趙娜梅

(甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

在工程建設(shè)中，高填方路基是主流的施工形式之一，而路基填料是影響高填方路基固化的重要因素之一，同時(shí)也是業(yè)內(nèi)的技術(shù)重點(diǎn)。從工程建設(shè)角度分析，雖然水泥固化土存在經(jīng)濟(jì)性好、施工便捷、建設(shè)成效高等優(yōu)勢(shì)，但是在季節(jié)性凍土區(qū)中還需要充分考慮凍融損傷造成的影響。因此，本文通過一系列試驗(yàn)，分析水泥固化路基在季節(jié)性凍土區(qū)條件下的凍融損傷規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土樣物理性質(zhì)

為深入研究?jī)鋈趽p傷條件下水泥固化路基的力學(xué)特征，本試驗(yàn)選取某季節(jié)性凍土區(qū)二級(jí)路面基層土作為試驗(yàn)土樣，為實(shí)現(xiàn)低液限黏土目標(biāo)，對(duì)樣土進(jìn)行篩分試驗(yàn)，并得出級(jí)配曲線，其中粒徑在0.075 mm以下以及0.005 mm以下的顆粒分別占總比例的24.91%以及15.49%，黏粒占比相對(duì)較高。素土物理性質(zhì)情況如表1所示。

表1 素土物理性質(zhì)

1.2 試樣制備

在實(shí)際開展本次試驗(yàn)過程中，選擇比標(biāo)號(hào)為32.5的普通硅酸鹽水泥，并將其初凝時(shí)間控制在1～3 h[1]，在具體試驗(yàn)過程中，采用2%、4%、6%、8%及10% 5種水泥占比方案。選用規(guī)格為61.8 mm×125 mm、壓實(shí)度為95%的圓柱試樣開展凍融循環(huán)條件下無限側(cè)以及三軸試驗(yàn)。

在實(shí)際制備試樣過程中，在水泥初凝時(shí)間范圍內(nèi)分5層達(dá)成擊實(shí)成件目標(biāo)。隨后，利用保鮮膜以及密封袋將試樣密封并放置于恒溫(20±2℃)以及相對(duì)濕度95%以上的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)生處理，時(shí)間分別設(shè)定為7 d、28 d以及60 d。隨后選擇滿足養(yǎng)生時(shí)間設(shè)定的試樣在高低溫交變箱設(shè)備中開展0、1、3、5、9、15次凍融循環(huán)操作，冷卻負(fù)溫以及融合溫度分別設(shè)定為-5℃、-10℃以及-15℃ 3個(gè)檔次以及20℃，設(shè)定試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)12 h。

依照工程實(shí)際情況，設(shè)定在圍壓50 kPa以及100 kPa條件下開展三軸試驗(yàn)，針對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下的試驗(yàn)進(jìn)行無限側(cè)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及不固結(jié)不排水剪切三軸試驗(yàn)?？紤]到試驗(yàn)中養(yǎng)生時(shí)間會(huì)隨著凍融循環(huán)進(jìn)程推進(jìn)而提升，由此，選取養(yǎng)生時(shí)間8 d、10 d、12 d、16 d以及22 d的水泥固化土試件作為對(duì)照試驗(yàn)[2]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 養(yǎng)生時(shí)間級(jí)凍融損傷

通過對(duì)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行梳理可知，高填方路基使用壽命在季節(jié)性凍土區(qū)范圍內(nèi)直接受凍融循環(huán)影響。通過試驗(yàn)可以得出結(jié)論，在水泥占比4%、冷卻負(fù)溫-10℃的條件下，齡期在7 d、28 d以及60 d試件的無限側(cè)壓強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度如圖1～3所示。

圖1 無側(cè)限條件下凍融循環(huán)次數(shù)與峰值應(yīng)力

由圖中信息可知，無側(cè)限抗壓值強(qiáng)度以及不同圍壓、齡期下抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)提升而呈現(xiàn)出先降低后提升的趨勢(shì)，其中經(jīng)歷過一次凍融循環(huán)且養(yǎng)生7 d的試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度以及試樣強(qiáng)度下降趨勢(shì)最為顯著，這種情況表明水泥固化土試樣強(qiáng)度會(huì)直接受到凍融循環(huán)的影響。

圖2 50 kPa圍壓下凍融循環(huán)次數(shù)與峰值應(yīng)力

圖3 100 kPa圍壓下凍融循環(huán)次數(shù)與峰值應(yīng)力

采用先齡期養(yǎng)生后凍融循環(huán)順序開展試驗(yàn)，試樣齡期會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，當(dāng)凍融環(huán)境下試樣養(yǎng)生提升的強(qiáng)度高于凍融損失強(qiáng)度時(shí)，試樣強(qiáng)度會(huì)顯著提升。因此，在完成1～3次凍融循環(huán)后，試樣強(qiáng)度顯著提升[3]。

