凍融作用下水泥改良粉砂土的三軸加載試驗(yàn)

王維家

（中鐵十九局集團(tuán)第五工程有限公司，遼寧大連 116100）

0 引言

凍融循環(huán)是季凍區(qū)建筑結(jié)構(gòu)損傷劣化的重要影響因素，其在交通、水力及民用建筑等方面均有不同程度的影響[1-2]。民用建筑如若地基處理不善，在凍融作用下，很容易出現(xiàn)倒傾甚至垮塌。因此，對(duì)季凍區(qū)地基土的加固處理顯得尤為關(guān)鍵。

目前，我國(guó)學(xué)者對(duì)不同種類土體在凍融循環(huán)作用下的力學(xué)特性研究成果頗豐[3-4]。張向東等[5]基于GDS 三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)煤渣改良土進(jìn)行了凍融循環(huán)后的加載試驗(yàn)研究，分析了不同煤渣摻量、不同凍融循環(huán)作用后的土體力學(xué)特性，并基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)雙屈服本構(gòu)模型進(jìn)行了推導(dǎo)。楊愛(ài)武等[6]采用真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)城市污泥固化土在凍融循環(huán)作用下的力學(xué)特性變化情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究。朱龍祥等[7]針對(duì)土體抗剪強(qiáng)度受凍融循環(huán)作用影響問(wèn)題，對(duì)不同含水率及不同凍融循環(huán)次數(shù)下的土壤進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了含水率與凍融循環(huán)對(duì)土壤力學(xué)特性的影響。

本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合沈陽(yáng)某在建民用建筑為工程背景，對(duì)凍融循環(huán)作用下水泥改良粉砂土進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，分析試樣的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及靜彈性模量隨水泥摻量和凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，為季節(jié)性凍土區(qū)的實(shí)際建筑施工設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)材料及試樣制備

試驗(yàn)用粉砂土取自沈陽(yáng)某在建民用建筑基坑，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室篩分試驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該粉砂土級(jí)配不良（表1）。試驗(yàn)用水泥選用阜新鷹牌P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，根據(jù)《建筑工程抗凍設(shè)計(jì)規(guī)范》，配制水泥摻入量分別0.0%、1.5%、3.0%和4.5%的改良粉砂土樣，將粉砂土和水泥加水?dāng)嚢杈鶆蚝?，裝入標(biāo)準(zhǔn)土體三軸試驗(yàn)?zāi)＞撸é?9.1 mm×80 mm）中分5 層進(jìn)行振搗壓實(shí)，試樣制備好后，采用保鮮膜將試樣包裹緊密，以防止試樣內(nèi)部水分流失，然后將包裹好的試樣置于相對(duì)濕度≥95%的恒溫養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，設(shè)置養(yǎng)護(hù)時(shí)間為21 d，待達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間后對(duì)試樣進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

表1 水泥改良粉砂土配合比

1.2 試驗(yàn)方法

為了研究民用建筑水泥改良地基土在凍融作用下的力學(xué)特性，首先應(yīng)對(duì)養(yǎng)護(hù)好的水泥改良粉砂土樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。本文采用中國(guó)建筑科學(xué)研究自行研制的快速凍融試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)凍融溫度與時(shí)間，根據(jù)沈陽(yáng)地區(qū)冬季氣溫的變化情況，擬設(shè)置凍結(jié)最低溫度為-20 ℃，對(duì)應(yīng)的融化最高溫度為+20 ℃，將包裹保鮮膜的試樣放置于凍融試驗(yàn)箱中進(jìn)行凍結(jié)，凍結(jié)時(shí)間為6 h，然后調(diào)節(jié)溫度至+20 ℃進(jìn)行乳化，融化時(shí)間為6 h，此為一個(gè)完整的凍融循環(huán)過(guò)程。本文擬設(shè)置水泥改良粉砂土的凍融循環(huán)次數(shù)分別為0 次、10 次、20 次、30 次和40 次。

對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)的試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，采用GDS三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)的水泥改良粉砂土進(jìn)行三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，設(shè)置軸向加載速率為每分鐘0.03%。根據(jù)土樣的實(shí)際埋深情況，擬設(shè)置圍壓為60 kPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力—應(yīng)變曲線分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方法對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥改良粉砂土進(jìn)行三軸加載試驗(yàn)，限于篇幅，文中僅給出了水泥摻量為1.5%，不同凍融循環(huán)次數(shù)下的三軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其他水泥摻量條件下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線與之相似。從圖1 中可以看出，相同水泥摻量的條件下，不同凍融循環(huán)次數(shù)水泥改良粉砂土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)大體相同，大體可分為4 個(gè)階段，即壓密階段、彈性階段、塑性屈服階段和軟化階段。

