冻融循环对风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度影响研究

杨 俊，雷俊安，张国栋

(1.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002;2.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)



冻融循环对风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度影响研究

杨 俊1,2，雷俊安1,2，张国栋1,2

(1.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002;2.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

研究了风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度与风化砂掺量、冻融循环次数之间的定性和定量关系。在膨胀土中分别掺入0,10%,20%,30%,40%,50%的风化砂，在经过0,1,3,6,9,12次冻融循环后，在万能试验机上进行无侧限抗压强度测试。试验结果表明：在同一冻融循环次数下，风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度随掺砂比例的增大总体呈现先增大后减小的趋势，当掺砂比例为10%时，风化砂改良膨胀土试样的无侧限抗压强度最大；在同一掺砂比例下，风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度随冻融循环次数的增大而减小，其降低的幅度随冻融循环次数的增大也呈减小的趋势；对试验数据进行回归分析，建立无侧限抗压强度与冻融循环次数之间的数学模型，二者之间表现出良好的自然对数关系，且无侧限抗压强度与冻融循环次数的自然对数呈线性负相关关系。

风化砂改良；膨胀土；冻融循环；无侧限抗压强度；掺砂比例

1 研究进展

膨胀土是一种由伊利石、蒙脱石及高岭土等强亲水性矿物构成的特殊黏土。它遇水后发生膨胀，土体强度急剧下降，失水后发生干缩，产生大量裂隙，这种反复的胀缩变形给公路工程造成巨大的危害。在公路施工中，当遇到膨胀土路基，如果采用全部换填，不仅会大大增加工程成本，还会带来难以恢复的生态影响[1-6]。目前普遍采用的方法是在膨胀土中掺入石灰、水泥或粉煤灰等材料进行改良，抑制膨胀土的胀缩变形。这些粉末状材料与强亲水性的膨胀土在实际施工过程中很难拌和均匀，使得实验室的效果与工地现场的效果相差甚远。湖北省宜昌市小鸦一级公路在实施过程中，遇到了大量的膨胀土，结合三峡库区广泛分布的风化砂，本课题组提出了采用风化砂改良膨胀土的设想。经过大量的试验研究得出，掺风化砂能有效地抑制膨胀土的胀缩变形。

本文拟在不同冻融循环作用次数下，对膨胀土掺入不同比例的风化砂，进行无侧限抗压强度试验。探讨了掺砂比例及冻融循环次数对风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度的影响，为风化砂改良膨胀土在季节性冻土地区的进一步推广使用提供理论依据和室内实验参考。

风化砂改良膨胀土用于公路路基，要求它必须具有较高的强度才能抵抗车辆荷载的反复作用。而无侧限抗压强度是土在无侧向压力条件下抵抗轴向压力的极限强度，是反映改良土物理力学性质的重要指标之一，常常作为改良土路基设计的重要依据。土体无侧限抗压强度的降低是导致改良土路基产生不均匀变形的一个重要原因。风化砂的掺入改变了原状膨胀土的结构，这种改变势必会影响无侧限抗压强度。小鸦公路位于季节性冻土地区，路基土体会因气候变化而受到冻融作用，经过反复冻融循环的土体，其内部微观结构将发生变化，冻融作用能够改变土体的结构，破坏土颗粒之间的联结力，使土颗粒重新排列。随着冻融循环次数的增多，土体的强度将会逐渐衰减，路基土体发生融沉的同时沉降变形也随之增加，从而引起路基沉陷、边坡失稳等一系列的工程灾害，威胁行车安全，严重影响交通运输和公路工程的使用寿命。因此，研究冻融循环作用对风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度的影响具有重要意义[7-14]。

2 试验过程

2.1 试验材料

2.1.1 膨胀土

本次试验选用湖北省宜昌市小溪塔至鸦雀岭一级公路改建工程沿线的灰白色膨胀土，取样深度为0.8～1.5 m。对膨胀土的基本物理性质进行试验测定，其基本物理性质指标见表1所示。

