季冻区粉煤灰加固路基土力学性能试验研究

程 卓，崔高航，高原昊，刚浩航，高泽宁，杨 政，张 鑫

(1.东北林业大学土木工程学院，哈尔滨 150040；2.长安大学汽车学院，西安 710000； 3.东北林业大学林学院，哈尔滨 150040)

0 引 言

分布在中国东北松嫩平原大面积的季节性冻土，可溶性盐含量较高(质量百分数大于0.3%)，属于盐渍土[1]。在水分和温度的影响下土中的盐类(尤其是易溶性结晶盐)会发生相态和数量的变化，使盐渍土具有不稳定的工程特性[2-3]。季冻区盐渍土每年至少经历一次冻融循环[4]，甚至在达到连续的负温度之前每天经历一次冻融循环[5]，在大温差下经历反复冻融循环会导致土壤结构改变[6-7]。此外，盐渍土所含盐分本身对道路路基和路面有一定的侵蚀性[1,8]。在季冻区施工时，直接使用盐渍土作为基础填充材料，可能会导致道路出现翻浆、融沉和不均匀沉降等问题。为保持季节性冻土地区工程建设的可持续性和工程耐久性，研究冻融循环对盐渍土强度的影响和盐渍土性质改良等方面具有重要工程意义。

已有研究表明，冻融循环会削弱土壤结构，破坏土壤颗粒间的结合力，导致土壤颗粒重排[9]。Zhang等[10]、Xu等[11]、Wang等[12]研究表明,随着冻融循环次数的增加，黏聚力和内摩擦角在整体上均呈现出下降的趋势，但内摩擦角在变化过程中可能出现波动。Wang等[12]研究发现冻融循环对于不同含盐量的盐渍土强度影响不同。研究人员对冻融循环下不同类型土壤的微结构特征开展大量研究[5,11-14]，结果表明：反复冻融循环显著改变了土壤微观结构，从而影响土的工程性质。

在对冻融循环条件下土体性质进行大量研究的同时，对应用改性剂改良盐渍土路用性能的研究也取得了重要进展。Zhang等[15]研究表明,应用改性剂改良后的盐渍土强度大小和改性剂掺入量有着复杂的关系,用无机材料改良盐渍土时，应根据试验结果确定实际施工时改性剂的用量。Kamei等[16]和Lv等[17]分别使用再生蓝晶石和石灰、粉煤灰对盐渍土进行改良，均得到了较好的效果。Bin-Shafique等[18]研究表明，经冻融循环作用后，粉煤灰改良土强度至少比相同条件下的未改良土高三倍。目前，较多学者对盐渍土特性、盐分对土壤侵蚀作用和应用改性剂改良盐渍土特性进行了研究，报道了改性剂种类、掺量及土体含水率等因素对盐渍土强度的影响规律。但是，改良盐渍土特性往往会受改性剂掺量、冻融循环次数、含水率等多因素影响，且各因素间存在一定的交互作用。目前，对于不同因素本身及其交互作用对改良盐渍土强度影响情况的研究相对较少。

正在建设的绥化至大庆高速公路穿越盐渍土场地，该地区属季节性冻土区。当地冬季为10月至次年3月，昼夜温差较大，冬季气温长期低于零摄氏度，冬季多降雪。当地的路基填土长期处于冻融条件下，此外，春季融雪会导致路基填土含水率提高，这样周期性变化会破坏路基土原有土层结构。因此考虑在路基土中适量掺加粉煤灰，以提高路基的强度和耐久性。相比其他盐渍土改良方法，掺加粉煤灰改良盐渍土在降低施工成本和施工技术难度的同时，可加快粉煤灰的综合利用进程。

1 实 验

1.1 试验用土

表1 土壤基本物理性质指标Table 1 Soil physical parameters

表2 易溶盐离子含量表Table 2 Soluble salt ion content

1.2 粉煤灰

综合考虑不同等级粉煤灰在该标段施工中的经济差异，结合采购条件和施工单位要求，改良材料选用哈尔滨市依兰地区粉煤灰厂生产的Ⅰ级粉煤灰，密度为2.1 g·cm-3，堆积密度为1.27 g·cm-3，烧失量为4.7，实验室测得具体化学分析见表3。

表3 粉煤灰性能指标Table 3 Performance index of fly ash

1.3 试验设计

响应曲面法(RSM)通过对回归方程寻求最优条件参数，从而解决多变量问题[20-21]。响应曲面方法的具体设计方法较多，本次试验采用Box-Behnken设计。Box-Behnken设计是一种拟合二阶响应面的三水平设计，使用时无需进行连续试验，且可以对非线性影响进行评估[21]。Design-Expert 8.0是美国Stat-Ease公司开发的试验设计软件，可对试验数据进行统计分析、拟合曲线、建立模型，并且可以通过三维立体响应曲面求得试验的最佳化。

