍融作用對(duì)原狀黃土結(jié)構(gòu)的破壞較重塑黃土嚴(yán)重，但凍融作用使土體內(nèi)部顆粒排列疏松、膠結(jié)強(qiáng)度變差；陳鑫等[16］對(duì)重塑黃土進(jìn)行微觀試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加黃土孔隙率先增加后減小且趨于穩(wěn)定。以微觀試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)分析凍融循環(huán)對(duì)土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、成分及顆粒、孔隙影響的研究逐漸深入。

綜上所述，凍融循環(huán)次數(shù)等條件對(duì)土體性能的影響較為顯著，以往研究采用恒溫凍結(jié)、恒溫融化的凍融循環(huán)試驗(yàn)，而模擬實(shí)際氣候變化的凍融循化試驗(yàn)研究不足。本試驗(yàn)為模擬氣候變化設(shè)定不同溫控曲線，研究不同溫控曲線對(duì)石灰改良黃土力學(xué)性能的影響。通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)和微觀試驗(yàn)對(duì)石灰改良黃土的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究結(jié)論將為青海季節(jié)性地區(qū)地基處理工程提供參考，為凍融循環(huán)試驗(yàn)中溫控曲線的設(shè)定提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用黃土取自青海省西寧市城北區(qū)某場(chǎng)地，如圖1 所示，地理位置為101.753 E，36.754 N，黃土的基本物理性質(zhì)如表1所示，擊實(shí)曲線、顆粒篩分曲線及化學(xué)組分如圖2、圖3 和圖4 所示。該黃土的不均勻系數(shù)為20，曲率系數(shù)為0.242，屬于顆粒級(jí)配不良土。

表1 土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of soil

圖1 取土場(chǎng)地位置Fig.1 The location of the borrow site

由黃土的XRD 衍射譜圖（圖4）發(fā)現(xiàn)，黃土中存在較多的特征衍射峰，以SiO2、CaCO3、Fe2O3和Al2O3物質(zhì)為主要礦物成分。

圖4 黃土的XRD衍射圖Fig.4 XRD diffraction pattern of loess

試驗(yàn)所用熟石灰基本物性參數(shù)如表2，顆粒分布曲線如圖3，采用Mastersizer 2000 激光粒度分析測(cè)試儀對(duì)熟石灰的粒度分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)熟石灰的中值粒徑d（0.5）=8.034，黃土為d（0.5）=31.484，熟石灰的中值粒徑較少。熟石灰的化學(xué)組分如圖5所示，熟石灰中以Ca（OH）2為主要成分，但由于空氣中含有CO2和H2O，與Ca（OH）2結(jié)合轉(zhuǎn)化為碳酸鈣晶體（CaCO3），因此通過X 射線衍射譜圖可以發(fā)現(xiàn)熟石灰中以CaCO3為主要礦物成分。

圖5 熟石灰的XRD衍射圖Fig.5 XRD diffraction pattern of lime

表2 熟石灰的基本物性參數(shù)Table 2 Basic physical parameters of lime

圖3 試樣的顆粒篩分曲線圖Fig.3 The curve of grain size distribution of sample

按體積比配制灰土試樣，其基本性質(zhì)如表1 所示，擊實(shí)曲線匯總于圖2 中。將黃土碾碎放入烘箱（烘箱溫度為110 ℃）烘8 h，再將黃土過2 mm 分析篩，以黃土的最優(yōu)含水率和最大干密度為控制變量，采用壓實(shí)度為97%，按2∶8 和3∶7 的體積比配制灰土，配制試樣時(shí)需先將體積比換算為質(zhì)量比，以保證試樣的精準(zhǔn)性。將配制的土樣靜置24 h后用三瓣膜制樣，采用分層擊實(shí)法制成直徑為39.10 mm，高為80.00 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。同時(shí)，為保證凍融過程中試樣含水率一定，采用保鮮膜包裹、密封袋密封的方式使試樣處于封閉環(huán)境。所采用的灰土試樣不進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，因而將制備好的試樣放入凍融箱進(jìn)行凍融試驗(yàn)，同時(shí)，將未凍融的試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，保證所有試樣的試驗(yàn)時(shí)機(jī)一致。