表1 膨胀土基本性质指标

由表1及膨胀土相关规范可知，该膨胀土为弱膨胀土。

2.1.2 风化砂

试验所用风化砂取自宜昌市夷陵区乐天溪，该地区风化砂分布广泛，便于就地取材，且离小鸦一级公路施工现场距离较近。对该风化砂进行了颗粒分析试验、比重试验、天然含水率及天然密度试验，试验结果见表2所示。

表2 风化砂基本性质指标

从表2可以看出，该风化砂粒径分布较均匀，级配较差。

2.2 试验仪器设备

本试验采用的主要仪器设备：内径为100 mm、高为200 mm的金属圆柱形试件成型模具；直径100 mm、高为50 mm的垫块；电液伺服万能试验机(最大压力2 000 kN);电动脱模机；可控温冷冻箱，最低可调温至-20℃。

2.3 试验方案

试验中的掺砂比例即风化砂干重占试样总干重的百分比。由于风化砂改良膨胀土属于物理改良，掺量过小，难以起到改良的效果，因此，本试验设计掺砂比例分别为0,10%,20%,30%,40%,50%，根据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)的要求[15]，进行重型击实试验，得到各掺砂比例下风化砂改良膨胀土试样的最佳含水率及最大干密度。试验结果如表3所示。

取具有代表性的风干膨胀土，碾碎后过5 mm圆孔筛，在确定风干土样的含水率后，分别根据其最佳含水率配制试样。在加水配制前，先将素膨胀土与风化砂拌合均匀，加水配制好后用塑料薄膜密闭封存搁置24 h，使得土中水分分布均匀。采用静压法制作试件，将土样装入内径100 mm、高200 mm的圆柱状制样模具中，试件尺寸为100 mm×100 mm的圆柱体，按最佳含水率、最大干密度及试件尺寸计算每个试件所需试样的质量，装模时将试样分3层装入并层层进行捣固密实。脱模后将试件用塑料薄膜密封，以防止水分散失，用于冻融循环的试件放入温度为-20°C的恒温冷冻箱内(见图1)，搁置24 h，使试样完全冻结，然后将其取出放置在室温(25°C左右)条件下24 h，使其充分融化，此为1次完整的冻融循环。重复以上步骤，可得经历冻融3,6,9,12次的风化砂改良膨胀土冻融试件。采用电液伺服万能试验机进行无侧限抗压试验，控制试件变形速率为1 mm/min，得到试件的最大压力值，根据式(1)计算试件的无侧限抗压强度。

表3 不同掺砂量改良膨胀土的击实试验结果

(1)

式中：qu为试件的无侧限抗压强度(MPa)；p为试验最大压力(kN)；A为试件的横截面积(cm2)。

图1 风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度试件冻融Fig.1 Freezing and thawing of weathered sand improved expansive soil samples

3 试验结果与分析

不同掺砂比例、不同冻融循环次数下风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度结果见表4。

表4 不同掺砂比例、不同冻融循环次数下风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度

3.1 冻融循环试验下，掺砂比例对风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度影响

根据表4中的试验数据，以掺砂比例为横坐标、风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度为纵坐标，绘制风化砂改良膨胀土试样在不同冻融循环次数作用下，无侧限抗压强度与掺砂比例的关系曲线，如图2所示。

图2 不同冻融循环次数下风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度与掺砂比例的关系曲线Fig.2 Curves of unconfined compressive strength vs.sand ratio in the presence of different times of freeze-thaw cycle

从图2可以看出，同一冻融循环次数下，风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度随掺砂比例的增大总体呈现为先增大后减小的趋势。

