凍融循環(huán)對鈣劑改良土體分散性效果的影響

苑曉青,吳澤炬,王 清,陳慧娥,林 森,牛岑岑,徐 鑫

1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,長春 130026

2.吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院,長春 130021

0 引言

分散性土是一種鈉離子含量高的特殊黏性土。在水的作用下,黏土顆粒的雙電層厚度增加,導(dǎo)致排斥力大于吸引力,土顆粒會分散成原級顆粒[1]。由于這種土體的抗沖蝕能力差較弱,會對水利工程,如堤壩、渠道邊坡、道路邊坡等造成嚴重的沖蝕和管涌破壞。近年來,吉林西部地區(qū)實施了多項引水工程項目,在這些工程的建設(shè)過程中,出現(xiàn)了一些渠道邊坡因沖蝕而發(fā)生塌陷的現(xiàn)象[2]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),該地區(qū)的土體具有明顯的分散性特征。因此,在工程中需重視分散性土對水利工程的威脅,采取相應(yīng)改良和防護措施來確保工程的安全可靠。

為了防止分散性土在工程中產(chǎn)生危害,學(xué)者們對分散性土進行了深入研究,采用各種方法來對分散性土進行改良。傳統(tǒng)改良劑如石灰[3-5]、水泥[6]、粉煤灰[7-8]和明礬[9-11]已被證明在適當(dāng)摻量下可以有效降低土體的分散性,同時提高力學(xué)性能。新型改良劑如仿巖溶碳酸氫鈣[12]、木質(zhì)素磺酸鈣[13-14]和納米黏土[15]也被用于改良分散性土,它們通過不同機制改善土體性質(zhì),在降低土體分散性的同時提高了土體的穩(wěn)定性和抗水侵蝕能力。但是,在季節(jié)性凍土地區(qū),土體會不斷受到凍融循環(huán)作用而導(dǎo)致工程性質(zhì)發(fā)生劣化。王理想[16]研究了季凍區(qū)分散性土凍融循環(huán)變形規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在季凍區(qū)環(huán)境中,分散性土在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后,即使其初始孔隙比和含水率與非分散性土相同,其凍脹量也明顯超過了非分散性土。王穎[17]研究發(fā)現(xiàn),凍融循環(huán)對土體的分散性會產(chǎn)生一定的影響。在凍融循環(huán)過程中,鹽分遷移和凍脹作用會使土體的分散性呈上升趨勢,但不同的密實度會導(dǎo)致凍融循環(huán)對分散性的影響程度不同。楊小川[18]在進行降雨沖刷試驗時,對經(jīng)歷了7次凍融循環(huán)的分散性土模型進行觀察發(fā)現(xiàn),土體表面出現(xiàn)了沖溝,這表明凍融循環(huán)后土顆粒之間的黏結(jié)力減弱,導(dǎo)致土體更加分散。劉樂青等[19]研究了凍融循環(huán)對黃土無側(cè)限抗壓強度的影響,發(fā)現(xiàn)在凍融循環(huán)過程中,土體內(nèi)部的大顆粒逐漸變小,同時小孔隙的含量逐漸增加,顆粒排列方式發(fā)生變化,使土體結(jié)構(gòu)變得疏松,從而降低了強度。王中攀等[20]研究了凍融循環(huán)對重塑碳酸鹽漬土不排水強度的影響,發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,碳酸鹽漬土的不排水強度和抗剪強度逐漸降低,而凍融循環(huán)前3次的土樣強度下降在整個劣化過程中占比較大。

鈣離子劑改良分散性土的原理是通過鈣離子置換土顆粒表面的鈉離子,減小土顆粒雙電層厚度,增強土顆粒之間連結(jié),從而降低土體的分散性。關(guān)于鈣劑改良土體分散性已有劉杰等[21]、趙高文等[22]證實有較好的效果,但大部分研究未考慮凍融循環(huán)作用對改良后土體分散性及強度的影響。由于吉林西部地區(qū)處于季節(jié)性凍土地區(qū),土體將長年遭受凍融循環(huán),凍融循環(huán)作用會使土體發(fā)生劣化。在實際工程應(yīng)用中,改良后的土體在經(jīng)過數(shù)次的凍融循環(huán)后分散性的變化情況仍不清晰。因此,在進行土體改良劑選擇時,需要綜合考慮凍融循環(huán)作用對土體性質(zhì)的影響。本文選擇吉林省松原市的分散性土樣為研究對象,采用氧化鈣和氯化鈣兩種鈣劑對其進行改良,根據(jù)對兩種鈣離子劑不同摻量的土樣進行分散性鑒定,選擇最優(yōu)摻量的改良土樣,并進行了不同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗,以探究凍融循環(huán)對改良土的分散性和力學(xué)性能的影響。