圖2 試樣的擊實(shí)曲線Fig.2 Compaction curve of sample

在試樣制備過程中，為保證試驗(yàn)結(jié)果離散型較小，每組試驗(yàn)將設(shè)置平行試樣，每個(gè)試樣的干密度相差不超過0.01 g·cm-3，含水率相差不超過0.1%。

微觀試樣制備是將達(dá)到預(yù)定凍融循環(huán)次數(shù)后的灰土試樣放入烘箱烘干，以試樣中心截面為標(biāo)準(zhǔn)制作微觀試樣，微觀試樣尺寸為長(zhǎng)×寬×高=2 cm ×1 cm ×1 cm，并在中間位置刻細(xì)槽，在進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)時(shí)便于掰斷取試樣的天然斷面作為掃描截面。

1.2 試驗(yàn)方案

將制備好的試樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，儀器采用凍脹循環(huán)試驗(yàn)箱（TMS9018—500）。為模擬青海省季節(jié)性地區(qū)氣候?qū)τ诘鼗馏w的影響，根據(jù)青海近五年冬季平均氣溫選擇凍融溫度，凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為0 次、2 次、4 次、6 次、8 次、10 次、15 次和20 次，以凍結(jié)12 h、融化12 h為一次凍融循環(huán)。

由于外界環(huán)境溫度變化方式較復(fù)雜，青海地區(qū)的晝夜溫差較大（冬季晝夜溫度相差約17 ℃左右），因此，采用正弦曲線[圖6（a）］模擬每日地面溫度變化趨勢(shì)，同時(shí)當(dāng)?shù)貧鉁匾泊嬖跍囟瘸掷m(xù)降低的現(xiàn)象，將采用三角波[圖6（b）］進(jìn)行模擬；而對(duì)地表以下的凍土層，地表溫度向地中傳播存在衰減和滯后[17］，溫度相對(duì)穩(wěn)定，因而采用矩形波[圖6（c）］進(jìn)行模擬。試驗(yàn)中為模擬溫度變化方式且保證各因素變量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的單一影響，以正弦曲線為標(biāo)準(zhǔn)[圖6（a）］，溫度設(shè)定為±15 ℃，將正弦曲線記做1#曲線，線性曲線分別記做2#、3#溫控曲線，采用公式（3）和（4）得到2#和3#溫控曲線所設(shè)定的溫度值。

圖6 試驗(yàn)過程所設(shè)定的溫控曲線Fig.6 Temperature control curve set during the test

參照張國(guó)新[18］提出的熱積概念，在相同條件時(shí)儀器輸入總熱能（Q）與所經(jīng)歷溫度（T）對(duì)時(shí)間（t）積分成正比，

以1#溫控曲線所模擬的溫度變化為標(biāo)準(zhǔn)，函數(shù)為

則利用公式（3）和（4）對(duì)2#和3#溫控溫度進(jìn)行求解，得到各曲線的溫度值。

式中：k為三角波曲線的斜率；b為方形波曲線的截距。

利用式（3）和（4）計(jì)算得出2#溫控曲線所設(shè)定的溫度值為±19.1 ℃，3#溫控曲線所設(shè)定的溫度值為±9.55 ℃。待2∶8 灰土和3∶7 灰土試樣在1#、2#、3#溫控曲線下達(dá)到預(yù)定凍融循環(huán)次數(shù)后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，儀器采用YYW-2 型無側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀，研究不同溫控曲線及凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)石灰改良黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。同時(shí)，利用掃描電鏡儀、XRD 衍射儀和顆粒及裂隙圖像識(shí)別與分析系統(tǒng)（PCAS）對(duì)試樣進(jìn)行微觀結(jié)果分析，得到SEM 圖像、XRD 譜圖和微觀定量參數(shù)，研究試樣的微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1.1 抗壓強(qiáng)度

