季凍區粉煤灰加固路基土力學性能試驗研究

程 卓，崔高航，高原昊，剛浩航，高澤寧，楊 政，張 鑫

(1.東北林業大學土木工程學院，哈爾濱 150040；2.長安大學汽車學院，西安 710000； 3.東北林業大學林學院，哈爾濱 150040)

0 引 言

分布在中國東北松嫩平原大面積的季節性凍土，可溶性鹽含量較高(質量百分數大于0.3%)，屬于鹽漬土[1]。在水分和溫度的影響下土中的鹽類(尤其是易溶性結晶鹽)會發生相態和數量的變化，使鹽漬土具有不穩定的工程特性[2-3]。季凍區鹽漬土每年至少經歷一次凍融循環[4]，甚至在達到連續的負溫度之前每天經歷一次凍融循環[5]，在大溫差下經歷反復凍融循環會導致土壤結構改變[6-7]。此外，鹽漬土所含鹽分本身對道路路基和路面有一定的侵蝕性[1,8]。在季凍區施工時，直接使用鹽漬土作為基礎填充材料，可能會導致道路出現翻漿、融沉和不均勻沉降等問題。為保持季節性凍土地區工程建設的可持續性和工程耐久性，研究凍融循環對鹽漬土強度的影響和鹽漬土性質改良等方面具有重要工程意義。

已有研究表明，凍融循環會削弱土壤結構，破壞土壤顆粒間的結合力，導致土壤顆粒重排[9]。Zhang等[10]、Xu等[11]、Wang等[12]研究表明,隨著凍融循環次數的增加，黏聚力和內摩擦角在整體上均呈現出下降的趨勢，但內摩擦角在變化過程中可能出現波動。Wang等[12]研究發現凍融循環對于不同含鹽量的鹽漬土強度影響不同。研究人員對凍融循環下不同類型土壤的微結構特征開展大量研究[5,11-14]，結果表明：反復凍融循環顯著改變了土壤微觀結構，從而影響土的工程性質。

在對凍融循環條件下土體性質進行大量研究的同時，對應用改性劑改良鹽漬土路用性能的研究也取得了重要進展。Zhang等[15]研究表明,應用改性劑改良后的鹽漬土強度大小和改性劑摻入量有著復雜的關系,用無機材料改良鹽漬土時，應根據試驗結果確定實際施工時改性劑的用量。Kamei等[16]和Lv等[17]分別使用再生藍晶石和石灰、粉煤灰對鹽漬土進行改良，均得到了較好的效果。Bin-Shafique等[18]研究表明，經凍融循環作用后，粉煤灰改良土強度至少比相同條件下的未改良土高三倍。目前，較多學者對鹽漬土特性、鹽分對土壤侵蝕作用和應用改性劑改良鹽漬土特性進行了研究，報道了改性劑種類、摻量及土體含水率等因素對鹽漬土強度的影響規律。但是，改良鹽漬土特性往往會受改性劑摻量、凍融循環次數、含水率等多因素影響，且各因素間存在一定的交互作用。目前，對于不同因素本身及其交互作用對改良鹽漬土強度影響情況的研究相對較少。

正在建設的綏化至大慶高速公路穿越鹽漬土場地，該地區屬季節性凍土區。當地冬季為10月至次年3月，晝夜溫差較大，冬季氣溫長期低于零攝氏度，冬季多降雪。當地的路基填土長期處于凍融條件下，此外，春季融雪會導致路基填土含水率提高，這樣周期性變化會破壞路基土原有土層結構。因此考慮在路基土中適量摻加粉煤灰，以提高路基的強度和耐久性。相比其他鹽漬土改良方法，摻加粉煤灰改良鹽漬土在降低施工成本和施工技術難度的同時，可加快粉煤灰的綜合利用進程。