1 試驗材料

1.1 試驗土樣基本性質(zhì)

試驗土樣取自吉林省松原市,位于松嫩平原內(nèi),屬于典型的分散性土分布區(qū)和季節(jié)性凍土區(qū),取樣地點位于123°47′05″E, 45°02′29″N,取樣深度為地表以下0.4 m。研究區(qū)地貌如圖1a所示。由于研究區(qū)內(nèi)年降水量較少,蒸發(fā)作用較強,導(dǎo)致鹽分在地表逐漸積累,因此,研究區(qū)的土體表面呈現(xiàn)灰白色(圖1b),且土體鹽堿化程度較高。

圖1 研究區(qū)地貌圖(a)及出現(xiàn)的沖蝕破壞(b)

試驗土樣的粒度成分見表1,顆粒組成中黏粒(粒徑<0.005 mm)質(zhì)量分數(shù)為32.50%,粉粒(0.005～0.075 mm)質(zhì)量分數(shù)為61.20%,砂粒(0.075～2.000 mm)質(zhì)量分數(shù)為6.30%,按照《巖土工程勘察規(guī)范(GB 50021—2001)》[23]定名為黏土。土樣礦物成分組成見表2。礦物成分中伊蒙混層的體積分數(shù)為14.62%,在黏土礦物中體積分數(shù)最高,這代表著蒙脫石礦物在土中占有一定的比例。土樣基本物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)見表3、表4,土樣的鈉離子質(zhì)量摩爾濃度為2.234 9×10-5mol/g,易溶鹽質(zhì)量分數(shù)達到了0.43%,pH值為8.03。同時具備高pH和高含量鈉離子是黏性土具有分散性的本質(zhì)原因[24],據(jù)此可初步判定土樣具有分散性特征,但仍需進行分散性鑒定試驗進一步判別試驗土樣的分散性。

表1 研究區(qū)試驗土樣的粒度成分

表2 研究區(qū)試驗土樣的礦物體積分數(shù)

表3 研究區(qū)試驗土樣的物理性質(zhì)

表4 研究區(qū)試驗土樣的化學(xué)性質(zhì)

1.2 試驗土樣分散性鑒定

土樣分散性鑒定試驗包括針孔試驗、碎塊試驗、雙比重計試驗和交換性鈉離子百分比試驗。其中:針孔試驗使用直徑為38.1 mm、高度為62 mm的圓柱樣品,通過觀察在50 mm水頭下小孔受水流沖蝕情況及水流量和渾濁情況判斷分散性;碎塊試驗采用邊長為1 cm的正方體土塊,通過觀察土塊在蒸餾水浸泡下的崩解情況判斷分散性;雙比重計試驗是取30 g試驗土樣進行常規(guī)和非常規(guī)2次比重計試驗來測定黏粒的質(zhì)量分數(shù),并通過2次試驗黏粒質(zhì)量分數(shù)的比值確定土樣的分散度,以此判斷分散性;交換性鈉離子百分比試驗通過測定可交換性鈉離子和孔隙水溶液可交換性陽離子的質(zhì)量摩爾濃度,確定土樣的交換性鈉離子百分比(RESP)來判斷分散性。以上4種分散性鑒定試驗的方法和判別標準參照美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)[24-27]及《分散性土研究》[28]中提出的方法和判別標準。由于試驗土樣中含有較高的易溶鹽和鈉離子,為了更準確地評估土樣的分散性,主要通過針孔試驗和碎塊試驗的結(jié)果對土樣進行判別,雙比重計試驗和交換性鈉離子百分比試驗的結(jié)果則作為參考[29]。

