冻融作用下水泥改良粉砂土的三轴加载试验

王维家

（中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁大连 116100）

0 引言

冻融循环是季冻区建筑结构损伤劣化的重要影响因素，其在交通、水力及民用建筑等方面均有不同程度的影响[1-2]。民用建筑如若地基处理不善，在冻融作用下，很容易出现倒倾甚至垮塌。因此，对季冻区地基土的加固处理显得尤为关键。

目前，我国学者对不同种类土体在冻融循环作用下的力学特性研究成果颇丰[3-4]。张向东等[5]基于GDS 三轴试验系统，对煤渣改良土进行了冻融循环后的加载试验研究，分析了不同煤渣掺量、不同冻融循环作用后的土体力学特性，并基于试验结果对双屈服本构模型进行了推导。杨爱武等[6]采用真三轴试验系统对城市污泥固化土在冻融循环作用下的力学特性变化情况进行了试验研究。朱龙祥等[7]针对土体抗剪强度受冻融循环作用影响问题，对不同含水率及不同冻融循环次数下的土壤进行了抗剪强度试验，分析了含水率与冻融循环对土壤力学特性的影响。

本文在总结前人研究的基础上，结合沈阳某在建民用建筑为工程背景，对冻融循环作用下水泥改良粉砂土进行更进一步的研究，分析试样的峰值强度、峰值应变及静弹性模量随水泥掺量和冻融循环次数的变化规律，为季节性冻土区的实际建筑施工设计提供参考。

1 试验介绍

1.1 试验材料及试样制备

试验用粉砂土取自沈阳某在建民用建筑基坑，经实验室筛分试验检测发现，该粉砂土级配不良（表1）。试验用水泥选用阜新鹰牌P·O42.5 普通硅酸盐水泥，根据《建筑工程抗冻设计规范》，配制水泥掺入量分别0.0%、1.5%、3.0%和4.5%的改良粉砂土样，将粉砂土和水泥加水搅拌均匀后，装入标准土体三轴试验模具（Φ39.1 mm×80 mm）中分5 层进行振捣压实，试样制备好后，采用保鲜膜将试样包裹紧密，以防止试样内部水分流失，然后将包裹好的试样置于相对湿度≥95%的恒温养护箱中进行养护，设置养护时间为21 d，待达到养护时间后对试样进行后续试验。

表1 水泥改良粉砂土配合比

1.2 试验方法

为了研究民用建筑水泥改良地基土在冻融作用下的力学特性，首先应对养护好的水泥改良粉砂土样进行冻融循环试验。本文采用中国建筑科学研究自行研制的快速冻融试验系统，该系统能够自动调节冻融温度与时间，根据沈阳地区冬季气温的变化情况，拟设置冻结最低温度为-20 ℃，对应的融化最高温度为+20 ℃，将包裹保鲜膜的试样放置于冻融试验箱中进行冻结，冻结时间为6 h，然后调节温度至+20 ℃进行乳化，融化时间为6 h，此为一个完整的冻融循环过程。本文拟设置水泥改良粉砂土的冻融循环次数分别为0 次、10 次、20 次、30 次和40 次。

对不同冻融循环次数的试样进行力学性能测试，采用GDS三轴试验系统对不同冻融循环次数的水泥改良粉砂土进行三轴固结排水试验，设置轴向加载速率为每分钟0.03%。根据土样的实际埋深情况，拟设置围压为60 kPa。

2 试验结果分析

2.1 应力—应变曲线分析

根据上述试验方法对不同冻融循环次数下水泥改良粉砂土进行三轴加载试验，限于篇幅，文中仅给出了水泥掺量为1.5%，不同冻融循环次数下的三轴压缩应力—应变曲线，其他水泥掺量条件下的应力—应变曲线与之相似。从图1 中可以看出，相同水泥掺量的条件下，不同冻融循环次数水泥改良粉砂土的应力—应变曲线的变化趋势大体相同，大体可分为4 个阶段，即压密阶段、弹性阶段、塑性屈服阶段和软化阶段。

图1 水泥改良粉砂土三轴加载应力—应变曲线

2.2 水泥掺量对粉砂土力学特性影响分析

根据水泥改良粉砂土三轴加载应力—应变曲线，计算其偏应力峰值强度、峰值应变及静弹模量，绘制不同冻融循环次数下各力学参数随水泥掺量的变化曲线（图2～图4）。可见随着水泥掺量的逐渐增大，水泥改良粉砂土的偏应力峰值强度、峰值应变和静弹模量均呈逐渐增大趋势，采用Origin 软件对图中曲线进行最小二乘拟合发现，三者与水泥掺量之间均满足线性函数关系，拟合相关系数均在0.95 以上，表明水泥改良粉砂土的力学特性与水泥掺量之间具有较强的相关性。根据图2～图4 可知，以冻融循环10 次为例，当水泥掺量为0%时，试样的偏应力峰值强度为861.193 kPa，峰值应变为2.033%，静弹模量为10.934 MPa；当水泥掺量增加至4.5%时，试样的峰值强度增至886.808 kPa，峰值应变增至2.123%，静弹模量增至11.271 MPa；水泥掺量由0%增至4.5%，试样的偏应力峰值强度涨幅为2.97%，峰值应变涨幅为4.43%，静弹模量涨幅为3.08%。

图2 偏应力峰值强度与水泥掺量之间的关系

图3 峰值应变与水泥掺量之间的关系

图4 静弹模量与水泥掺量之间的关系

2.3 冻融循环对粉砂土力学特性影响分析

根据水泥改良粉砂土三轴加载试验结果，绘制不同水泥掺量下各力学参数随冻融循环次数的变化曲线（图5～图7）。可见随着冻融循环次数的逐渐增多，水泥改良粉砂土的偏应力峰值强度、峰值应变和静弹模量均呈逐渐减小趋势，采用Origin 软件对图中曲线进行最小二乘拟合发现，三者与水泥掺量之间均满足指数函数关系，拟合相关系数均在0.95 以上，表明水泥改良粉砂土的力学特性与冻融循环作用之间具有较强的相关性。根据图5～图7 可知，以水泥掺量1.5%为例，当冻融循环0 次时，试样的偏应力峰值强度为882.995 kPa，峰值应变为2.179%，静弹模量为11.273 MPa；当冻融循环增加至40 次时，试样的峰值强度减至855.028 kPa，峰值应变减至1.947%，静弹模量减至10.859 MPa；冻融循环次数由0 次增至40 次，试样的偏应力峰值强度减幅为3.27%，峰值应变减幅为11.92%，静弹模量减幅为3.81%。

图5 偏应力峰值强度与冻融循环次数之间的关系

图6 峰值应变与冻融循环次数之间的关系

图7 静弹模量与冻融循环次数之间的关系

3 结论

（1）同一水泥掺量下，不同冻融循环次数水泥改良粉砂土的应力—应变曲线的变化趋势基本相同，大体可分为4 个阶段，即压密阶段、弹性阶段、塑性屈服阶段和软化阶段。

（2）随着水泥掺量的逐渐增大，水泥改良粉砂土的偏应力峰值强度、峰值应变和静弹模量均呈逐渐增大趋势，采用Origin 软件对试验数据进行最小二乘拟合发现，3 参数与水泥掺量之间均满足线性函数关系，拟合相关系数均在0.95 以上。

（3）随着冻融循环次数的逐渐递增，水泥改良粉砂土的偏应力峰值强度、峰值应变和静弹模量均呈逐渐减小趋势，采用Origin 软件对图中曲线进行最小二乘拟合发现，3 参数与水泥掺量之间均满足指数函数关系，拟合相关系数均在0.95 以上。