凍融循環(huán)試驗(yàn)中溫度場(chǎng)的變化規(guī)律存在差異，對(duì)灰土強(qiáng)度等性能產(chǎn)生不同影響。從圖6可以發(fā)現(xiàn)1#溫控曲線的溫度隨時(shí)間變化較平緩，臨界溫度的變化對(duì)土體強(qiáng)度和水分影響較小，經(jīng)歷多次凍融循環(huán)作用后，內(nèi)部水分對(duì)試樣強(qiáng)度的影響逐漸顯著，凍融循環(huán)次數(shù)越多，強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定，因此強(qiáng)度損失率降低（相鄰凍融循環(huán)次數(shù)的強(qiáng)度損失率最大為10%左右）；針對(duì)2#、3#溫控曲線而言，凍結(jié)溫度和融化溫度的臨界溫度存在驟變現(xiàn)象，液態(tài)水與固態(tài)冰的相互轉(zhuǎn)化對(duì)灰土結(jié)構(gòu)的破壞效果比1#溫控曲線顯著，強(qiáng)度損失率高（相鄰凍融循環(huán)次數(shù)的強(qiáng)度損失率最大達(dá)到15%~30%），其強(qiáng)度較1#溫控曲線試樣的強(qiáng)度損失較多。

圖7 所示為不同溫控曲線時(shí)灰土抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系的變化曲線。從圖7 發(fā)現(xiàn)3∶7灰土的初始強(qiáng)度為437 kPa，2∶8 灰土的初始強(qiáng)度為342 kPa，3∶7 灰土初始強(qiáng)度相較于2∶8 灰土初始強(qiáng)度高，表明熟石灰體積占比越高，在同一標(biāo)準(zhǔn)下所制得試樣的強(qiáng)度越高，其性能相對(duì)較好。因此，采用相同溫控曲線和經(jīng)歷相同次數(shù)的凍融循環(huán)作用時(shí)，3∶7灰土經(jīng)歷凍融循環(huán)后的強(qiáng)度高于2∶8灰土凍融后的強(qiáng)度（由圖7發(fā)現(xiàn)）。

圖7 不同溫控曲線對(duì)灰土抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.7 The relationship between different temperature control curves and the compressive strength of lime-improved loess and the number of freeze-thaw cycles

從圖7發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，3∶7灰土和2∶8 灰土抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，灰土抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律主要呈現(xiàn)兩個(gè)階段，第一階段為凍融循環(huán)0~6次，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加強(qiáng)度逐漸降低。經(jīng)歷0~6次凍融循環(huán)過程中灰土強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，說明水相變導(dǎo)致試樣的結(jié)構(gòu)破壞，土顆粒間的黏結(jié)效果減弱，灰土內(nèi)部孔隙增多，其強(qiáng)度劣化；第二階段為凍融循環(huán)8~20次，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加強(qiáng)度提高且逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)經(jīng)歷8~20次凍融循環(huán)時(shí)，試樣強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸提高，是由于凍融過程中水在自重作用和凍結(jié)力的影響下，水?dāng)y帶的微小土顆粒及礦物顆粒逐漸填充試樣內(nèi)部孔隙，試樣相較于前期較密實(shí)，因而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，灰土強(qiáng)度提高，但強(qiáng)度始終小于未凍融試樣強(qiáng)度。凍融循環(huán)作用會(huì)改變土中粒徑和孔隙形狀，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加強(qiáng)度會(huì)提高，對(duì)土顆粒間聯(lián)結(jié)存在強(qiáng)化作用[19］，凍融循環(huán)次數(shù)的增加對(duì)土體強(qiáng)度存在增強(qiáng)效果。