本文進行了以下分散性鑒定試驗:由針孔試驗結(jié)果,觀察到針孔試驗集水容器側(cè)視圖和俯視圖中的水體都呈現(xiàn)較渾濁狀態(tài)(圖2a),流量為1.76 mL/s,終了孔徑為2 mm,判定土樣為高分散性土;由碎塊試驗結(jié)果可見,土塊放入蒸餾水中后立即出現(xiàn)了云霧狀物質(zhì),經(jīng)過1 h后土樣已完全崩解,6 h后狀況幾乎不再發(fā)生變化,最終云霧狀物質(zhì)布滿杯底(圖2b),判定土樣為分散性土;雙比重計試驗結(jié)果分散度為96.62(>50),判定土樣為高分散性土;交換性鈉離子百分比試驗結(jié)果RESP為18.78(>15),判定土樣為高分散性土。

a. 針孔試驗結(jié)果;b. 碎塊試驗結(jié)果。

不同分散性鑒定試驗的結(jié)果可能會存在一定差異,因此采用分散性綜合判別方法[30-31]對土樣的分散性進行判別。該方法確定各分散性鑒定試驗結(jié)果的可信度從大到小為針孔試驗、碎塊試驗、雙比重計試驗、交換性鈉離子百分比試驗,分別賦予4種分散性鑒定試驗40%、25%、20%和15%的權(quán)重;并把土樣的分散性等級分為高分散性、分散性、過渡性、非分散性4個等級,同時對4種分散性等級分別賦分10.0、7.5、5.0、2.5。根據(jù)各試驗所占權(quán)重及各等級賦分計算分散性等級值R,并將其劃分為4個級別:07.5,因此判定土樣為高分散性土(表5)。

表5 試驗土樣分散性綜合判定

2 試驗方法

2.1 鈣劑改良土體分散性室內(nèi)試驗

采用氯化鈣和氧化鈣2種鈣劑對吉林西部地區(qū)分散性土進行改良。具體試驗步驟如圖3所示:首先稱取一定質(zhì)量過2 mm篩的風(fēng)干土樣,按照摻量為0.2%、0.3%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%分別加入氯化鈣和氧化鈣并攪拌均勻,噴撒蒸餾水至最優(yōu)含水率18.87%,浸潤后拌合均勻,裝入密封袋放置24 h,使水分充分擴散;接著將準備好的土樣通過靜壓法以95%的壓實度制成直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱樣品;最后將制好的試樣用保鮮膜密封包裹防止水分蒸發(fā),并放置在保濕器中養(yǎng)護24 h。

圖3 改良試驗具體操作步驟

土樣完成養(yǎng)護后,分別進行4種分散性鑒定試驗,通過分散性綜合判別方法確定2種鈣劑的最優(yōu)摻量。之后采用最優(yōu)摻量的改良土進行凍融循環(huán)條件下室內(nèi)模擬試驗。

2.2 凍融循環(huán)條件室內(nèi)模擬試驗

凍融循環(huán)條件室內(nèi)模擬試驗在自制超冷環(huán)境下巖土凍融試驗綜合模擬平臺(圖4)上進行,該平臺能夠模擬-35 ℃的低溫環(huán)境,并具有0.1 ℃的溫度控制精度。根據(jù)改良土的分散性鑒定試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果得出最優(yōu)摻量,選擇最優(yōu)摻量的改良土進行凍融循環(huán)試驗。凍融循環(huán)試驗中,設(shè)定凍結(jié)溫度為-20 ℃,融化溫度為室溫(約25 ℃)。先將試樣密封在保鮮膜中,放置于該儀器中連續(xù)冷凍12 h,然后將試樣從儀器中取出,放置于工作臺上解凍12 h,即完成1次凍融循環(huán)。本次試驗設(shè)定了不同次數(shù)的凍融循環(huán)次數(shù),分別為0、1、3、5、7、9、10、15和20次。完成凍融循環(huán)試驗后,對土樣進行分散性鑒定試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗以及微觀結(jié)構(gòu)試驗。