1 實 驗

1.1 試驗用土

表1 土壤基本物理性質指標Table 1 Soil physical parameters

表2 易溶鹽離子含量表Table 2 Soluble salt ion content

1.2 粉煤灰

綜合考慮不同等級粉煤灰在該標段施工中的經濟差異，結合采購條件和施工單位要求，改良材料選用哈爾濱市依蘭地區粉煤灰廠生產的Ⅰ級粉煤灰，密度為2.1 g·cm-3，堆積密度為1.27 g·cm-3，燒失量為4.7，實驗室測得具體化學分析見表3。

表3 粉煤灰性能指標Table 3 Performance index of fly ash

1.3 試驗設計

響應曲面法(RSM)通過對回歸方程尋求最優條件參數，從而解決多變量問題[20-21]。響應曲面方法的具體設計方法較多，本次試驗采用Box-Behnken設計。Box-Behnken設計是一種擬合二階響應面的三水平設計，使用時無需進行連續試驗，且可以對非線性影響進行評估[21]。Design-Expert 8.0是美國Stat-Ease公司開發的試驗設計軟件，可對試驗數據進行統計分析、擬合曲線、建立模型，并且可以通過三維立體響應曲面求得試驗的最佳化。

凍融循環過程中，鹽漬土中鹽分主要通過結晶膨脹失水收縮以及遷移等[2-3]改變自身體積和位置，進而影響土體微觀結構，改變土體性質。研究表明，與粉煤灰摻量、凍融循環次數和含水率各因素交互作用相比，鹽分含量與含水率交互作用、鹽分含量與粉煤灰摻量交互作用對該類鹽漬土的物理力學性能影響較小[2-4,14]。凍融過程中，含鹽情況相同的鹽漬土，幾乎不存在由于鹽分成分改變導致的土體力學性能變化[3,14]。試驗土樣經大量室內試驗所得含鹽情況如表2所述，不存在較大波動，故試驗中不考慮因鹽分變化導致的土體力學性質改變及鹽分含量與其他因素的交互作用。因此，本試驗假定粉煤灰摻量α(依據質量百分比摻加)、凍融循環次數n、含水率ω分別為變量A、B、C，根據三變量三水平，使用Design-Expert 8.0的Box-Behnken響應面進行試驗設計(見表4)?，F有研究表明，當凍融次數為1～9次時，凍融循環作用對于該類土壤的強度和微觀結構影響較為明顯[1,3]。為進一步研究凍融循環作用對該類鹽漬土的影響，增加凍融循環次數1、3、7、9、10，試驗方案如表5所示，共計63組試件，每組試件包含三軸試樣4個和無側限抗壓試件3個。

表4 響應面三因素三水平試驗設計Table 4 Response surface three factors three levels test design

表5 試驗設計方案Table 5 Test design

1.4 試樣制備

將收集到的天然鹽漬土風干，碾碎后過2 mm篩。為保證各試件壓實度相同，通過擊實試驗測得土樣干密度，見表6。照配比關系將粉煤灰和鹽漬土混勻，加入相應質量蒸餾水。將拌和后土樣標準條件養護24 h后，使用液壓機將土樣按照95%壓實度靜壓成直徑39.1 mm、高80 mm三軸試件和直徑50 mm、高50 mm無側限抗壓試件[22]。將試件用密封袋包裹在潮濕環境中固化24 h后，放入低溫箱。

表6 試樣的物理性質指標Table 6 Physical property index of sample

1.5 試驗方法

參考中國天氣網數據，當地冬季日間均溫度-4.3 ℃，夜間平均氣溫-13.9 ℃，選取-13.9 ℃作為試驗凍結溫度。將密封嚴密的試樣置于-13.9 ℃低溫箱凍結6 h，后置于20 ℃恒溫箱融化6 h。

無側限抗壓試驗方法依照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)在室溫(20 ℃)下進行，試驗儀器為長春科新試驗儀器有限公司生產的WDW-50型微機控制式電子試驗機。試驗過程中，設定試件變形速率1 mm/min，軸向壓力和位移數據由儀器自動記錄。