冻融循环过程中，盐渍土中盐分主要通过结晶膨胀失水收缩以及迁移等[2-3]改变自身体积和位置，进而影响土体微观结构，改变土体性质。研究表明，与粉煤灰掺量、冻融循环次数和含水率各因素交互作用相比，盐分含量与含水率交互作用、盐分含量与粉煤灰掺量交互作用对该类盐渍土的物理力学性能影响较小[2-4,14]。冻融过程中，含盐情况相同的盐渍土，几乎不存在由于盐分成分改变导致的土体力学性能变化[3,14]。试验土样经大量室内试验所得含盐情况如表2所述，不存在较大波动，故试验中不考虑因盐分变化导致的土体力学性质改变及盐分含量与其他因素的交互作用。因此，本试验假定粉煤灰掺量α(依据质量百分比掺加)、冻融循环次数n、含水率ω分别为变量A、B、C，根据三变量三水平，使用Design-Expert 8.0的Box-Behnken响应面进行试验设计(见表4)。现有研究表明，当冻融次数为1～9次时，冻融循环作用对于该类土壤的强度和微观结构影响较为明显[1,3]。为进一步研究冻融循环作用对该类盐渍土的影响，增加冻融循环次数1、3、7、9、10，试验方案如表5所示，共计63组试件，每组试件包含三轴试样4个和无侧限抗压试件3个。

表4 响应面三因素三水平试验设计Table 4 Response surface three factors three levels test design

表5 试验设计方案Table 5 Test design

1.4 试样制备

将收集到的天然盐渍土风干，碾碎后过2 mm筛。为保证各试件压实度相同，通过击实试验测得土样干密度，见表6。照配比关系将粉煤灰和盐渍土混匀，加入相应质量蒸馏水。将拌和后土样标准条件养护24 h后，使用液压机将土样按照95%压实度静压成直径39.1 mm、高80 mm三轴试件和直径50 mm、高50 mm无侧限抗压试件[22]。将试件用密封袋包裹在潮湿环境中固化24 h后，放入低温箱。

表6 试样的物理性质指标Table 6 Physical property index of sample

1.5 试验方法

参考中国天气网数据，当地冬季日间均温度-4.3 ℃，夜间平均气温-13.9 ℃，选取-13.9 ℃作为试验冻结温度。将密封严密的试样置于-13.9 ℃低温箱冻结6 h，后置于20 ℃恒温箱融化6 h。

无侧限抗压试验方法依照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)在室温(20 ℃)下进行，试验仪器为长春科新试验仪器有限公司生产的WDW-50型微机控制式电子试验机。试验过程中，设定试件变形速率1 mm/min，轴向压力和位移数据由仪器自动记录。

在实际工程中由于施工速度较快，土壤孔隙水很难完全排出，同时为避免三轴试验中固结过程对土体结构扰动，试验选择采用不固结不排水试验(UU)。仪器为南京宁曦土壤仪器有限公司生产的TSZ-6型全自动三轴仪。为减小环境温度改变对试验数据的影响，控制三轴仪所处环境温度20 ℃。设置土壤样品的围压为100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa，剪切应变速率0.8 mm/min，试件无明显破坏值时，采用应变15%时的主应力差作为破坏值。

2 结果和讨论

2.1 冻融循环作用对无侧限抗压强度的影响

2.1.1 试验结果

图1为含水率12%的不同粉煤灰掺量盐渍土未经冻融循环作用时应力-应变曲线。由图1可知，在含水率一定条件下，掺加粉煤灰会提高土体的无侧限抗压强度，随着掺量的增加土体的无侧限抗压强度呈现出先增加后降低的趋势。掺加10%粉煤灰的盐渍土无侧限抗压强度大于掺加20%粉煤灰的盐渍土。图2为粉煤灰掺量10%的盐渍土在不同含水率情况下未经冻融循环作用的应力-应变曲线。由图2可知在保证粉煤灰掺量不变的条件下，随着含水率增加试样的无侧限抗压强度值不断减小，含水率大的试样应力-应变曲线更加平缓。

图3为冻融循环次数对无侧限抗压强度的影响曲线。由图可知在粉煤灰掺量一定的情况下，随着冻融循环次数的增加，试件的无侧限抗压强度不断减小。冻融循环次数小于7次时，随着冻融循环次数的增加无侧限抗压强度的降低明显；冻融循环次数大于7次时，试样的无侧限抗压强度受冻融循环作用影响减小。掺加粉煤灰的盐渍土在经历冻融循环作用后，无侧限抗压强度优于未掺加粉煤灰的盐渍土。