圖4 自制超冷環(huán)境下巖土凍融試驗綜合模擬平臺

2.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

無側(cè)限抗壓強度試驗在YYW-2型應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀(圖5)上進行。試樣采用靜壓法制備,制成直徑為39.1 mm、高度為80 mm的圓柱樣品,達到95%的壓實度。試驗操作按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)[32]進行,通過該試驗可獲得土樣的無側(cè)限抗壓強度。

圖5 應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀

2.4 掃描電鏡試驗

掃描電鏡試驗選擇經(jīng)過凍融循環(huán)試驗后具有代表性的試樣。先將其置于液氮中進行冷凍,持續(xù)時間為12 h。然后將試樣轉(zhuǎn)移到真空冷凍干燥儀中進行凍結(jié)干燥,持續(xù)時間為8 h,以確保樣品完全脫水并保持其初始形態(tài)和結(jié)構(gòu)不變。完成干燥后將樣品掰開以獲得新鮮的斷面并用導(dǎo)電膠將樣品粘在樣品臺上,隨后使用離子濺射儀進行噴金處理。最后將處理完成的試樣使用掃描電鏡(圖6)進行試驗,掃描倍數(shù)設(shè)置為800倍,從微觀角度觀察土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 不同改良劑對土體分散性改良效果的影響

針孔試驗結(jié)果顯示:0.2%氧化鈣摻量(圖7a)下的改良土孔徑為1.2 mm,集水容器內(nèi)水體呈輕微渾濁,鑒定土樣為過渡性土;0.3%～1.6%氧化鈣摻量(圖7b—f)和0.2%～1.6%氯化鈣摻量(圖7g—l)下土樣的孔徑均為1.0 mm且集水容器內(nèi)水體完全清澈,鑒定土樣均為非分散性土。

碎塊試驗結(jié)果表明:氧化鈣摻量為0.2%(圖8a)的土塊崩解且周圍產(chǎn)生輕微的膠粒懸浮物,水體微渾濁,鑒定土樣為過渡性土;而采用氧化鈣摻量為0.3%～1.6%(圖8b—f)和氯化鈣摻量為0.2%～1.6%(圖8g—l)改良的土塊崩解后水體未出現(xiàn)渾濁,鑒定土樣均為非分散性土。

a—f. 氧化鈣改良土碎塊試驗結(jié)果;g—l.氯化鈣改良土碎塊試驗結(jié)果。摻量依次為0.2%、0.3%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%。

從雙比重計試驗結(jié)果(圖9)可以看出:隨著摻量的增加,兩種鈣劑改良土的分散度均呈下降趨勢:摻量0.2%氧化鈣改良土樣的分散度為32.2%,鑒定土樣為過渡性土,而摻量0.3%～1.6%的氧化鈣和摻量0.2%～1.6%氯化鈣改良土樣的分散度均小于30.0%,鑒定土樣均為非分散性土。

圖9 改良土樣雙比重計試驗結(jié)果

圖10為交換性鈉離子百分比試驗結(jié)果,從圖10可以看出:氯化鈣改良土的交換性鈉百分比在相同摻量下均低于氧化鈣改良土;氧化鈣改良土在摻量為0.2%～1.2%的交換性鈉離子百分比屬于過渡性土的范圍內(nèi),僅摻量為1.6%時屬于非分散性土;氯化鈣改良土在0.2%和0.3%摻量下的交換性鈉離子百分比屬于過渡性土,在0.4%～1.6%的摻量下交換性鈉離子百分比都屬于非分散性土的范圍內(nèi)。

圖10 改良土樣交換性鈉離子百分比試驗結(jié)果

結(jié)合4種分散性鑒定試驗可以計算出不同摻量改良土的分散性等級值:摻量0.2%氧化鈣改良土的分散性等級值為5.0×0.40+5.0×0.25+5.0×0.20+5.0×0.15=5.000,判定土樣為過渡性土;摻量0.3%～1.2%氧化鈣改良土和摻量0.2%～0.3%氯化鈣改良土的分散性等級值都為2.5×0.4+2.5×0.25+2.5×0.2+5.0×0.15=2.875,為過渡性土;摻量1.6%氧化鈣改良土和摻量0.4%～1.6%氯化鈣改良土的分散等級值為2.5×0.4+2.5×0.25+2.5×0.2+2.5×0.15=2.500,為非分散性土。從表6的分散性綜合判定結(jié)果可以看出,氧化鈣改良土在摻量為1.6%時才改良為非分散性土,而氯化鈣改良土在摻量為0.4%時4種分散性鑒定結(jié)果就為非分散性土。上述試驗結(jié)果說明氯化鈣對分散性的改良效果優(yōu)于氧化鈣,氧化鈣改良分散性土的最優(yōu)摻量為1.6%,氯化鈣改良分散性土的最優(yōu)摻量為0.4%。