在實際工程中由于施工速度較快，土壤孔隙水很難完全排出，同時為避免三軸試驗中固結過程對土體結構擾動，試驗選擇采用不固結不排水試驗(UU)。儀器為南京寧曦土壤儀器有限公司生產的TSZ-6型全自動三軸儀。為減小環境溫度改變對試驗數據的影響，控制三軸儀所處環境溫度20 ℃。設置土壤樣品的圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa，剪切應變速率0.8 mm/min，試件無明顯破壞值時，采用應變15%時的主應力差作為破壞值。

2 結果和討論

2.1 凍融循環作用對無側限抗壓強度的影響

2.1.1 試驗結果

圖1為含水率12%的不同粉煤灰摻量鹽漬土未經凍融循環作用時應力-應變曲線。由圖1可知，在含水率一定條件下，摻加粉煤灰會提高土體的無側限抗壓強度，隨著摻量的增加土體的無側限抗壓強度呈現出先增加后降低的趨勢。摻加10%粉煤灰的鹽漬土無側限抗壓強度大于摻加20%粉煤灰的鹽漬土。圖2為粉煤灰摻量10%的鹽漬土在不同含水率情況下未經凍融循環作用的應力-應變曲線。由圖2可知在保證粉煤灰摻量不變的條件下，隨著含水率增加試樣的無側限抗壓強度值不斷減小，含水率大的試樣應力-應變曲線更加平緩。

圖3為凍融循環次數對無側限抗壓強度的影響曲線。由圖可知在粉煤灰摻量一定的情況下，隨著凍融循環次數的增加，試件的無側限抗壓強度不斷減小。凍融循環次數小于7次時，隨著凍融循環次數的增加無側限抗壓強度的降低明顯；凍融循環次數大于7次時，試樣的無側限抗壓強度受凍融循環作用影響減小。摻加粉煤灰的鹽漬土在經歷凍融循環作用后，無側限抗壓強度優于未摻加粉煤灰的鹽漬土。

圖1 應力-應變曲線(ω=12%)Fig.1 Stress-strain curves (ω=12%)

圖2 應力-應變曲線(α=10%)Fig.2 Stress-strain curves (α=10%)

圖3 無側限抗壓強度-凍融循環次數Fig.3 Unconfined compressive strength-freeze-thaw cycle curves

2.1.2 顯著性分析

利用最小二乘法回歸建立無側限抗壓強度與不同變量的多元回歸方程如下：

q=11.26A-118.63B-45.51C-18.07AB- 0.58AC+32.56BC-43.87A2+ 50.82B2+40.78C2+278.08

(1)

式中：q為試樣無側限抗壓強度;A為粉煤灰摻量；B為凍融循環次數；C為含水率。該表達式R2=0.971 6,P<0.000 1,方程回歸性顯著，具有較好的擬合性。

各因素顯著性分析結果見表7。當P值小于0.05時為顯著，F值越大該因素顯著性越大，下文所述顯著性分析均以此為判斷依據。當考慮交互作用，粉煤灰摻量、含水率與凍融循環次數的交互作用對無側限抗壓強度的影響均為顯著，粉煤灰摻量與含水率交互作用不顯著。由表7可知，各因素及其交互作用對無側限抗壓強度影響的顯著性從大到小依次為：凍融循環次數B、含水率C、A×B、粉煤灰摻量A、B×C。

表7 無側限抗壓強度回歸模型方差分析Table 7 Variance analysis of unconfined compressive strength regression model

