凍融循環下糯米漿對石灰土抗剪強度的影響

張 陽，麻夢夢，劉佳鑫，鄧 杰

(1.成都理工大學生態環境學院，成都 610059；2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059)

0 引 言

青藏高原約占我國陸地面積的四分之一，平均海拔在4 000 m以上，廣泛發育著多年凍土和季節凍土，是世界上海拔最高、地形最復雜的高原凍土區[1]。季節性凍土中的水一般在冬季凍結，夏季融化，土體的物理力學性質會隨著凍融過程的發展而發生動態變化[2]。季節性凍土區的重要問題之一是土壤在凍融作用下水理、物理及力學性質發生變化，這是因為凍融循環會導致土顆粒之間的連接結構以及排列方式發生改變[3]。而在凍融循環作用下，土質邊坡穩定性下降的主要原因是土壤的抗剪強度參數在凍融循環下發生了較大變化[4]。

許多學者[5-9]已經進行了類似的研究工作，取得了一定的研究成果。在凍融循環條件下，青藏粉砂土抗剪強度隨著凍融循環次數增加呈先降低后升高的趨勢。在同一摻砂比例下，風化砂改良膨脹土的抗剪強度隨凍融循環次數的增加而減小，最后逐漸趨于穩定[10]。Tang等[11]對膨脹土進行凍融試驗，發現凍融次數存在閾值，隨著凍融循環次數增加，膨脹土的有效剪切強度參數顯著降低，然而，當凍融循環次數超過閾值時，凍融循環對膨脹土強度的影響并不顯著。

青藏高原地區交通不便，就地取材進行土壤改性，從而提升土體力學性能，能夠大幅減少工程成本[12]。加入水泥、石灰、粉煤灰等無機結合劑可以提高土壤在凍融條件下的抗剪強度，使土壤的物理力學性能得到改善。向土壤中添加水泥來提高土壤強度和穩定性是一種應用廣泛的技術，加入水泥的膨脹土表現出更強的延性[13]。生石灰是非水合氧化鈣，它從潮濕的土壤中吸收水分變成氫氧化鈣，增強了土顆粒之間的黏結強度，從而提高土壤強度[14]。然而，這些化學外加劑會導致土壤硬度提高，增加生物對土壤的不適應性。同時，青藏高原地區生態環境極為脆弱，一經破壞極難恢復，所以在季節性凍土地區修建道路工程時，除了對土壤進行力學改性，還需要考慮保護脆弱的生態環境。為減少對環境造成的影響，本試驗使用糯米漿對石灰土進行改良。一方面糯米漿為有機物，屬于無污染材料；另一方面，糯米漿與石灰可通過誘導作用和協同作用生成更加致密的晶體，使改良土的無側限抗壓強度得到極大提升[15-16]。糯米漿中的支鏈淀粉能有效改善土壤強度，糯米漿三合土的抗壓強度、劈裂抗拉強度、表面硬度與普通三合土相比均有所提高[17-18]。而且糯米漿在中國古代建筑史上有著重要作用，對古建筑的修復和保護都具有重要意義[19]。

目前相關研究揭示了糯米漿對改良土抗剪強度與耐久性的影響，糯米灰漿加固灰土的機理[20-21]，砂土中糯米漿和石灰的加固機理[22]，以及凍融后粗粒鹽漬土的抗剪強度特性[23]，但以糯米漿和石灰為外加劑的季節性凍土地區土壤在凍融作用下的力學性能改性與破壞機理研究較少。因此，本文擬向石灰改性的季節性凍土中摻入不同質量濃度的糯米漿進行改良，在不同凍融循環次數下進行直接剪切強度試驗，研究不同糯米漿濃度、凍融循環次數對改良土抗剪強度的影響，為青藏高原地區工程建設的路基填土改性提供參考。

1 實 驗

1.1 材 料

土樣取自道路沿線地區洛隆縣，為低塑性砂土，顏色為棕褐色，無明顯氣味，夾雜有植物根系(見圖1)，試驗土樣的基本物理指標：天然含水率為22%，密度為2.65 g/cm3，塑限為21.7%，液限為36.5%，塑性指數為14.8。土粒級配曲線如圖2所示。

圖1 現場調查及取樣Fig.1 Site investigation and sampling

圖2 土樣顆粒曲線Fig.2 Soil particle curve

選用糯米漿和石灰兩種外加劑對土樣進行改良。試驗中摻量按質量分數計，配制土樣的糯米漿摻量分別為2%、4%、6%和8%。按照設定摻量，向水中加入糯米粉并不斷攪拌，使糯米粉充分溶解在水中，在80 ℃下加熱攪拌3 h，直至達到糊化狀態，靜置后過2 mm的漏網，去除雜質，制備糯米漿。試樣的含水率為22%，Nguyen等[24]和Broms等[25]研究表明石灰摻量為10%時可以較好地增強土壤力學性能，故本試驗石灰摻量均為10%。石灰中氧化鈣的含量≥95%(質量分數)。