表6 改良土樣分散性綜合判定

3.2 凍融循環(huán)作用對改良土分散性的影響

由于氯化鈣對土體分散性的改良效果優(yōu)于氧化鈣,因此選擇氯化鈣改良的最優(yōu)摻量0.4%的土樣進行凍融循環(huán)試驗。對經(jīng)歷1、3、5、7、9、10、15、20次凍融循環(huán)的改良土進行針孔試驗,結(jié)果見圖11。由圖11可見試樣孔徑為1.0 mm,小于1.5 mm,集水容器內(nèi)水體完全清澈,可鑒定為非分散性土。

n為土樣經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)。

經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)的改良土的碎塊試驗結(jié)果見圖12。從圖12可以看出,所有土樣在崩解后周圍都沒有出現(xiàn)渾濁,可鑒定為非分散性土。

圖12 凍融循環(huán)后改良土的碎塊試驗結(jié)果

經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)的改良土的雙比重計試驗結(jié)果見圖13。從圖13可以看出,所有土樣分散度均小于30%,可鑒定為非分散性土。

圖13 凍融循環(huán)后改良土的雙比重計試驗結(jié)果

由于試驗土樣的含鹽量較高,凍融循環(huán)作用會導(dǎo)致土樣發(fā)生鹽脹,使得測定的可交換性鈉離子和孔隙水溶液可交換性陽離子的質(zhì)量摩爾濃度不準確,且孔隙水溶液可交換性陽離子的質(zhì)量摩爾濃度的測定受多種因素影響[33],這些原因都會導(dǎo)致交換性陽離子百分比試驗結(jié)果與實際不符;因此對經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)的改良土僅采用碎塊試驗、針孔試驗和雙比重計試驗這3種分散性鑒定試驗來判斷土樣分散性。結(jié)合3種分散性鑒定試驗結(jié)果可計算經(jīng)歷凍融循環(huán)的改良土分散性等級值均為2.5×0.4+2.5×0.25+2.5×0.2=1.525,判定為非分散性土。從雙比重計試驗結(jié)果(圖13)可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土樣的分散度呈上升趨勢,說明凍融循環(huán)作用會增強土樣的分散性。凍融循環(huán)作用對土體的分散性產(chǎn)生影響主要體現(xiàn)在兩個方面:一是土在凍融循環(huán)過程中,在溫度梯度、濃度梯度、水分對流共同作用下水分和鹽分會發(fā)生遷移。水鹽遷移的過程中可能會引起鹽分逐漸積聚,進而產(chǎn)生鹽脹效應(yīng),使土體結(jié)構(gòu)松散化[34]。土樣的取樣深度為0.4 m,是長期處于上層滲透淋濾與下層毛細作用的水鹽運移的目標深度,使其具有更多的黏粒和鹽分析出結(jié)晶的條件[35],在凍融循環(huán)的作用下鹽脹效應(yīng)會更明顯,會進一步增大土體的分散性。二是土在凍融循環(huán)過程中會使土體中的水發(fā)生相變,即從固態(tài)到液態(tài)或從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)土體中的水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時,固態(tài)冰的體積比相同質(zhì)量的液態(tài)水大。這種情況下,土顆粒受到擠壓,導(dǎo)致土顆粒之間的間距增大,從而減弱了它們之間的連結(jié)力,進而對土體的分散性產(chǎn)生了影響[36]。此外,固態(tài)冰的形成還會增加土體的孔隙比和松散度,降低土體的致密程度,進而增加土體的分散性。

