季节性冻土区水泥固化路基填料试验与分析

赵娜梅

(甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730000)

0 引言

在工程建设中，高填方路基是主流的施工形式之一，而路基填料是影响高填方路基固化的重要因素之一，同时也是业内的技术重点。从工程建设角度分析，虽然水泥固化土存在经济性好、施工便捷、建设成效高等优势，但是在季节性冻土区中还需要充分考虑冻融损伤造成的影响。因此，本文通过一系列试验，分析水泥固化路基在季节性冻土区条件下的冻融损伤规律。

1 试验方案

1.1 试验土样物理性质

为深入研究冻融损伤条件下水泥固化路基的力学特征，本试验选取某季节性冻土区二级路面基层土作为试验土样，为实现低液限黏土目标，对样土进行筛分试验，并得出级配曲线，其中粒径在0.075 mm以下以及0.005 mm以下的颗粒分别占总比例的24.91%以及15.49%，黏粒占比相对较高。素土物理性质情况如表1所示。

表1 素土物理性质

1.2 试样制备

在实际开展本次试验过程中，选择比标号为32.5的普通硅酸盐水泥，并将其初凝时间控制在1～3 h[1]，在具体试验过程中，采用2%、4%、6%、8%及10% 5种水泥占比方案。选用规格为61.8 mm×125 mm、压实度为95%的圆柱试样开展冻融循环条件下无限侧以及三轴试验。

在实际制备试样过程中，在水泥初凝时间范围内分5层达成击实成件目标。随后，利用保鲜膜以及密封袋将试样密封并放置于恒温(20±2℃)以及相对湿度95%以上的环境内进行养生处理，时间分别设定为7 d、28 d以及60 d。随后选择满足养生时间设定的试样在高低温交变箱设备中开展0、1、3、5、9、15次冻融循环操作，冷却负温以及融合温度分别设定为-5℃、-10℃以及-15℃ 3个档次以及20℃，设定试验时间持续12 h。

依照工程实际情况，设定在围压50 kPa以及100 kPa条件下开展三轴试验，针对不同冻融循环次数条件下的试验进行无限侧抗压强度试验以及不固结不排水剪切三轴试验。考虑到试验中养生时间会随着冻融循环进程推进而提升，由此，选取养生时间8 d、10 d、12 d、16 d以及22 d的水泥固化土试件作为对照试验[2]。

2 试验结果及分析

2.1 养生时间级冻融损伤

通过对工程实践经验进行梳理可知，高填方路基使用寿命在季节性冻土区范围内直接受冻融循环影响。通过试验可以得出结论，在水泥占比4%、冷却负温-10℃的条件下，龄期在7 d、28 d以及60 d试件的无限侧压强度以及抗压强度如图1～3所示。

图1 无侧限条件下冻融循环次数与峰值应力

由图中信息可知，无侧限抗压值强度以及不同围压、龄期下抗压强度会随着冻融循环次数提升而呈现出先降低后提升的趋势，其中经历过一次冻融循环且养生7 d的试验抗压强度以及试样强度下降趋势最为显著，这种情况表明水泥固化土试样强度会直接受到冻融循环的影响。

图2 50 kPa围压下冻融循环次数与峰值应力

图3 100 kPa围压下冻融循环次数与峰值应力

采用先龄期养生后冻融循环顺序开展试验，试样龄期会随着冻融循环次数增长而增长，当冻融环境下试样养生提升的强度高于冻融损失强度时，试样强度会显著提升。因此，在完成1～3次冻融循环后，试样强度显著提升[3]。

为进一步探究养生时间以及冻融循环对峰值应力影响幅度之间的关联，通过设定相对强度增量实现对冻融循环对峰值应力影响幅度进行标识，具体如以下公式所示：

其中，A表示相对强度增量；qN以及q1分别表示经历N次与1次冻融循环后的峰值应力。

依据上述公式计算得出不同龄期条件下相对强度增量情况。从最终计算成果可知，在养生时间为7 d条件时，试件相对强度增量增长幅度最为显著，上下差值为0.58，而养生时间在28 d以及60 d条件时，增量摆动幅度相对较低。由此可见，养生时间可以直接影响冻融循环对峰值应力的影响幅度，且该幅度会随着养生时间增长而下降。

除此以外，试验者还针对不同围压情况与冻融循环对峰值应力影响幅度的关系进行探究，并设定通过强度损失进行表示，具体如下列公式所示：

B=qN-qN+i

其中，B表示强度损失，而qN与上文一致。依据此公式可计算出不同围压情况下强度损失情况。由计算结果可知，50 kPa以及100 kPa围压条件下，强度损失摆动幅度明显高于无侧限条件下，这种情况表明，围压效应可以对冻融循环对峰值应力影响幅度造成影响，且该影响会随着围压提升而降低。

2.2 水泥占比及冻融损伤

在该试验中，试验者通过开展无侧限抗压强度试验，得出养生实践、含水率以及冷却负温分别在7d、14%以及-10℃条件下，试件冻融循环、水泥占比以及峰值应力之间的关系，具体如图4与图5所示。

图4 各水泥占比下的冻融循环次数与峰值应力

依据图4中信息可知，在不同水泥占比条件下，随着冻融循环次数不断提升，试件峰值应力也随之呈现出先减后增趋势，该趋势与不同龄期条件下试件峰值应力变化保持一致。

依据各冻融循环次数下的水泥占比峰值应力信息可知，峰值应力会随着水泥占比提升而提升，由此可见二者成正比关系，然而需要认识到的一点是，在不同冻融循环次数条件下，峰值应力增长趋势呈现出不同态势。

为探究水泥占比增长带来的试件强度受冻融循环的影响幅度，设计以2%水泥占比峰值为基准，对不同水泥占比条件下试件应力峰值以及基准值之间的差值进行计算[4]，最终可得不同冻融循环次数条件下，不同水泥占比试件及其应力增量关系。依据图5信息可见，未经历冻融循环的试件应力增量明显高于经历3次冻融循环的不同水泥占比下的应力增量。由此可见，因水泥占比提升而获取的强度直接受到冻融循环的影响。

图5 应力增量及水泥占比

3 结语

针对水泥固化土在季节性冻土区冻融循环影响下的特性进行研究，最终结果显示，养生时间、水泥占比、冷却负温条件在一定幅度下不会对冻融循环对峰值应力的影响趋势造成干扰，但是直接决定其影响幅度。施工单位在季节性冻土区进行作业过程中应依据实验研究结论对各项因素进行严格控制，最大限度地提升水泥固化土路基填料性能，为提升道路工程使用性能以及寿命奠定坚实基础。