為進(jìn)一步探究養(yǎng)生時(shí)間以及凍融循環(huán)對(duì)峰值應(yīng)力影響幅度之間的關(guān)聯(lián)，通過設(shè)定相對(duì)強(qiáng)度增量實(shí)現(xiàn)對(duì)凍融循環(huán)對(duì)峰值應(yīng)力影響幅度進(jìn)行標(biāo)識(shí)，具體如以下公式所示：

其中，A表示相對(duì)強(qiáng)度增量；qN以及q1分別表示經(jīng)歷N次與1次凍融循環(huán)后的峰值應(yīng)力。

依據(jù)上述公式計(jì)算得出不同齡期條件下相對(duì)強(qiáng)度增量情況。從最終計(jì)算成果可知，在養(yǎng)生時(shí)間為7 d條件時(shí)，試件相對(duì)強(qiáng)度增量增長(zhǎng)幅度最為顯著，上下差值為0.58，而養(yǎng)生時(shí)間在28 d以及60 d條件時(shí)，增量擺動(dòng)幅度相對(duì)較低。由此可見，養(yǎng)生時(shí)間可以直接影響凍融循環(huán)對(duì)峰值應(yīng)力的影響幅度，且該幅度會(huì)隨著養(yǎng)生時(shí)間增長(zhǎng)而下降。

除此以外，試驗(yàn)者還針對(duì)不同圍壓情況與凍融循環(huán)對(duì)峰值應(yīng)力影響幅度的關(guān)系進(jìn)行探究，并設(shè)定通過強(qiáng)度損失進(jìn)行表示，具體如下列公式所示：

B=qN-qN+i

其中，B表示強(qiáng)度損失，而qN與上文一致。依據(jù)此公式可計(jì)算出不同圍壓情況下強(qiáng)度損失情況。由計(jì)算結(jié)果可知，50 kPa以及100 kPa圍壓條件下，強(qiáng)度損失擺動(dòng)幅度明顯高于無側(cè)限條件下，這種情況表明，圍壓效應(yīng)可以對(duì)凍融循環(huán)對(duì)峰值應(yīng)力影響幅度造成影響，且該影響會(huì)隨著圍壓提升而降低。

2.2 水泥占比及凍融損傷

在該試驗(yàn)中，試驗(yàn)者通過開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出養(yǎng)生實(shí)踐、含水率以及冷卻負(fù)溫分別在7d、14%以及-10℃條件下，試件凍融循環(huán)、水泥占比以及峰值應(yīng)力之間的關(guān)系，具體如圖4與圖5所示。

圖4 各水泥占比下的凍融循環(huán)次數(shù)與峰值應(yīng)力

依據(jù)圖4中信息可知，在不同水泥占比條件下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)不斷提升，試件峰值應(yīng)力也隨之呈現(xiàn)出先減后增趨勢(shì)，該趨勢(shì)與不同齡期條件下試件峰值應(yīng)力變化保持一致。

依據(jù)各凍融循環(huán)次數(shù)下的水泥占比峰值應(yīng)力信息可知，峰值應(yīng)力會(huì)隨著水泥占比提升而提升，由此可見二者成正比關(guān)系，然而需要認(rèn)識(shí)到的一點(diǎn)是，在不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下，峰值應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)呈現(xiàn)出不同態(tài)勢(shì)。

為探究水泥占比增長(zhǎng)帶來的試件強(qiáng)度受凍融循環(huán)的影響幅度，設(shè)計(jì)以2%水泥占比峰值為基準(zhǔn)，對(duì)不同水泥占比條件下試件應(yīng)力峰值以及基準(zhǔn)值之間的差值進(jìn)行計(jì)算[4]，最終可得不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下，不同水泥占比試件及其應(yīng)力增量關(guān)系。依據(jù)圖5信息可見，未經(jīng)歷凍融循環(huán)的試件應(yīng)力增量明顯高于經(jīng)歷3次凍融循環(huán)的不同水泥占比下的應(yīng)力增量。由此可見，因水泥占比提升而獲取的強(qiáng)度直接受到凍融循環(huán)的影響。

圖5 應(yīng)力增量及水泥占比

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)水泥固化土在季節(jié)性凍土區(qū)凍融循環(huán)影響下的特性進(jìn)行研究，最終結(jié)果顯示，養(yǎng)生時(shí)間、水泥占比、冷卻負(fù)溫條件在一定幅度下不會(huì)對(duì)凍融循環(huán)對(duì)峰值應(yīng)力的影響趨勢(shì)造成干擾，但是直接決定其影響幅度。施工單位在季節(jié)性凍土區(qū)進(jìn)行作業(yè)過程中應(yīng)依據(jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論對(duì)各項(xiàng)因素進(jìn)行嚴(yán)格控制，最大限度地提升水泥固化土路基填料性能，為提升道路工程使用性能以及壽命奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。