從表7分散性鑒定試驗結(jié)果可以看出,改良土的凍融循環(huán)次數(shù)在20次以內(nèi)時,土樣仍為非分散性土,說明采用氯化鈣改良的土樣在經(jīng)歷有限次數(shù)的凍融循環(huán)仍具有良好的改良效果。氯化鈣在凍融循環(huán)的劣化作用下仍能抑制土樣產(chǎn)生分散的原因是:凍融循環(huán)主要破壞土體的物理力學(xué)性質(zhì),不改變土體的化學(xué)性質(zhì),而是通過物理過程對土體結(jié)構(gòu)造成影響[37];氯化鈣主要通過鈣離子置換土體中的鈉離子來降低土顆粒的雙電層厚度,進而增加土顆粒之間的吸引力,促使土顆粒聚集形成較大的團聚體,從而使土顆粒難以分散成原始的顆粒級別。因凍融循環(huán)而產(chǎn)生的凍脹作用和鹽脹作用對氯化鈣改良土的分散性影響較小,因此氯化鈣可以作為一種良好的土體改良劑用于季凍區(qū)土體分散性的治理。

表7 凍融循環(huán)作用下改良土樣分散性綜合判定

3.3 凍融循環(huán)作用對改良土力學(xué)性能的影響

凍融循環(huán)是一種強風(fēng)化作用,它使土中的水分狀態(tài)反復(fù)變化,引起凍脹和融沉,破壞土體結(jié)構(gòu),從而改變土體的力學(xué)性質(zhì)[38]。根據(jù)圖14中無側(cè)限抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,改良土的抗壓強度持續(xù)下降。在經(jīng)歷了20次凍融循環(huán)后,改良土的抗壓強度下降了約40%,表明凍融循環(huán)對改良土的抗壓性能產(chǎn)生了顯著影響。值得注意的是,在凍融循環(huán)次數(shù)從0次增加到5次的過程中,改良土的抗壓強度下降速度較快;這可能是由于初始凍融循環(huán)引起的凍脹作用使得土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,導(dǎo)致抗壓強度的明顯降低。然而,在凍融循環(huán)次數(shù)從5次增加到20次的過程中,改良土的抗壓強度下降趨勢逐漸變緩,并且在10次以上的凍融循環(huán)中,改良土的抗壓強度基本保持在60 kPa左右。在一定次數(shù)的凍融循環(huán)后,改良土的抗壓強度基本穩(wěn)定在一個較低的水平。

圖14 不同凍融循環(huán)次數(shù)下改良土的無側(cè)限抗壓強度

無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果表明,氯化鈣改良土的無側(cè)限抗壓強度受到凍融循環(huán)次數(shù)的影響,由于黏土顆粒具有雙電層結(jié)構(gòu),通常帶有一定數(shù)量的負電荷,會在土顆粒四周形成電場,而水是一種極性分子,水中有各種帶正電的鹽離子,這些水分子和鹽離子在電場中定向排列。在凍融循環(huán)過程中,土中的自由水首先發(fā)生凍結(jié),隨著溫度降低,土顆粒周圍的結(jié)合水會發(fā)生凍結(jié),結(jié)合水的凍結(jié)使原來的電化學(xué)力失去平衡,為了維持電場的平衡,土顆粒的未凍的自由水分子會被不斷地吸引,土樣中的水分發(fā)生反復(fù)的相變和遷移,土顆粒和土孔隙受土中水分的狀態(tài)變化而不斷調(diào)整和變化[39];因此初期的凍融循環(huán)會導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,使得抗壓強度迅速下降。然而,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土體結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定,抗壓強度下降的速率減緩。這可能是由于土樣在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后,土顆粒的排列方式達到一種穩(wěn)定的狀態(tài),土顆粒之間的連結(jié)更加牢固,減少了進一步的結(jié)構(gòu)破壞和強度損失。凍融循環(huán)作用對改良土的力學(xué)性能的劣化較明顯,因此氯化鈣不宜單獨用于改良季凍區(qū)土體的力學(xué)性能。