1.2 試樣制備

參照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)制備試樣。在制樣前將土樣在100 ℃烘箱烘干24 h，烘干土樣碾散后通過2 mm的細篩，靜置冷卻24 h。其次稱取土樣所需的石灰初拌，再按22%含水率加入所需的糯米漿，使用小型攪拌機攪拌10 min，直至土樣呈均勻膏狀，無細小團聚體為止，攪拌完成后立即進行試樣制作。

抗剪試樣采用內徑為61.8 mm、高為20 mm的標準環刀。為確保試驗結果的可靠性，將攪拌土樣放入環刀模具后，利用標準擊實器分2層擊實，每層25下。相關研究[26-27]表明，試樣養護7 d的強度約為養護28 d強度的70%左右。考慮到凍融過程對水化作用的抑制，本試驗中用塑料保鮮膜包裹整個模具，在(15±3) ℃下靜置養護7 d。第8 d將試樣進行凍融循環試驗，在凍融循環試驗中的時間不作為養護時間。

為了更好地進行對比，同時制備了素土試樣(石灰摻量為10%，糯米漿摻量為0%)。本次試驗考慮糯米漿濃度和凍融循環次數兩個變量進行正交，共制備25組試樣，每組制備6個試樣。

1.3 試驗方法

待改良土樣養護完成后，開始進行室內凍融試驗。為防止凍融過程中試樣水分損失，將每個試樣用塑料薄膜封閉好后置于凍融箱內。根據中國天氣網查詢結果，青藏高原地區昌都市冬季平均溫度為-15～10 ℃，參照這一平均溫度，土樣在-15 ℃的恒溫冷凍箱內凍結12 h，在10 ℃ 的恒溫箱中融化12 h，此過程為一個凍融循環周期。研究[3，11，28-29]表明，8～12 次循環可以滿足研究凍融作用對力學性質影響的要求。本次試驗凍融循環周期分別為0次、1次、3次、6次、10次。

將每組試樣在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa四種垂直壓力下進行不固結不排水(快速試驗)直剪試驗，剪切量為6 mm，剪切速率為0.8 mm/min。直剪試驗儀器采用國電南京自動化股份有限公司生產的DJY-4L四聯等應變直剪儀。

2 結果與討論

通過分析改良土樣在不同糯米漿濃度與不同凍融循環次數下的應力應變曲線特征、黏聚力和內摩擦角的變化規律，研究糯米漿與凍融循環條件對改良土力學性能的影響。

2.1 不同糯米漿濃度下剪應力-剪切位移曲線及抗剪強度與豎向壓力特征分析

圖3(a)～(d)是改良土在不同糯米漿濃度下直剪試驗的剪應力-剪切位移曲線。曲線峰值代表土樣的抗剪強度。在相同糯米漿濃度下，改良土樣的抗剪強度隨著豎向壓力(50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa)的提高呈上升趨勢。糯米漿濃度對改良土樣的抗剪強度有著明顯的影響，在相同豎向壓力作用下，隨著糯米漿濃度的增加抗剪強度與豎向壓力關系曲線呈一定規律變化。相同壓力作用下，糯米漿濃度為6%的改良土的最大抗剪強度高于其他糯米漿濃度改良土的抗剪強度。

圖3 糯米漿改良土直剪試驗剪應力-剪切位移曲線Fig.3 Shear stress-shear displacement curves of direct shear test of glutinous rice slurry modified soil

隨著糯米漿濃度的上升，土樣的抗剪強度呈先上升后下降的趨勢，說明過高濃度的糯米漿反而會造成改良土抗剪強度降低。這是因為摻入過量的糯米漿會對氫氧化鈣結晶產生緩凝作用，使顆粒變得不規則，強度有所降低[33]。

2.2 凍融循環條件下剪應力-剪切位移曲線及抗剪強度與豎向壓力特征分析

圖4為糯米漿改良土凍融循環下的直剪試驗剪應力-剪切位移曲線。由圖可知，凍融循環會顯著影響土體的剪應力-剪切位移曲線，具體表現為相同應變下0次凍融循環剪應力大于1次、3次、6次、10次凍融循環的剪應力，其中10次凍融循環剪應力最小。即隨著凍融循環次數的增加，相同剪切位移下剪應力呈減小趨勢。

圖4 糯米漿改良土凍融循環下的直剪試驗剪應力-剪切位移曲線Fig.4 Shear stress-shear displacement curves of direct shear test of glutinous rice slurry modified soil under freeze-thaw cycle