图1 应力-应变曲线(ω=12%)Fig.1 Stress-strain curves (ω=12%)

图2 应力-应变曲线(α=10%)Fig.2 Stress-strain curves (α=10%)

图3 无侧限抗压强度-冻融循环次数Fig.3 Unconfined compressive strength-freeze-thaw cycle curves

2.1.2 显著性分析

利用最小二乘法回归建立无侧限抗压强度与不同变量的多元回归方程如下：

q=11.26A-118.63B-45.51C-18.07AB- 0.58AC+32.56BC-43.87A2+ 50.82B2+40.78C2+278.08

(1)

式中：q为试样无侧限抗压强度;A为粉煤灰掺量；B为冻融循环次数；C为含水率。该表达式R2=0.971 6,P<0.000 1,方程回归性显著，具有较好的拟合性。

各因素显著性分析结果见表7。当P值小于0.05时为显著，F值越大该因素显著性越大，下文所述显著性分析均以此为判断依据。当考虑交互作用，粉煤灰掺量、含水率与冻融循环次数的交互作用对无侧限抗压强度的影响均为显著，粉煤灰掺量与含水率交互作用不显著。由表7可知，各因素及其交互作用对无侧限抗压强度影响的显著性从大到小依次为：冻融循环次数B、含水率C、A×B、粉煤灰掺量A、B×C。

表7 无侧限抗压强度回归模型方差分析Table 7 Variance analysis of unconfined compressive strength regression model

2.1.3 各变量响应面分析

根据回归方程(1)，运用Design-Expert 8.0软件得到粉煤灰掺量、含水率、冻融循环次数与无侧限抗压强度关系曲面。使用Design-Expert 8.0软件，根据该回归方程(1)计算得到当盐渍土粉煤灰掺量为15%，含水率为12%，未经冻融循环作用时无侧限抗压强度最大，选取该条件下的响应面进行分析。图4为无侧限抗压强度响应面，当含水率增加时盐渍土无侧限抗压强度呈现出减小的变化趋势。可能由于当盐渍土含水率增加时，颗粒间水膜加厚，润滑作用加强，因此颗粒间黏聚程度和摩擦力下降[23-24]，导致土体无侧限抗压强度降低。由图4(a)可知，在盐渍土中掺加粉煤灰可以提高试样的无侧限抗压强度，随着粉煤灰掺量的增加无侧限抗压强度呈现出先增大后减小的变化趋势，其中掺加10%粉煤灰的盐渍土强度高于掺加20%粉煤灰的盐渍土。这是由于粉煤灰掺入盐渍土中后，土体微观结构发生变化，影响黏聚力与内摩擦角从而改变盐渍土的无侧限抗压强度。根据图3、图4(b)、(c)可知，无侧限抗压强度受冻融循环影响程度与冻融循环次数有关。随着冻融循环次数的增加土体强度早期下降较快，后期变化较为平缓。可能由于冻融循环作用通过改变土壤骨架结构改变土体的黏聚力和内摩擦角大小。

图4 无侧限抗压强度响应面Fig.4 Unconfined compressive strength response surface

2.2 冻融循环作用对土体抗剪强度参数的影响

2.2.1 试验结果

根据摩尔-库伦理论可以计算得到不同盐渍土试样的黏聚力和内摩擦角数值，图5、图6分别为不同粉煤灰掺量盐渍土试样经历冻融循环后黏聚力、内摩擦角变化曲线。由图5、图6可知，粉煤灰掺量相同的盐渍土，经历相同次数冻融循环时，盐渍土黏聚力和内摩擦角随含水率的增加而降低。含水率较高的盐渍土内摩擦角受冻融循环作用影响较为明显，但不同含水率的盐渍土黏聚力和内摩擦角随在冻融循环次条件下的变化规律大致相同。本文以含水率12%时盐渍土试样在冻融循环条件下，黏聚力内摩擦角变化曲线为例，对冻融循环作用的影响进行分析。