2.1.3 各變量響應面分析

根據回歸方程(1)，運用Design-Expert 8.0軟件得到粉煤灰摻量、含水率、凍融循環次數與無側限抗壓強度關系曲面。使用Design-Expert 8.0軟件，根據該回歸方程(1)計算得到當鹽漬土粉煤灰摻量為15%，含水率為12%，未經凍融循環作用時無側限抗壓強度最大，選取該條件下的響應面進行分析。圖4為無側限抗壓強度響應面，當含水率增加時鹽漬土無側限抗壓強度呈現出減小的變化趨勢?？赡苡捎诋旣}漬土含水率增加時，顆粒間水膜加厚，潤滑作用加強，因此顆粒間黏聚程度和摩擦力下降[23-24]，導致土體無側限抗壓強度降低。由圖4(a)可知，在鹽漬土中摻加粉煤灰可以提高試樣的無側限抗壓強度，隨著粉煤灰摻量的增加無側限抗壓強度呈現出先增大后減小的變化趨勢，其中摻加10%粉煤灰的鹽漬土強度高于摻加20%粉煤灰的鹽漬土。這是由于粉煤灰摻入鹽漬土中后，土體微觀結構發生變化，影響黏聚力與內摩擦角從而改變鹽漬土的無側限抗壓強度。根據圖3、圖4(b)、(c)可知，無側限抗壓強度受凍融循環影響程度與凍融循環次數有關。隨著凍融循環次數的增加土體強度早期下降較快，后期變化較為平緩?？赡苡捎趦鋈谘h作用通過改變土壤骨架結構改變土體的黏聚力和內摩擦角大小。

圖4 無側限抗壓強度響應面Fig.4 Unconfined compressive strength response surface

2.2 凍融循環作用對土體抗剪強度參數的影響

2.2.1 試驗結果

根據摩爾-庫倫理論可以計算得到不同鹽漬土試樣的黏聚力和內摩擦角數值，圖5、圖6分別為不同粉煤灰摻量鹽漬土試樣經歷凍融循環后黏聚力、內摩擦角變化曲線。由圖5、圖6可知，粉煤灰摻量相同的鹽漬土，經歷相同次數凍融循環時，鹽漬土黏聚力和內摩擦角隨含水率的增加而降低。含水率較高的鹽漬土內摩擦角受凍融循環作用影響較為明顯，但不同含水率的鹽漬土黏聚力和內摩擦角隨在凍融循環次條件下的變化規律大致相同。本文以含水率12%時鹽漬土試樣在凍融循環條件下，黏聚力內摩擦角變化曲線為例，對凍融循環作用的影響進行分析。

由圖5(a)可知，摻加粉煤灰可以提高鹽漬土黏聚力，粉煤灰摻量10%的鹽漬土黏聚力大于粉煤灰摻量20%的鹽漬土。不同粉煤灰摻量的鹽漬土試樣，在凍融循環過程中，黏聚力均呈現出先逐漸降低后趨于穩定的變化規律。在經歷第1次和第3次凍融循環后，黏聚力下降明顯，當凍融循環次數達到7次時黏聚力趨于穩定。土體經歷第3次凍融循環后，黏聚力下降幅度最大，粉煤灰摻量為0%、10%、20%鹽漬土黏聚力分別下降8.05%、10.56%、10.48%。土體經歷1～3次凍融循環，摻加粉煤灰的土體黏聚力下降幅度大于未摻加粉煤灰土體的黏聚力下降幅度；經歷7次凍融循環后，摻加粉煤灰的土體相比于未摻加粉煤灰土體的黏聚力變化更加平穩。圖6(a)表明鹽漬土的內摩擦角會隨著凍融循環次數的改變而改變。經受相近次數的凍融循環作用，與黏聚力的變化情況相比內摩擦角變化規律不明顯。經歷0～7次凍融循環時，內摩擦角隨著凍融循環次數的增加下降較快，經過7次凍融循環后，內摩擦角下降減緩，變化趨于穩定。

圖5 黏聚力-凍融循環次數曲線Fig.5 Cohesion-freeze-thaw cycles curves

圖6 內摩擦角-凍融循環次數曲線Fig.6 Internal friction angle-freeze-thaw cycles curves

2.2.2 黏聚力顯著性分析

利用最小二乘法回歸建立黏聚力(F)與不同變量的多元回歸方程如下:

F=-1.73A-15.06B-14.60C-0.49AB+0.2AC-5.05BC-2.65A2+ 11.50B2+1.79C2+85.51

(2)