当掺砂比例由0增大到10%时，风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度值在各种不同冻融循环作用次数下，均随掺砂比例的增加而增大。这主要是因为风化砂粒有一定的形状，具有一定的硬度，砂粒棱角分明，相互之间能产生较大的嵌挤咬合力，阻止了轴向压力作用下，试样的横向变形，从而使得在0～10%的掺砂比例范围内，随着掺砂量的增加，无侧限抗压强度增大。当掺砂比例为10%时，风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度达到最大值。当掺砂比例由0增加到10%，冻融循环次数分别为0,1,3,6,9,12次时，无侧限抗压强度的增量依次为0.694,0.513,0.404,0.337,0.321,0.290 MPa。由此可见，随着冻融循环次数的增加，无侧限抗压强度的增量逐渐减小，经过6次冻融循环后，无侧限抗压强度的增量基本趋于稳定。

当掺砂比例由10%增大到30%时，风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度随掺砂比例的增大而减小，且降低的幅度较大，以至于不同冻融循环次数作用下，掺砂比例为30%时，试样的无侧限抗压强度甚至略低于原状膨胀土的无侧限抗压强度。当掺砂比例由10%增加到30%，冻融循环次数分别为0,1,3,6,9,12次时，无侧限抗压强度的降低幅值依次为0.851,0.602,0.450,0.393,0.385,0.359 MPa。由此可见，随着冻融循环次数的增加，无侧限抗压强度的降低幅值逐渐减小，经过6次冻融循环后，无侧限抗压强度降低的幅值基本趋于稳定。

当掺砂比例从30%变化至50%时，风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度随掺砂比例的增大出现先增大后减小的现象，但增大和减小的幅度都很小，说明此时掺砂比例对风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度的影响逐渐减小。这是由于风化砂掺入比例较小时，少量的风化砂可以被膨胀土所包裹，此时风化砂能起到土芯的作用。因此，少量风化砂的掺入能增大风化砂改良膨胀土试样的无侧限抗压强度；随着掺砂比例的逐渐增大，只有少量的风化砂能被包裹，未被包裹的风化砂处于游离状态，使得风化砂改良膨胀土试样的孔隙率增大，试样难以密实，所以风化砂改良膨胀土试样的无侧限抗压强度会降低。当风化砂的掺入比例增大到一定值时，未被包裹风化砂的含量越来越高，虽增大了试样的孔隙率，但大量游离风化砂具有嵌挤作用，形成骨架，在这2种因素的同时作用下使得试样无侧限抗压强度发生小幅度的波动。

3.2 风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度与冻融循环次数的关系

根据表4中的试验数据，以冻融循环次数为横坐标，风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度为纵坐标，绘制无侧限抗压强度与冻融循环次数的关系曲线，如图3所示。

图3 不同掺砂比例下风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度与冻融循环次数的关系曲线Fig.3 Curves of unconfined compressive strength vs. times of freeze-thaw cycle with different sand ratios

从图3可以看出，在同一掺砂比例下，风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度随冻融循环次数的增加而减小。产生这一现象的主要原因是：试样在冻融循环过程中，水分冻结形成冰晶体，土体体积发生膨胀，使得土颗粒间距增大，土粒之间发生错动，孔隙率也随着增大，土体密实度减小，致使土体强度降低。试件经过12次冻融循环后，相对于未冻融而言，掺砂比例为0,10%,20%,30%,40%,50%的无侧限抗压强度总体衰减率分别为58.3%,58.2%,59.9%,59.4%,51.2%,47.3%。冻融循环1次后，各掺砂比例下试样无侧限抗压强度的衰减率分别为31.6%,28.3%,25.1%,25.7%,17.3%,18.1%。此时，当掺砂比例在0～30%时，试样无侧限抗压强度的衰减率占总衰减率的1/2左右；而当掺砂比例在40%～50%之间时，试样无侧限抗压强度的衰减率仅为总衰减率的1/3。这一现象说明风化砂的掺入可以减小试样无侧限抗压强度的衰减，能提高试样的抗冻性。当掺砂比例较小时，效果并不明显；当掺砂比例>40%后，试样抗冻性能的提高十分显著。