由图5(a)可知，掺加粉煤灰可以提高盐渍土黏聚力，粉煤灰掺量10%的盐渍土黏聚力大于粉煤灰掺量20%的盐渍土。不同粉煤灰掺量的盐渍土试样，在冻融循环过程中，黏聚力均呈现出先逐渐降低后趋于稳定的变化规律。在经历第1次和第3次冻融循环后，黏聚力下降明显，当冻融循环次数达到7次时黏聚力趋于稳定。土体经历第3次冻融循环后，黏聚力下降幅度最大，粉煤灰掺量为0%、10%、20%盐渍土黏聚力分别下降8.05%、10.56%、10.48%。土体经历1～3次冻融循环，掺加粉煤灰的土体黏聚力下降幅度大于未掺加粉煤灰土体的黏聚力下降幅度；经历7次冻融循环后，掺加粉煤灰的土体相比于未掺加粉煤灰土体的黏聚力变化更加平稳。图6(a)表明盐渍土的内摩擦角会随着冻融循环次数的改变而改变。经受相近次数的冻融循环作用，与黏聚力的变化情况相比内摩擦角变化规律不明显。经历0～7次冻融循环时，内摩擦角随着冻融循环次数的增加下降较快，经过7次冻融循环后，内摩擦角下降减缓，变化趋于稳定。

图5 黏聚力-冻融循环次数曲线Fig.5 Cohesion-freeze-thaw cycles curves

图6 内摩擦角-冻融循环次数曲线Fig.6 Internal friction angle-freeze-thaw cycles curves

2.2.2 黏聚力显著性分析

利用最小二乘法回归建立黏聚力(F)与不同变量的多元回归方程如下:

F=-1.73A-15.06B-14.60C-0.49AB+0.2AC-5.05BC-2.65A2+ 11.50B2+1.79C2+85.51

(2)

该表达式R2=0.992 8,P<0.000 1，方程回归性显著，具有较好的拟合性。

根据表8黏聚力回归模型方差分析以及上文所述判别方法，当考虑交互作用时，含水率与冻融循环作用的交互作用对黏聚力影响显著，粉煤灰掺量与含水率和冻融循环次数的交互作用对黏聚力的影响均为不显著，粉煤灰掺量与含水率交互作用不显著。各因素及其交互作用对黏聚力影响的显著性从大到小依次为：冻融循环次数B、含水率C、B×C、粉煤灰掺量A。

表8 黏聚力回归模型方差分析Table 8 Cohesion regression model analysis of variance

2.2.3 内摩擦角显著性分析

利用最小二乘法回归建立黏聚力与不同变量的多元回归方程如下：

φ=0.69A-2.88B-2.05C-0.078AB-1.12A2+1.93B2-0.23C2+18

(3)

式中:φ为试样内摩擦角。该表达式R2=0.971 6,P<0.000 1，方程回归性显著，具有较好的拟合性。

粉煤灰掺量，冻融循环次数，含水率的显著性分析结果见表9。当考虑交互作用，含水率、冻融循环作用、粉煤灰掺量彼此的交互作用对内摩擦角影响均为不显著。各因素及其交互作用对内摩擦角的显著性从大到小依次为：冻融循环次数B、含水率C、粉煤灰掺量A。

表9 内摩擦角回归模型方差分析Table 9 Internal friction angle regression model variance analysis

2.2.4 各变量响应面分析

根据回归方程(2)、(3)，运用Design-Expert 8.0软件得到粉煤灰掺量、含水率盐渍土、冻融循环次数与黏聚力和内摩擦角关系曲面。根据回归方程(2)计算得到当盐渍土粉煤灰掺量为14.84%、含水率为12%、未经冻融作用时黏聚力最大；根据回归方程(3)计算得到当盐渍土粉煤灰掺量为15.17%、含水率为12%、未经冻融时黏聚力最大，考虑Design-Expert 8.0分析得到的最优条件为估计值与实际值可能存在差异[25]，同时为方便比较无侧限抗压强度、黏聚力、内摩擦角的变化，因此选取粉煤灰掺量15%、含水率12%、未经冻融循环条件下的盐渍土试样进行分析。

图7、图8分别为黏聚力、内摩擦角响应曲面。由图7(a)和图8(a)可知，在盐渍土中掺加粉煤灰可以提高黏聚力和内摩擦角，随着掺量的增加二者均呈现出先增加后减小的变化趋势。经冻融循环作用后，掺加粉煤灰土体的黏聚力和内摩擦角依旧高于未掺加粉煤灰土体的。粉煤灰粒径远小于土颗粒粒径，压缩模量较大，具有活性[26]。在盐渍土中掺入粉煤灰后，粉煤灰颗粒对于盐渍土微观孔隙有一定的填充作用。相关微观试验结果表明，掺加粉煤灰后土壤内部结构更加致密，土体强度得到提高[27]。盐渍土中掺入粉煤灰后，在土中水的作用下，Na2O和K2O迅速溶解，生成K+、Na+、OH-，另一方面CaO消解产生Ca(OH)2与Mg(OH)2生成二价钙、镁和氢氧根离子[28]。粉煤灰的加入可以降低盐渍土中游离水含量，削减冻融作用对土体强度的影响。一定范围内掺加粉煤灰可以提高土体强度，当粉煤灰掺入量超过一定限度时，外掺粉煤灰本身的力学性质会对土体特性有较大的影响。粉煤灰本身性质的表达可能会导致土体强度的下降[29]。