該表達式R2=0.992 8,P<0.000 1，方程回歸性顯著，具有較好的擬合性。

根據表8黏聚力回歸模型方差分析以及上文所述判別方法，當考慮交互作用時，含水率與凍融循環作用的交互作用對黏聚力影響顯著，粉煤灰摻量與含水率和凍融循環次數的交互作用對黏聚力的影響均為不顯著，粉煤灰摻量與含水率交互作用不顯著。各因素及其交互作用對黏聚力影響的顯著性從大到小依次為：凍融循環次數B、含水率C、B×C、粉煤灰摻量A。

表8 黏聚力回歸模型方差分析Table 8 Cohesion regression model analysis of variance

2.2.3 內摩擦角顯著性分析

利用最小二乘法回歸建立黏聚力與不同變量的多元回歸方程如下：

φ=0.69A-2.88B-2.05C-0.078AB-1.12A2+1.93B2-0.23C2+18

(3)

式中:φ為試樣內摩擦角。該表達式R2=0.971 6,P<0.000 1，方程回歸性顯著，具有較好的擬合性。

粉煤灰摻量，凍融循環次數，含水率的顯著性分析結果見表9。當考慮交互作用，含水率、凍融循環作用、粉煤灰摻量彼此的交互作用對內摩擦角影響均為不顯著。各因素及其交互作用對內摩擦角的顯著性從大到小依次為：凍融循環次數B、含水率C、粉煤灰摻量A。

表9 內摩擦角回歸模型方差分析Table 9 Internal friction angle regression model variance analysis

2.2.4 各變量響應面分析

根據回歸方程(2)、(3)，運用Design-Expert 8.0軟件得到粉煤灰摻量、含水率鹽漬土、凍融循環次數與黏聚力和內摩擦角關系曲面。根據回歸方程(2)計算得到當鹽漬土粉煤灰摻量為14.84%、含水率為12%、未經凍融作用時黏聚力最大；根據回歸方程(3)計算得到當鹽漬土粉煤灰摻量為15.17%、含水率為12%、未經凍融時黏聚力最大，考慮Design-Expert 8.0分析得到的最優條件為估計值與實際值可能存在差異[25]，同時為方便比較無側限抗壓強度、黏聚力、內摩擦角的變化，因此選取粉煤灰摻量15%、含水率12%、未經凍融循環條件下的鹽漬土試樣進行分析。

圖7、圖8分別為黏聚力、內摩擦角響應曲面。由圖7(a)和圖8(a)可知，在鹽漬土中摻加粉煤灰可以提高黏聚力和內摩擦角，隨著摻量的增加二者均呈現出先增加后減小的變化趨勢。經凍融循環作用后，摻加粉煤灰土體的黏聚力和內摩擦角依舊高于未摻加粉煤灰土體的。粉煤灰粒徑遠小于土顆粒粒徑，壓縮模量較大，具有活性[26]。在鹽漬土中摻入粉煤灰后，粉煤灰顆粒對于鹽漬土微觀孔隙有一定的填充作用。相關微觀試驗結果表明，摻加粉煤灰后土壤內部結構更加致密，土體強度得到提高[27]。鹽漬土中摻入粉煤灰后，在土中水的作用下，Na2O和K2O迅速溶解，生成K+、Na+、OH-，另一方面CaO消解產生Ca(OH)2與Mg(OH)2生成二價鈣、鎂和氫氧根離子[28]。粉煤灰的加入可以降低鹽漬土中游離水含量，削減凍融作用對土體強度的影響。一定范圍內摻加粉煤灰可以提高土體強度，當粉煤灰摻入量超過一定限度時，外摻粉煤灰本身的力學性質會對土體特性有較大的影響。粉煤灰本身性質的表達可能會導致土體強度的下降[29]。