對(duì)凍融循環(huán)2 次和20 次3∶7 灰土試樣放大2 000 倍發(fā)現(xiàn)（圖8），在不同凍融循環(huán)次數(shù)的試樣中均存在針狀物質(zhì)，說明土顆粒表面的礦物顆粒與熟石灰發(fā)生反應(yīng)生成了不溶性水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣[20］，這些膠凝物質(zhì)與土顆粒黏結(jié)會(huì)提高灰土的抗壓強(qiáng)度，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，灰土內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)也逐漸穩(wěn)定，但由于土顆粒表面存在的活性礦物成分較少，化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生于土顆粒表面，因而試樣內(nèi)部生成的膠凝物質(zhì)含量差異較小，從圖8 發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)2 次和20 次時(shí)3∶7 灰土內(nèi)部均存在膠凝物質(zhì)，但凍融次數(shù)較少時(shí)內(nèi)部膠凝物質(zhì)呈現(xiàn)獨(dú)立分布為主，而凍融循環(huán)次數(shù)較多時(shí)以聚集分布為主，此時(shí)膠凝物質(zhì)與土顆粒黏結(jié)緊密，獲得更高的強(qiáng)度。

圖8 不同凍融循環(huán)次數(shù)時(shí)3∶7灰土的SEM圖像（×2 000倍）Fig.8 SEM image of lime-improved loess（3∶7）under different freeze-thaw cycles（×2 000 times）

2.1.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

當(dāng)經(jīng)歷0~6次凍融循環(huán)時(shí)，灰土的抗壓強(qiáng)度逐漸下降，由于經(jīng)歷的凍融周期較短，反應(yīng)生成的膠凝物質(zhì)較少且未相互膠結(jié)，強(qiáng)度較低，此時(shí)凍融循環(huán)作用占主導(dǎo)地位；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加（凍融循環(huán)次數(shù)8~20次），土顆粒的破損程度逐漸增強(qiáng)，與熟石灰的接觸面積增多，化學(xué)反應(yīng)生成的膠凝物質(zhì)增加，灰土的強(qiáng)度提高。因此選擇經(jīng)歷凍融循環(huán)2次、6次、10次和20次后灰土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析（圖9）。

從圖9 發(fā)現(xiàn)，3∶7 灰土和2∶8 灰土在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特征，凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)灰土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線更傾向于應(yīng)變?nèi)踯浕停S凍融循環(huán)次數(shù)增加其應(yīng)力-應(yīng)變曲線向應(yīng)變強(qiáng)軟化型過渡。因此，將灰土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為三個(gè)階段，一為初始線彈性階段，該階段灰土的應(yīng)力-應(yīng)變呈現(xiàn)彈性變形；二為峰值前非線性階段，該階段灰土的應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增大，試樣的抗壓強(qiáng)度達(dá)到其最大值；三為后峰值殘余階段，該階段灰土強(qiáng)度驟降且存在殘余應(yīng)力，隨著軸向應(yīng)變的不斷增加強(qiáng)度上下波動(dòng)但逐漸趨于穩(wěn)定。分析其原因發(fā)現(xiàn)在加載初期，當(dāng)灰土受到豎向荷載時(shí)，外荷載對(duì)灰土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，土顆粒間孔隙減小，裂縫不斷壓密，此時(shí)灰土的應(yīng)力-應(yīng)變近似彈性變形階段；當(dāng)荷載持續(xù)增加時(shí)，外荷載不足以破壞試樣的初始結(jié)構(gòu)，隨著外荷載的增大，試樣表面開始出現(xiàn)裂縫，灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值；當(dāng)達(dá)到峰值抗壓強(qiáng)度后，試樣表面的裂縫不斷開展，當(dāng)土體結(jié)構(gòu)不足以抵抗外部荷載時(shí)試樣突然破壞，裂縫貫穿試樣內(nèi)部，但在外荷載的約束下殘余強(qiáng)度仍可抵抗部分荷載，故應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)殘余變形階段。

對(duì)比分析圖9（a）~9（f）發(fā)現(xiàn)，試樣經(jīng)歷1#溫控曲線時(shí)灰土的峰值抗壓強(qiáng)度相較于2#、3#溫控曲線時(shí)降低6%~12%左右，而2#、3#溫控曲線時(shí)的抗壓強(qiáng)度相差6.5%左右，表明2#、3#溫控曲線對(duì)試樣的凍融效果相似，對(duì)試樣的破壞程度較強(qiáng)，1#溫控曲線對(duì)試樣的破壞程度較弱。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，經(jīng)歷不同溫控曲線時(shí)試樣破壞時(shí)的軸向應(yīng)變有所不同，經(jīng)歷1#溫控曲線時(shí)其軸向應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的增加前移，該溫控曲線模式下，所經(jīng)歷的凍融次數(shù)越多，試樣達(dá)到峰值抗壓強(qiáng)度時(shí)的軸向應(yīng)變?cè)叫?，延性越差；?#、3#溫控曲線時(shí)軸向應(yīng)變后移，說明試樣延性有所增加，經(jīng)歷2#、3#溫控曲線時(shí)試樣破壞的軸向應(yīng)變大致相同。

