不同凍融狀態(tài)下風(fēng)積沙改性土力學(xué)特性研究

王 澍

(中鐵二十四局集團(tuán)有限公司 上海 200071)

1 引言

風(fēng)積沙，又稱沙漠沙，是沙被風(fēng)沙流搬移到?jīng)_積平原地區(qū)形成沙丘而產(chǎn)生的，屬第四紀(jì)風(fēng)積物，系指在風(fēng)成沙性質(zhì)上發(fā)育起來的土壤[1]。我國沙漠面積約為71.29萬平方公里，占全國總面積的7.4%左右，主要分布于新疆(58.9%)、內(nèi)蒙古(29.9%)、青海(5.3%)、甘肅(2.7%)、陜西(1.5%)、寧夏(0.6%)、吉林(0.5%)、黑龍江(0.4%)與遼寧(0.2%)等九省區(qū)。沙漠地區(qū)修筑線路工程一般依據(jù)就地取材原則，取風(fēng)積沙為原料進(jìn)行路堤填筑。近年來大量學(xué)者對(duì)風(fēng)積沙進(jìn)行了研究，李萬鵬[2]、劉大鵬[3]、金昌寧[4]、薛成[5]、張生輝[6]等人研究了風(fēng)積沙的力學(xué)特性，為風(fēng)積沙作為筑路材料奠定了基礎(chǔ)。張宏[7]、陳忠達(dá)[8]、袁玉卿[9]、楊人鳳[10]等對(duì)風(fēng)積沙的壓實(shí)特性進(jìn)行了研究，取得了振動(dòng)壓實(shí)、振動(dòng)干壓法以及沖擊振動(dòng)壓實(shí)等一系列壓實(shí)工藝。隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的提出以及高等級(jí)線路工程的不斷發(fā)展，越來越多的高等級(jí)線路工程不可避免地穿越沙漠地區(qū)，單純風(fēng)積沙壓實(shí)難以滿足高等級(jí)線路工程對(duì)壓實(shí)度和強(qiáng)度的較高要求。吳俊臣[11]、董偉[12]等通過添加不同工程材料，例如黏性土、水泥、粉煤灰、石膏和木鈣等改良風(fēng)積沙的力學(xué)性能，增加強(qiáng)度為工程服務(wù)。然而，沙漠地區(qū)修筑高等級(jí)線路工程面臨晝夜溫差以及季節(jié)性溫度的交替變化，無論是凍結(jié)還是融化，風(fēng)積沙改性土的組構(gòu)特性將發(fā)生變化，其強(qiáng)度指標(biāo)可能存在差異，關(guān)于凍融狀態(tài)下風(fēng)積沙改性土強(qiáng)度特性的研究鮮有報(bào)道。因此，有必要結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)凍融狀態(tài)下風(fēng)積沙改性土的力學(xué)特性進(jìn)行針對(duì)性研究，為風(fēng)積沙改性土配比優(yōu)化提供試驗(yàn)依據(jù)，為寒區(qū)風(fēng)積沙改性土工程施工和運(yùn)營提供試驗(yàn)參考。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所采用的風(fēng)積沙取自內(nèi)蒙古科爾沁沙地某客專路堤施工項(xiàng)目段。該區(qū)域地勢較平坦，局部有起伏，主要區(qū)域分布固定沙丘、半固定沙丘以及沙地等。植被覆蓋一般，局部辟為耕地，整體地勢北高南低?，F(xiàn)場取樣的沙去除雜質(zhì)后烘干冷卻，測得其所含主要礦物為石英，并含有一定量的斜長石和鉀長石，且含有少量的伊利石或蒙脫石。測得的基本物理指標(biāo)見表1。不均勻系數(shù)Cu＜5、曲率系數(shù)Cc＜1，顆粒較均勻，屬不良級(jí)配。試驗(yàn)所用黏性土的平均含水率為8.8%，塑性指數(shù)和液性指數(shù)為10.19、-0.59。試驗(yàn)所用的水泥型號(hào)為普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5，即P.O42.5。旋窯熟料，比表面積 348 m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度25.4%，初凝時(shí)間177 min、終凝時(shí)間 209 min。