圖1 水泥改良粉砂土三軸加載應(yīng)力—應(yīng)變曲線

2.2 水泥摻量對(duì)粉砂土力學(xué)特性影響分析

根據(jù)水泥改良粉砂土三軸加載應(yīng)力—應(yīng)變曲線，計(jì)算其偏應(yīng)力峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及靜彈模量，繪制不同凍融循環(huán)次數(shù)下各力學(xué)參數(shù)隨水泥摻量的變化曲線（圖2～圖4）?？梢?jiàn)隨著水泥摻量的逐漸增大，水泥改良粉砂土的偏應(yīng)力峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和靜彈模量均呈逐漸增大趨勢(shì)，采用Origin 軟件對(duì)圖中曲線進(jìn)行最小二乘擬合發(fā)現(xiàn)，三者與水泥摻量之間均滿足線性函數(shù)關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)均在0.95 以上，表明水泥改良粉砂土的力學(xué)特性與水泥摻量之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性。根據(jù)圖2～圖4 可知，以凍融循環(huán)10 次為例，當(dāng)水泥摻量為0%時(shí)，試樣的偏應(yīng)力峰值強(qiáng)度為861.193 kPa，峰值應(yīng)變?yōu)?.033%，靜彈模量為10.934 MPa；當(dāng)水泥摻量增加至4.5%時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度增至886.808 kPa，峰值應(yīng)變?cè)鲋?.123%，靜彈模量增至11.271 MPa；水泥摻量由0%增至4.5%，試樣的偏應(yīng)力峰值強(qiáng)度漲幅為2.97%，峰值應(yīng)變漲幅為4.43%，靜彈模量漲幅為3.08%。

圖2 偏應(yīng)力峰值強(qiáng)度與水泥摻量之間的關(guān)系

圖3 峰值應(yīng)變與水泥摻量之間的關(guān)系

圖4 靜彈模量與水泥摻量之間的關(guān)系

2.3 凍融循環(huán)對(duì)粉砂土力學(xué)特性影響分析

根據(jù)水泥改良粉砂土三軸加載試驗(yàn)結(jié)果，繪制不同水泥摻量下各力學(xué)參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線（圖5～圖7）?？梢?jiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增多，水泥改良粉砂土的偏應(yīng)力峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和靜彈模量均呈逐漸減小趨勢(shì)，采用Origin 軟件對(duì)圖中曲線進(jìn)行最小二乘擬合發(fā)現(xiàn)，三者與水泥摻量之間均滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)均在0.95 以上，表明水泥改良粉砂土的力學(xué)特性與凍融循環(huán)作用之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性。根據(jù)圖5～圖7 可知，以水泥摻量1.5%為例，當(dāng)凍融循環(huán)0 次時(shí)，試樣的偏應(yīng)力峰值強(qiáng)度為882.995 kPa，峰值應(yīng)變?yōu)?.179%，靜彈模量為11.273 MPa；當(dāng)凍融循環(huán)增加至40 次時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度減至855.028 kPa，峰值應(yīng)變減至1.947%，靜彈模量減至10.859 MPa；凍融循環(huán)次數(shù)由0 次增至40 次，試樣的偏應(yīng)力峰值強(qiáng)度減幅為3.27%，峰值應(yīng)變減幅為11.92%，靜彈模量減幅為3.81%。

圖5 偏應(yīng)力峰值強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系

圖6 峰值應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系

圖7 靜彈模量與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）同一水泥摻量下，不同凍融循環(huán)次數(shù)水泥改良粉砂土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)基本相同，大體可分為4 個(gè)階段，即壓密階段、彈性階段、塑性屈服階段和軟化階段。

（2）隨著水泥摻量的逐漸增大，水泥改良粉砂土的偏應(yīng)力峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和靜彈模量均呈逐漸增大趨勢(shì)，采用Origin 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合發(fā)現(xiàn)，3 參數(shù)與水泥摻量之間均滿足線性函數(shù)關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)均在0.95 以上。

（3）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸遞增，水泥改良粉砂土的偏應(yīng)力峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和靜彈模量均呈逐漸減小趨勢(shì)，采用Origin 軟件對(duì)圖中曲線進(jìn)行最小二乘擬合發(fā)現(xiàn)，3 參數(shù)與水泥摻量之間均滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)均在0.95 以上。