3.4 土體微觀結(jié)構(gòu)特征

土的孔隙特征是土體微觀重要結(jié)構(gòu)特征之一,也是影響土體工程地質(zhì)性質(zhì)的重要因素[40],孔隙的變化反映著土體結(jié)構(gòu)的變化。凍融循環(huán)后土樣放大800倍的圖像如圖15所示。從圖15可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土體的裂隙寬度增大,數(shù)量增加。未改良的土孔隙和裂隙較大(圖15a);未經(jīng)歷凍融循環(huán)的土樣裂隙和孔隙數(shù)量較少,土顆粒之間的膠結(jié)較密實,沒有明顯貫通的裂隙,土體整體性較好(圖15b);經(jīng)歷1次和5次凍融循環(huán)后的土樣,裂隙和孔隙的數(shù)量都有增加,裂隙寬度與未經(jīng)歷凍融循環(huán)的土樣相比稍有增加,顆粒之間的接觸方式主要以面-面接觸為主(圖15c、d);經(jīng)歷10次及20次凍融循環(huán)后的土樣,裂隙和孔隙的數(shù)量以及裂隙寬度都有明顯的增加,小裂隙寬度增加并且相互連接形成大裂隙,導(dǎo)致大顆粒由于裂隙的增加逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾☆w粒,顆粒之間的接觸方式由面-面接觸向點-面接觸和點-點接觸發(fā)展(圖15e、f)。

a. 素土;b. n =0;c. n =1;d. n =5;e. n =10;f. n =20。

土是由固體顆粒、水和氣體三部分組成的三相體系。固體顆粒構(gòu)成了土的骨架,顆粒之間通過相互之間的接觸和排列形成了土的結(jié)構(gòu)框架。水和氣體填充在固體顆粒之間的孔隙中,占據(jù)了土體積的一部分。凍融循環(huán)過程中由于土體的裂隙和孔隙不斷增加,使土樣的無側(cè)限抗壓強度不斷下降,但下降的趨勢逐漸變小。造成土樣無側(cè)限抗壓強度下降的因素主要在兩方面:一方面是水分相變時冰晶生長對顆粒產(chǎn)生擠壓,引起顆粒之間產(chǎn)生位移并相互擠壓,大顆粒破碎成小顆粒,同時改變孔隙的形態(tài),使中、小孔隙合并成大孔隙,從而導(dǎo)致土中的大孔隙增加;另一方面是由于水分在土顆粒的毛細力和吸附力作用下發(fā)生遷移,水對土體產(chǎn)生的反作用力對孔隙形態(tài)和顆粒排列產(chǎn)生影響[39]。這些因素都導(dǎo)致土體的結(jié)構(gòu)性發(fā)生改變,使土樣的抗壓強度下降。根據(jù)對凍融循環(huán)10次和20次的掃描電鏡圖像的比較,可以觀察到裂隙和孔隙的差別并不顯著;這表明在這個循環(huán)次數(shù)范圍內(nèi),土顆粒和孔隙的狀態(tài)已經(jīng)達到了一種相對穩(wěn)定的水平,意味著隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土樣的裂隙和孔隙的形成和分布變化逐漸減少。由于裂隙和孔隙已達到穩(wěn)定狀態(tài),土樣的無側(cè)限抗壓強度受到凍融循環(huán)作用的影響逐漸減小。因此,土樣在經(jīng)歷一定次數(shù)的凍融循環(huán)后,其無側(cè)限抗壓強度的變化趨勢逐漸減弱。

4 結(jié)論

1)氯化鈣對分散性的改良效果要優(yōu)于氧化鈣,氧化鈣改良分散性土的最優(yōu)摻量為1.6%,氯化鈣改良分散性土的最優(yōu)摻量為0.4%。

2)氯化鈣改良土改良土樣在經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)后,土樣的分散性幾乎不發(fā)生改變,說明氯化鈣可以用于改良季凍區(qū)土體的分散性。在經(jīng)歷20次凍融循環(huán)后,土樣的抗壓強度下降了約40%。由于凍融循環(huán)作用對改良土的力學(xué)性能的劣化較明顯,因此氯化鈣不宜單獨用于改良季凍區(qū)土體的力學(xué)性能。

3)通過掃描電鏡圖像觀察,可以發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土體的裂隙和孔隙逐漸增多。改良土初期受到凍融循環(huán)的影響較大,但在超過10次循環(huán)后,土顆粒的裂隙和孔隙狀態(tài)趨于穩(wěn)定。這也導(dǎo)致顆粒組成、孔隙組成和分布等特征趨于穩(wěn)定。