圖9 不同溫控曲線時(shí)灰土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖Fig.9 The stress-strain relationship curve of lime-improved loess under different temperature control curves

2.1.3 彈性模量

彈性模量是與強(qiáng)度相關(guān)的工程參數(shù)之一，因此根據(jù)陳濤[21］對(duì)初始彈性模量的解釋，將應(yīng)力-應(yīng)變曲線中初始變形階段內(nèi)呈現(xiàn)線性變化階段的曲線為依據(jù)，獲得土體的初始彈性模量，圖10 給出了不同溫控曲線時(shí)2∶8 灰土和3∶7 灰土初始彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系曲線。

從圖10 中看出在不同溫控曲線下灰土的初始彈性模量呈指數(shù)形式遞減，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加初始彈性模量減小，說明經(jīng)歷凍融循環(huán)次數(shù)越多，試樣內(nèi)部風(fēng)化的土顆粒越多，膠凝物質(zhì)與土顆粒間呈網(wǎng)狀分布，可壓縮性反而增加，灰土的彈性模量減小。同時(shí)，圖10 給出了對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的擬合曲線及對(duì)應(yīng)的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷不同的溫控曲線時(shí)，2∶8 灰土和3∶7 灰土在經(jīng)歷1#溫控曲線時(shí)初始彈性模量較小，2#溫控曲線和3#溫控曲線的初始彈性模量較大。

圖10 初始彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系曲線Fig.10 The relationship curve between the initial elastic modulus and the number of freeze-thaw cycles

2.2 SEM試驗(yàn)

為更好地分析上述試驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律，對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)和不同溫控曲線的灰土試樣進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，分析不同凍融循環(huán)次數(shù)時(shí)灰土微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。由于本試驗(yàn)內(nèi)容較多，而從宏觀力學(xué)角度分析發(fā)現(xiàn)，3∶7灰土和2∶8灰土存在相似的變化規(guī)律，試樣在凍融循環(huán)6 次時(shí)，強(qiáng)度最低，而后14 次凍融循環(huán)過程中強(qiáng)度逐漸提高，因此選取經(jīng)歷凍融循環(huán)6 次和20 次的3∶7 灰土試樣進(jìn)行微觀分析。

圖11 給出了不同溫控曲線時(shí)3∶7 灰土的SEM圖像。從圖11可以看出，試樣經(jīng)歷相同的溫控曲線時(shí)，凍融循環(huán)6次時(shí)試樣內(nèi)部以大孔隙為主，顆粒形態(tài)較為完整，土顆粒棱角分明，且土顆粒間以點(diǎn)-點(diǎn)和點(diǎn)-面接觸為主，熟石灰僅依附于土顆粒表面，未與土顆粒相互黏結(jié)。同時(shí)，由于水相變導(dǎo)致試樣內(nèi)部存在很多微小顆粒，散亂分布于土顆粒表面與孔隙中，土顆粒間以鑲嵌排列為主，架空排列也存在微觀結(jié)構(gòu)中；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，從SEM 圖像發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部逐漸密實(shí)，內(nèi)部孔隙逐漸被細(xì)小顆粒填充，顆粒間的接觸方式向面-面接觸轉(zhuǎn)變，試樣能承受的強(qiáng)度提高，而凍融循環(huán)20次時(shí)試樣的掃描電鏡圖像反映出反復(fù)凍融循環(huán)作用對(duì)灰土結(jié)構(gòu)具有破壞作用，但整體結(jié)構(gòu)相較于凍融循環(huán)6 次時(shí)試樣的結(jié)構(gòu)較密實(shí)，付翔宇等[22］對(duì)凍融循環(huán)后的富平黃土微觀結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷4 次凍融循環(huán)作用時(shí)，較大土顆粒分解，土顆粒間存在鑲嵌排列和架空排列；超過10 次凍融循環(huán)時(shí)，大量微小顆粒填充孔隙間，鑲嵌排列形式較多，這與本文微觀分析結(jié)果相似。