表1 風(fēng)積沙物理指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

如圖1a所示，本次試驗(yàn)所用凍融循環(huán)試驗(yàn)設(shè)備為AHL-800 DG型高低溫試驗(yàn)箱，溫度變化范圍在-40℃ ～150℃，溫度偏差 ±2℃，溫度波動(dòng)度±1℃，可自動(dòng)設(shè)置凍融循環(huán)次數(shù)。單軸壓縮試驗(yàn)采用ZYSS-2000電液伺服型壓力機(jī)，可提供最大試驗(yàn)力為2 000 kN，軸向加載速率0.01～20 kN/s，軸向測量分辨率20 N，軸向測量精度:≤±1%(示值)，位移測量范圍為1～100 mm，位移測量分辨率0.001 mm，位移測量精度:≤±5%。劈裂試驗(yàn)采用Model E45微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，可提供最大試驗(yàn)力為100 kN，軸向加載速率0.001～500 mm/min，位移分辨率為0.000 017 mm。

2.3 試驗(yàn)方案

選取上述三種試驗(yàn)材料進(jìn)行配比設(shè)計(jì)，配比方案見表2。將試驗(yàn)材料按照設(shè)計(jì)配比進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，并在最優(yōu)含水率的情況下加水?dāng)嚢杈鶆?，制?50 mm×150 mm×150 mm的立方體和φ40 mm×80 mm的圓柱體試樣，如圖1b所示。每種規(guī)格的試件分別制備4組，每組3個(gè)試樣。

表2 風(fēng)積沙改性土配比 %

將制備好的試樣在恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)7 d后，進(jìn)行凍融試驗(yàn)。根據(jù)工程區(qū)年平均氣溫變化曲線(見圖2)，將凍融溫度上限設(shè)置為35℃，溫度下限設(shè)置為-25℃。

圖2 通遼市研究區(qū)氣溫變化曲線

針對(duì)每種配比試樣設(shè)計(jì)四種凍融循環(huán)次數(shù)，分別為0次、10次、20次、30次，每種凍融循環(huán)狀態(tài)下均做平行實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)開始前，先將高低溫試驗(yàn)箱溫度設(shè)置為35℃，待溫度達(dá)到設(shè)定值后，開始進(jìn)入循環(huán)模式。一次凍融循環(huán)的方案設(shè)計(jì)見表3。

表3 一次凍融循環(huán)的方案設(shè)計(jì)

凍融試驗(yàn)完成后對(duì)立方體試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)圓柱體試樣進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)得出的抗壓強(qiáng)度、割線彈性模量、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單軸抗壓強(qiáng)度

四種配比的風(fēng)積沙改性土試樣(A、B、C、D)經(jīng)反復(fù)凍融(分別為0次、10次、20次、30次)后，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3。

從圖3可以看出，試樣在凍融條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率緩慢增大，呈現(xiàn)“上凹型”曲線，處于孔隙不斷壓密階段；后直線上升，進(jìn)入彈性階段；隨著應(yīng)力的不斷增大，曲線呈現(xiàn)“下凹型”，試樣進(jìn)入屈服階段；當(dāng)試樣破壞時(shí)，曲線斜率出現(xiàn)負(fù)值，應(yīng)力開始緩慢減小。其中圖3a所示A組試樣在0次凍融條件下空隙壓密階段幾乎未出現(xiàn)，這是由于凍融條件下的熱脹冷縮現(xiàn)象導(dǎo)致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，出現(xiàn)微裂隙造成的。圖3b所示B組試樣在0次凍融條件下孔隙壓密階段幾乎未出現(xiàn)。12次凍融循環(huán)作用下試樣的孔隙壓密階段并不顯著，說明黏性土含量的增加可減弱溫度環(huán)境的變化對(duì)前期水泥水化反應(yīng)的影響。隨著水泥水化反應(yīng)的完成，凍融損傷作用更加顯著，導(dǎo)致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，出現(xiàn)微裂隙，造成曲線的壓密階段出現(xiàn)輕微波動(dòng)現(xiàn)象，且彈性階段的斜率明顯減小。C組試樣在0次凍融條件和24次凍融條件下試樣的孔隙壓密階段幾乎未出現(xiàn)，隨著黏性土含量的增加，凍融次數(shù)在一定范圍內(nèi)時(shí)，風(fēng)積沙改性土內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)變密實(shí)。當(dāng)試樣進(jìn)入彈性階段后，隨著凍融次數(shù)的增加，直線段斜率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。D組試樣隨著凍融次數(shù)的增加，試樣的單軸抗壓強(qiáng)度波動(dòng)幅度較小，可見該種配比方案對(duì)溫度變化的適應(yīng)性較強(qiáng)；同時(shí)最大單軸抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)在凍融第12次時(shí)，可知水泥水化反應(yīng)與黏性土的耦合效應(yīng)在凍融12次的時(shí)候達(dá)到最佳，割線彈性模量與單軸抗壓強(qiáng)度有著相同的變化趨勢。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下各配比試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下各配比試樣的力學(xué)指標(biāo)