图7 黏聚力响应面Fig.7 Cohesion response surface

由图5～6、图7(b)、(c)和图8(b)、(c)可知在冻融循环的过程中，初期黏聚力和内摩擦角随冻融次数的增加降低明显，均呈现出先逐渐降低后趋于稳定的变化规律。其原因是，在冻融循环过程中盐渍土中的水会因温度变化而发生相变，水结晶体积膨胀会挤压土骨架，改变土骨架原有结构[29]。在冻融循环过程中，盐渍土中的硫酸盐结晶体积发生膨胀[30-31]挤压土骨架。研究表明第1次冻融循环过程导致水的体积膨胀和硫酸钠的结晶膨胀较为明显[30]。冻融循环使盐渍土内外存在温差，冻结过程中，试样中心未冻水向表面迁移，可溶性硫酸钠随水移动。解冻过程中，盐渍土表面的水和盐就会转移到样品的中心[32]。冻融过程中水盐迁移产生迁移力作用在土颗粒上，削弱土壤颗粒之间的结合力，导致黏聚力下降，内摩擦角发生变化。土颗粒在迁移力、盐结晶和水结晶的挤压作用下重新排列，随着冻融循环次数的增加，土颗粒逐渐形成新的稳定结构，冻融循环对结合力和内摩擦角的影响逐渐减小。

由图7～8可知，随着含水率的增加黏聚力和内摩擦角不断减低，结合图5～6，经历相同次数的冻融循环作用时，含水率高的试样黏聚力和内摩擦角变化更加明显，其中内摩擦角变化曲线波动性更大。其原因是含水量的增减会改变土壤的内部结构。含水量较小时，土体内部自由水的比例很小，土颗粒周围的结合水膜厚度较薄[24]，土体联结牢固，土体强度较大。随着含水率增加，土粒表面结合水膜变厚，水膜润滑作用加强，土粒间阻力减小，土体变软[23]，土体宏观力学指标下降。冻结过程中，土体孔隙内水分冻结，体积膨胀，在土粒的约束下产生膨胀力，冻胀力超过一定限度值会破坏土颗粒之间的联结作用。当土体含水率较高时，土颗粒间自由水比例较大，冻融过程中产生的冻胀力和迁移力随之增大，土颗粒受到冻融循环影响增大。宏观表现为含水率较高的土体无侧限抗压强度、黏聚力和内摩擦角受冻融循环作用影响更大。

3 结 论

(1)无侧限压缩条件下，不同粉煤灰掺量的盐渍土均处于应变软化状态。掺加粉煤灰可以提高盐渍土无侧限抗压强度，且强度随着粉煤灰掺量的增加先增后减。掺加粉煤灰的盐渍土，经历冻融作用后无侧限抗压强度优于未掺加粉煤灰的盐渍土。

(2)冻融循环会导致盐渍土强度降低，经历1～7次冻融循环时强度下降速率较快，冻融次数大于7时，盐渍土强度下降速率减缓逐渐趋于稳定。含水率较高的盐渍土黏聚力和内摩擦角受冻融循环作用影响大于含水率低的盐渍土。盐渍土试样含水率越高，在冻融循环过程中内摩擦角波动性越明显。

(3)基于显著性分析理论，冻融循环次数对盐渍土的力学性质影响较为显著，粉煤灰掺量显著性较弱。冻融循环次数与含水率的交互作用对盐渍土无侧限抗压强度和黏聚力的影响比较明显；粉煤灰掺量与冻融循环次数的交互作用仅对无侧限抗压强度的影响较明显。冻融循环条件下，对盐渍土力学性能改良时，需综合考虑各因素交互作用。

(4)该类型盐渍土可以按照其质量的10%～20%掺加粉煤灰，对土体的无侧限抗压强度、黏聚力和内摩擦角数值提升效果较好；含水率也会对土体力学性质有一定影响。为提高路基强度和抗冻融性、增加道路使用寿命，根据回归方程计算分析，建议该类型路基施工过程中在路基土中掺加15%粉煤灰，做好路基排水工作以降低路基含水率水平，并将经历7次冻融循环后压实盐渍土的力学指标作为工程设计参考值。