圖11 不同溫控曲線時(shí)3∶7灰土的SEM圖像（×500）Fig.11 SEM images of 3∶7 lime-improved loess under different temperature control curves（×500 times）

不同溫控曲線時(shí)灰土的微觀結(jié)構(gòu)也存在差異性。1#溫控曲線溫度逐漸降低且更貼切實(shí)際工況，從微觀圖像發(fā)現(xiàn)1#曲線下試樣內(nèi)部孔隙較大且細(xì)小顆粒分布較少，土顆粒形態(tài)較完整，內(nèi)部顆粒排列較松散，而2#、3#溫控曲線的臨界溫度驟降，對(duì)土體的破壞程度較低，水分對(duì)于土顆粒的破壞效果明顯，內(nèi)部以小顆粒為主，大顆粒較少。因此，從微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)1#溫控曲線對(duì)于土體結(jié)構(gòu)的損傷程度較弱。

2.3 基于PCAS 分析軟件對(duì)SEM 圖像孔隙特征進(jìn)行識(shí)別

采用顆粒及裂隙識(shí)別與分析系統(tǒng)（PCAS）對(duì)掃描電鏡圖像進(jìn)行二值化處理，二值化處理后的部分圖像如圖12 所示，其中白色代表孔隙，黑色代表土體。同時(shí)，提取相關(guān)微觀特征參數(shù)（如分布分維、概率熵）對(duì)土體進(jìn)行定量分析。PCAS 是通過進(jìn)行種子運(yùn)算和腐蝕運(yùn)算，識(shí)別SEM 圖像上的各種種子孔隙，最終獲得真實(shí)孔隙[23］。從圖12 可以看出，凍融循環(huán)次數(shù)為6 次時(shí)圖像內(nèi)部黑色部分較多，且土顆粒形態(tài)較為明顯；而凍融循環(huán)次數(shù)為20 次時(shí)的圖像內(nèi)部白色部分較多，且相互連結(jié)，內(nèi)部孔隙較多。

圖12 不同溫控曲線時(shí)3∶7灰土的二值化圖像Fig.12 The binary images of 3∶7 lime-improved loess under different temperature control curves

圖13給出了微觀參數(shù)概率熵、分形維數(shù)和平均形狀系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。概率熵是描述土體孔隙、顆粒分布有序性的參數(shù)，概率熵越接近于1，內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布越無序；分形維數(shù)是描述土體內(nèi)部顆粒和孔隙復(fù)雜性的參數(shù)，該值越大，其內(nèi)部物質(zhì)的分布越復(fù)雜、越密實(shí)；而平均形狀系數(shù)是對(duì)內(nèi)部孔隙形態(tài)定量描述的參數(shù)，值越大孔隙形態(tài)越圓滑。通過圖13 發(fā)現(xiàn)，凍融前6 次時(shí)試樣內(nèi)部孔隙以圓滑分布為主且內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列疏松，分析其變化規(guī)律主要由于水相變導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)疏松，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到持續(xù)破壞。而凍融到20次時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，概率熵、分形維數(shù)和平均形狀系數(shù)變化幅度較小，說明凍融循環(huán)次數(shù)的增加，對(duì)土體結(jié)構(gòu)破壞的作用減弱，而細(xì)小顆粒在水分遷移和融沉作用下致使結(jié)構(gòu)密實(shí)，顆粒間排列緊密且孔隙較少。

圖13 不同溫控曲線時(shí)灰土的微觀定量參數(shù)變化Fig.13 Changes of microscopic quantitative parameters of lime-improved loess under different temperature control curves