圖5是改良土在不同糯米漿濃度、不同循環次數下抗剪強度與豎向應力的擬合曲線。從圖中可以看出：5條直線中，糯米漿濃度為6%時截距最大，即黏聚力最大;糯米漿濃度為6%時斜率最大，即內摩擦角最大。所以本條件下，糯米漿濃度為6%時，改良土抗剪強度提升幅度最大。添加糯米漿的改良土樣黏聚力和內摩擦角明顯高于未添加糯米漿土樣，與未添加糯米漿的土樣相比，6%糯米漿改良土的黏聚力提升幅度為17%。試驗結果表明，添加糯米漿可以有效增加土樣的抗剪強度。這是因為：(1)石灰中的氫氧化鈣和空氣中的二氧化碳發生碳化反應，生成碳酸鈣晶體，糯米漿與碳酸鈣晶體之間存在互相填充和膠結作用[30-31]；(2)糯米中最主要的成分是淀粉，在加熱糊化后支鏈淀粉結構可以和石灰中的鈣離子相互作用，增強土顆粒間的膠結效果[32]；(3)糯米漿與石灰在協同作用下形成網格體系，使土顆粒之間緊密連接，從而增強了土樣的整體強度。

圖5 糯米漿改良土抗剪強度與豎向壓力的擬合曲線Fig.5 Fitting curves of shear strength and vertical pressure of glutinous rice slurry modified soil

結合圖4和圖5可知，在一定豎向壓力下，隨著凍融循環次數的增加，抗剪強度呈現出一定的規律變化，具體表現為1次凍融循環后，抗剪強度出現較大幅度降低，凍融次數為1～3次時，隨著凍融循環次數的增加抗剪強度有所增加，而凍融次數為3～10次時抗剪強度逐漸降低。

未凍融改良土樣抗剪強度均大于凍融1次、3次、6次、10次的改良土樣，不同凍融循環次數下，糯米漿改良土樣的抗剪強度整體大于未加糯米漿的土樣，這表明改良土樣的抗凍性能顯著增強。改良土樣抗剪強度與豎向壓力的擬合曲線的擬合相關系數均大于0.96，說明擬合效果較好。

2.3 凍融循環條件下黏聚力與糯米漿濃度特征分析

圖6為糯米漿改良土樣的黏聚力與凍融循環次數的關系曲線。在相同糯米漿濃度下，隨著凍融循環次數的增加，黏聚力均表現出先減小后增加，最后逐漸減小的變化趨勢。具體表現為1次凍融循環后，改良土樣黏聚力出現大幅度降低，糯米漿濃度為0%、2%、4%、6%、8%的改良土樣黏聚力降幅分別為13.31%、12.20%、13.94%、10.46%、9.03%;在第1～3次凍融循環過程中，改良土樣黏聚力逐漸增加；3～6次凍融循環過程中，糯米漿濃度為4%、8%時的改良土樣有較大降幅，其余濃度的改良土樣黏聚力基本不變；6～10次凍融循環過程中，改良土樣黏聚力均逐漸降低。

同一凍融循環周期下，改良土樣黏聚力均大于糯米漿濃度為0%的土樣，隨著糯米漿濃度增加，黏聚力先增大后減小，綜合不同凍融循環次數，糯米漿濃度為6%時，改良土樣的黏聚力提升幅度較大。

2.4 凍融循環條件下內摩擦角與糯米漿濃度特征分析

圖7為糯米漿改良土樣的內摩擦角與凍融循環次數關系曲線。凍融循環次數為0次、1次、3次時，隨著糯米漿濃度的增加，改良土樣內摩擦角先增加后減小；凍融循環次數為6次、10次時，隨著糯米漿濃度的增加改良土樣內摩擦角逐漸增加。同一糯米漿濃度下，1次凍融循環后改良土樣的內摩擦角均減小，糯米漿濃度為2%、4%、6%、8%的改良土樣的內摩擦角均大于糯米漿濃度為0%的土樣。整體而言，隨著凍融循環次數的增加，糯米漿濃度為6%、8%的改良土樣內摩擦角較大。

圖7 糯米漿改良土內摩擦角與凍融循環次數關系Fig.7 Relationship between internal friction angle of glutinous rice slurry modified soil and freeze-thaw cycles

在經過第1次凍融循環后，各土樣的抗剪強度均大幅度下降，未添加糯米漿的土樣黏聚力下降幅度較大，為13.31%。這是由于改良土孔隙中的水凍結成冰，體積膨脹，在膨脹壓力的作用下，改良土樣的內部結構發生損傷破壞，導致強度降低[29，34-35]。在經過1～3次凍融循環后，改良土樣的抗剪強度反而有所提高。這是因為糯米漿和石灰協同作用生成的方解石晶體能夠填充土顆粒之間的孔隙，有效提高了改良土樣的黏聚力[29，31，36-37]。經過3～10次凍融循環后，凍融作用更為顯著，使得土樣的強度開始下降。這與韓春鵬等[29]和劉琳[37]的結論一致。

3 結 論

(1)加入糯米漿可以提高改良土的抗剪強度。改良土的抗剪強度與黏聚力隨著糯米漿濃度增加均呈先增大后減小的變化趨勢，其中糯米漿摻量為6%時土樣抗剪強度綜合提升幅度較大。

(2)加入糯米漿會提升改良土的抗凍性能，降低凍融循環后的抗剪強度損失。

(3)凍融循環作用會對改良土試樣的抗剪強度造成顯著的影響。隨著凍融循環次數的增加，改良土樣抗剪強度與黏聚力均呈先大幅降低再增加，最后逐漸降低的趨勢。