由表4可知，隨著凍融次數(shù)的增加，試樣的單軸抗壓強(qiáng)度一般呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因?yàn)樵嚇釉趦鋈谘h(huán)作用下，水泥的水化反應(yīng)與凍融循環(huán)作用同步進(jìn)行。當(dāng)凍融次數(shù)較少時(shí)，以水泥水化反應(yīng)為主，凍融損傷作用為輔，試樣的單軸抗壓強(qiáng)度不斷提高；當(dāng)水泥水化反應(yīng)到后期趨于穩(wěn)定時(shí)，凍融損傷作用占據(jù)主導(dǎo)位置，試樣的單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)減小趨勢，但不同配比之間有一定差異。與風(fēng)積沙＋5%水泥不同，風(fēng)積沙＋5%水泥＋5%黏性土、風(fēng)積沙＋3%水泥＋10%黏性土試樣單軸抗壓強(qiáng)度極大值出現(xiàn)在凍融12次時(shí)，比單純摻加水泥時(shí)試樣的強(qiáng)度增加更快。說明黏性土顆粒可通過結(jié)合水膜使鄰近的風(fēng)積沙顆粒結(jié)合起來，快速提高試樣的黏聚力；同時(shí)，水泥水化反應(yīng)對(duì)水分的吸收可使結(jié)合水膜變薄，使強(qiáng)度較快提高。

3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

風(fēng)積沙改性土凍融試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)如圖4所示。劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)試樣破壞的形態(tài):試樣在峰值荷載時(shí)出現(xiàn)拉張裂縫，隨著力的繼續(xù)增加裂縫寬度也隨之加寬，試樣完全破壞。

圖4 劈裂抗拉試驗(yàn)照片

不同凍融循環(huán)次數(shù)試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度如圖5所示。不同配比風(fēng)積沙改性土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增加總體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，其中風(fēng)積沙＋3%水泥＋10%黏性土試樣的抗拉強(qiáng)度一直位于曲線的最低點(diǎn)，這是由于相比于其它配比，該種配比水泥含量較低，黏聚力較差；當(dāng)添加5%水泥時(shí)，不添加黏性土試樣的抗拉強(qiáng)度低于添加黏性土試樣的抗拉強(qiáng)度，這是由于黏性土顆粒較小，能充分填充風(fēng)積沙顆粒間的空隙，且黏性土的膠結(jié)作用能增加土顆粒間的黏聚力；添加5%水泥＋5%黏性土的試樣在未進(jìn)行凍融時(shí)其抗拉強(qiáng)度小于添加5%水泥＋10%黏性土的試樣，在凍融條件下其抗拉強(qiáng)度均大于添加5%水泥＋10%黏性土的試樣。隨著凍融次數(shù)的增加，試樣的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律，這是由于試樣在凍融循環(huán)作用下，水泥的水化反應(yīng)與凍融循環(huán)作用同步進(jìn)行，當(dāng)凍融次數(shù)較少時(shí)，以水泥水化反應(yīng)為主，凍融損傷作用為輔，試樣的抗拉強(qiáng)度不斷提高；當(dāng)水泥水化反應(yīng)到后期趨于穩(wěn)定時(shí)，凍融損傷作用占據(jù)主導(dǎo)位置，試樣的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)減小趨勢。

圖5 各試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度對(duì)比曲線

4 結(jié)束語

通過對(duì)風(fēng)積沙改性土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，并對(duì)凍融作用試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析，并得出了以下主要結(jié)論:

(1)試樣在凍融循環(huán)作用下，水泥的水化反應(yīng)與凍融循環(huán)作用同步進(jìn)行，當(dāng)凍融次數(shù)較少時(shí)，以水泥水化反應(yīng)為主，凍融損傷作用為輔，試樣的強(qiáng)度不斷提高；當(dāng)水泥水化反應(yīng)到后期趨于穩(wěn)定時(shí)，凍融損傷作用占據(jù)主導(dǎo)位置，試樣的強(qiáng)度呈現(xiàn)減小趨勢。

(2)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，5%水泥＋10%黏性土配比的試樣抗壓強(qiáng)度最高，5%水泥＋5%黏性土次之，但不同凍融狀態(tài)下5%水泥＋5%黏性土強(qiáng)度變動(dòng)幅度較?。辉谂芽估瓘?qiáng)度試驗(yàn)中，5%水泥＋5%黏性土配比的試樣抗拉強(qiáng)度最高，5%水泥＋10%黏性土次之。