相較于2#、3#溫控曲線模式，1#溫控曲線模式下試樣的分形維數(shù)較小，平均系數(shù)較大，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為疏松，內(nèi)部孔隙形態(tài)也較為圓滑，2#、3#這2 種溫控曲線時(shí)灰土結(jié)構(gòu)較密實(shí)，孔隙形態(tài)以狹長(zhǎng)型為主，分布形態(tài)較復(fù)雜。

2.4 XRD試驗(yàn)

從圖11 所示的SEM 圖像可以發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部存在很多細(xì)小顆粒依附于土顆粒表面，部分是由于凍融循環(huán)作用而剝落的細(xì)小土顆粒，部分是由于熟石灰和黃土內(nèi)部物質(zhì)間存在反應(yīng)而生成膠凝物質(zhì)。因此對(duì)試驗(yàn)后的樣品粉末進(jìn)行XRD試驗(yàn)，對(duì)內(nèi)部礦物成分進(jìn)行分析。圖14 為凍融循環(huán)過程中不同摻量灰土的XRD圖譜。

圖14（a）和14（b）看出3∶7 灰土和2∶8 灰土中主要以SiO2和CaCO3為主，衍射峰主要集中于25°~30°之間。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，灰土強(qiáng)度有所變化，相較于初始的灰土特征衍射峰，凍融循環(huán)6次后SiO2和CaCO3衍射峰出現(xiàn)不同程度的減弱，其余礦物成分也存在細(xì)小的弱化。而凍融循環(huán)20次后，灰土中含有的衍射峰增強(qiáng)[24］，比較凍融循環(huán)后灰土衍射峰的變化幅度，發(fā)現(xiàn)凍融6次時(shí)其衍射強(qiáng)度最低。

圖14 凍融循環(huán)過程中灰土的XRD圖譜Fig.14 XRD image of lime-improved loess during freeze-thaw cycle

對(duì)比凍融前后灰土的礦物成分變化，發(fā)現(xiàn)凍融前灰土內(nèi)含有較多的SiO2和CaCO3，隨著凍融循環(huán)作用對(duì)灰土內(nèi)部礦物的影響，礦物成分逐漸減少，SiO2和CaCO3等對(duì)應(yīng)的特征衍射峰減少，這是由于土顆粒表面的二氧化硅等活性礦物顆粒和熟石灰產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，消耗了部分的活性礦物成分（衍射角22°~30°，50°，70°左右），同時(shí)有一些新的特征衍射峰出現(xiàn)（衍射角30°，40°，50°左右），說明確有新的物質(zhì)生成起到填充、膠結(jié)的作用。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)3∶7 灰土和2∶8 灰土經(jīng)歷不同溫控曲線時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和微觀規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)，分析3 種溫控曲線對(duì)試樣性能的影響，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）不同摻量灰土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以應(yīng)變軟化型為主，曲線可大致分為初始線彈性階段，峰值前非線性階段和后峰值殘余階段，且前6 次試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低，而繼續(xù)進(jìn)行凍融循環(huán)后其強(qiáng)度有所上升。同時(shí)，1#溫控曲線對(duì)灰土強(qiáng)度的影響程度較弱，且溫控曲線的溫度變化更符合自然溫度變化對(duì)于土體性能的影響。

（2）隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，灰土內(nèi)部顆粒的排列方式由點(diǎn)-點(diǎn)接觸、點(diǎn)-面接觸向面-面接觸轉(zhuǎn)變，凍融6 次時(shí)灰土內(nèi)部相較于20 次時(shí)孔隙分布多且顆粒排列疏松。1#溫控曲線的溫度變化規(guī)律導(dǎo)致水對(duì)土體結(jié)構(gòu)的影響作用較弱，對(duì)試樣強(qiáng)度的影響程度較弱，試樣微觀定量參數(shù)的變化幅度比其余溫控曲線較明顯。

（3）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，灰土的強(qiáng)度有所變化，相較于灰土的初始特征衍射峰，凍融循環(huán)6次后SiO2和CaCO3等衍射峰出現(xiàn)不同程度的減弱，其余礦物成分也存在細(xì)微的弱化，而凍融20 次后，灰土中含有的衍射峰有所增強(qiáng)。