由图3还可以看出：当掺砂比例为0时，经过3次冻融循环，无侧限抗压强度降低值趋于稳定；当掺砂比例为10%和20%时，经过6次冻融循环，无侧限抗压强度降低值趋于稳定；当掺砂比例为30%时，经过1次冻融循环，无侧限抗压强度降低值即趋于稳定；当掺砂比例为40%和50%时，经过3次冻融循环，无侧限抗压强度降低值趋于稳定。产生这一现象的主要原因是：当未掺风化砂时，试件在经过1次冰冻之后，水分结冰体积膨胀，导致试件内部出现少量微小裂隙；经过2次冻融后，裂隙数量进一步加剧；经过3次冻融后，裂隙数量足够多，能给后续各次的冻胀提供足够的变形空间，即裂隙数量不再发生变化，故无侧限抗压强度降低值趋于稳定。当掺砂比例为10%和20%时，由于风化砂颗粒之间摩阻力，使得每一次冻融循环过程中，试件体积膨胀时，要受到砂粒摩阻力的影响，裂隙产生的数量较少，经过6次冻融循环之后，才能使裂隙数量足够多而让试件中的微粒有足够的变形空间，从而使无侧限抗压强度降低值趋于稳定。当掺砂比例达到30%时，此时由于砂粒数量相对增多，可能产生2种效应：一方面会使得试件压实度降低、裂隙增多；另一方面砂粒的摩阻力又会抑制每1次冻胀变形。但此时因为砂粒数量占总比重仍偏低，导致前一方面的情况占优，即试件中裂隙增多而砂粒的摩阻力不足以抵抗冻胀力，从而导致1次冻融循环就能使试件中产生足够多的裂隙而让后续冻胀有足够的变形空间，使得经过1次冻融循环后，无侧限抗压强度降低值趋于稳定。当掺砂比例为40%和50%时，由于砂粒的含量相对增多，虽然裂隙的数量也随着增加，但冻胀过程中，砂粒的摩阻力能克服冻胀力，使得每一次冻胀产生的裂隙数量较少，故要经过3次冻融循环才能使得试件有足够的裂隙而让后续冻胀有足够的变形空间，故无侧限抗压强度降低值在经过了3次冻融循环后才趋于稳定。

总体而言，在各级风化砂掺量下，随着冻融循环次数的逐渐增加，风化砂改良膨胀土试样无侧限抗压强度衰减的速度逐渐降低，试样无侧限抗压强度趋于稳定。这是由于试样在冻融循环过程中，水分冻结形成冰晶体，土体体积发生膨胀，使得土颗粒间距增大，土粒之间发生错动，孔隙率也随着增大；在土体融化过程中，当试样温度恢复至室温后，冰晶体融化，土体含水率增大，试样中的亲水性矿物吸水膨胀，致使土体发生膨胀变形，并使得土颗粒之间的连结方式发生了改变，经过冻融循环的土体不能恢复至其原来的结构。而随着冻融循环次数的进一步增多，前一次冻融循环土颗粒间距的增大，为下次冻融循环的膨胀变形提供了空间，所以随着冻融循环次数的增多，冻融作用会逐渐减弱。

图4 不同掺砂比例下风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度与冻融循环次数的拟合曲线Fig.4 Fitting curves of unconfined compressive strength vs. times of freeze-thaw cycle with different sand ratios

4 风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度的回归分析

通过对不同掺砂比例、不同冻融循环次数下风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度试验结果进行回归分析，建立起无侧限抗压强度与冻融循环次数之间的数学模型，可用对数方程式来描述，方程式见式(2)，拟合曲线如图4所示。

(2)