圖7 黏聚力響應面Fig.7 Cohesion response surface

由圖5～6、圖7(b)、(c)和圖8(b)、(c)可知在凍融循環的過程中，初期黏聚力和內摩擦角隨凍融次數的增加降低明顯，均呈現出先逐漸降低后趨于穩定的變化規律。其原因是，在凍融循環過程中鹽漬土中的水會因溫度變化而發生相變，水結晶體積膨脹會擠壓土骨架，改變土骨架原有結構[29]。在凍融循環過程中，鹽漬土中的硫酸鹽結晶體積發生膨脹[30-31]擠壓土骨架。研究表明第1次凍融循環過程導致水的體積膨脹和硫酸鈉的結晶膨脹較為明顯[30]。凍融循環使鹽漬土內外存在溫差，凍結過程中，試樣中心未凍水向表面遷移，可溶性硫酸鈉隨水移動。解凍過程中，鹽漬土表面的水和鹽就會轉移到樣品的中心[32]。凍融過程中水鹽遷移產生遷移力作用在土顆粒上，削弱土壤顆粒之間的結合力，導致黏聚力下降，內摩擦角發生變化。土顆粒在遷移力、鹽結晶和水結晶的擠壓作用下重新排列，隨著凍融循環次數的增加，土顆粒逐漸形成新的穩定結構，凍融循環對結合力和內摩擦角的影響逐漸減小。

由圖7～8可知，隨著含水率的增加黏聚力和內摩擦角不斷減低，結合圖5～6，經歷相同次數的凍融循環作用時，含水率高的試樣黏聚力和內摩擦角變化更加明顯，其中內摩擦角變化曲線波動性更大。其原因是含水量的增減會改變土壤的內部結構。含水量較小時，土體內部自由水的比例很小，土顆粒周圍的結合水膜厚度較薄[24]，土體聯結牢固，土體強度較大。隨著含水率增加，土粒表面結合水膜變厚，水膜潤滑作用加強，土粒間阻力減小，土體變軟[23]，土體宏觀力學指標下降。凍結過程中，土體孔隙內水分凍結，體積膨脹，在土粒的約束下產生膨脹力，凍脹力超過一定限度值會破壞土顆粒之間的聯結作用。當土體含水率較高時，土顆粒間自由水比例較大，凍融過程中產生的凍脹力和遷移力隨之增大，土顆粒受到凍融循環影響增大。宏觀表現為含水率較高的土體無側限抗壓強度、黏聚力和內摩擦角受凍融循環作用影響更大。

3 結 論

(1)無側限壓縮條件下，不同粉煤灰摻量的鹽漬土均處于應變軟化狀態。摻加粉煤灰可以提高鹽漬土無側限抗壓強度，且強度隨著粉煤灰摻量的增加先增后減。摻加粉煤灰的鹽漬土，經歷凍融作用后無側限抗壓強度優于未摻加粉煤灰的鹽漬土。

(2)凍融循環會導致鹽漬土強度降低，經歷1～7次凍融循環時強度下降速率較快，凍融次數大于7時，鹽漬土強度下降速率減緩逐漸趨于穩定。含水率較高的鹽漬土黏聚力和內摩擦角受凍融循環作用影響大于含水率低的鹽漬土。鹽漬土試樣含水率越高，在凍融循環過程中內摩擦角波動性越明顯。

(3)基于顯著性分析理論，凍融循環次數對鹽漬土的力學性質影響較為顯著，粉煤灰摻量顯著性較弱。凍融循環次數與含水率的交互作用對鹽漬土無側限抗壓強度和黏聚力的影響比較明顯；粉煤灰摻量與凍融循環次數的交互作用僅對無側限抗壓強度的影響較明顯。凍融循環條件下，對鹽漬土力學性能改良時，需綜合考慮各因素交互作用。

(4)該類型鹽漬土可以按照其質量的10%～20%摻加粉煤灰，對土體的無側限抗壓強度、黏聚力和內摩擦角數值提升效果較好；含水率也會對土體力學性質有一定影響。為提高路基強度和抗凍融性、增加道路使用壽命，根據回歸方程計算分析，建議該類型路基施工過程中在路基土中摻加15%粉煤灰，做好路基排水工作以降低路基含水率水平，并將經歷7次凍融循環后壓實鹽漬土的力學指標作為工程設計參考值。