式中：A，B为与掺砂比例有关的系数，其值见表5；N为冻融循环次数(次)。

表5 拟合结果

综合表5和图4可以看出，在同一掺砂比例下，风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度与冻融循环次数的自然对数呈线性负相关关系。A，B均为与掺砂比例有关的系数，系数A反映了某一掺砂比例下风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度随冻融循环次数的增大而降低的速率，系数B为某一掺砂比例下冻融循环次数为1次时，风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度的理论值。系数A的绝对值与系数B均随掺砂比例的增大总体呈现先增大后减小的趋势，当掺砂比例为10%时，系数A的绝对值与系数B均最大，说明掺砂比例为10%的试样无侧限抗压强度随冻融循环次数的增大而降低的速率最快，且此掺砂比例下试样的无侧限抗压强度最大，因此，建议施工时选取的掺砂比例在10%左右。R2为相关系数的平方，反映了采用此模型进行拟合的优化程度，其值越大，模型越接近实际情况。各掺砂比例下相关系数的平方均接近于1，说明采用自然对数对其拟合很接近实际情况，误差较小。

5 结 论

通过对冻融循环后的风化砂改良膨胀土试样进行无侧限抗压强度试验，分析了风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度与掺砂比例、冻融循环次数的关系，得出了以下结论：

(1) 在膨胀土中掺入风化砂可以有效地提高土体的抗压强度，并能增加其抗冻性能。

(2) 在同一冻融循环次数下，风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度随掺砂比例的增加总体呈现出先增大后减小的趋势，当掺砂比例为10%时，风化砂改良膨胀土试样的无侧限抗压强度最大。

(3) 在同一掺砂比例下，风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度随冻融循环次数的增大而减小，其降低的幅度随冻融循环次数的增大也呈减小趋势。

(4) 同一掺砂比例下风化砂改良膨胀土试样的无侧限抗压强度值与冻融循环次数之间表现良好的自然对数关系。

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(编辑：王 慰)

Influence of Freeze-thaw Cycles on the Unconfined CompressiveStrength of Expansive Soil Improved by Weathered Sand

YANG Jun1,2，LEI Jun-an1,2，ZHANG Guo-dong1,2

(1.Collaborative Innovation Center of Geological Hazards and Ecological Environment in Three Gorges Area in Hubei Province, Yichang 443002, China; 2.College of Civil Engineering and Architecture, China Three Gorges University, Yichang 443002, China)

Qualitative and quantitative relationships among unconfined compressive strength of expansive soil improved by weathered sand, weathered sand content and freeze-thaw cycle were researched. Expansive soil samples were improved by weathered sand with different blending ratios (0, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%) and were put in universal testing machine to test the unconfined compressive strength after different cycles (0, 1, 3, 6, 9, 12) of freezing and thawing. Test results showed that: with the increasing of weathered sand ratio, the unconfined compressive strength of expansive soil improved by weathered sand first increased and then decreased at the same cycles of freeze-thaw. When sand ratio was 10%, the unconfined compressive strength reached the maximum. With the increasing of freeze-thaw cycles, the unconfined compressive strength decreased in the presence of the same sand ratio, and the magnitude of the decrease also reduced with the increasing of freeze-thaw cycles. After regression analysis of test data, the mathematical model between unconfined compressive strength and freeze-thaw cycle was established. These two variables showed a natural logarithmic relationship, and this natural logarithm between unconfined compressive strength and freeze-thaw cycle displayed a linear negative correlation.

improvement by weathered sand; expansive soil; freeze-thaw cycle; unconfined compressive strength;sand ratio

2014-05-05;

2014-06-16

国家自然科学基金青年基金项目(41302275)；湖北省教育厅自然科学研究重点项目(D20131304)

杨 俊(1976-)，男，湖北武汉人，副教授，博士，主要从事公路特殊土路基处理、路面新材料开发利用、建筑垃圾及工业垃圾的路用特性研究，(电话)15971646394(电子信箱)Wangjing750301@163.com。

10.11988/ckyyb.20140354

2016,33(01):83-88

U416.2

A

1001-5485(2016)01-0083-06