呂前輝，柴壽喜，李 敏

(1. 天津城建大學(xué)地質(zhì)與測繪學(xué)院，天津 300384；2.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384；3.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300401)

多因素影響下石灰固化鹽漬土抗剪性能的試驗研究

呂前輝1，柴壽喜2，李 敏3

(1. 天津城建大學(xué)地質(zhì)與測繪學(xué)院，天津 300384；2.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384；3.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300401)

北方地區(qū)季節(jié)性的凍融作用影響固化土的強度及變形特性。以凍融次數(shù)、含鹽量、改性聚乙烯醇摻量(SH固土劑)、石灰摻量、養(yǎng)護(hù)齡期及干密度為影響因素，經(jīng)正交試驗設(shè)計及三軸UU壓縮試驗，獲取固化鹽漬土凍融后的抗剪強度及應(yīng)力-應(yīng)變性能。試驗表明：試樣凍融后的抗剪強度與改性聚乙烯醇摻量、石灰摻量、養(yǎng)護(hù)齡期和干密度呈正相關(guān)，與含鹽量呈負(fù)相關(guān)；干密度和含鹽量為影響固化鹽漬土的黏聚力和內(nèi)摩擦角的主要影響因素，凍融后土的抗剪強度逐漸降低，但抗變形能力逐漸增強，試樣呈“鼓”型或弱脆性破壞；抗凍融效果最好的條件為：0.9%改性聚乙烯醇摻量與14%石灰摻量、干密度1.70 g/cm3、養(yǎng)護(hù)28 d、含鹽量1%和凍融循環(huán)3次。

固化土；抗剪強度；凍融作用；鹽漬土；應(yīng)力-應(yīng)變

《巖土工程勘察規(guī)范(GB 50021—2001)》規(guī)定：“巖土中易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性時應(yīng)判斷為鹽漬土”[1]。渤海灣西岸的鹽漬土地下水位埋藏較淺，含鹽量多為1%～3%，最高達(dá)5%，含鹽類型主要為氯鹽。凍結(jié)融化作用使土的力學(xué)強度顯著下降，以固化土填筑路堤時，凍融作用將直接影響公路質(zhì)量及行車安全。

國內(nèi)外學(xué)者對凍融后固化土的物理力學(xué)性能開展了廣泛研究。邴慧等[2]提出土體遭遇周期性的凍融循環(huán)時，變形具有不可累加性；多次凍融后土樣上部形成上層積水，鹽分除隨水分發(fā)生對流遷移外，也產(chǎn)生以濃度梯度為驅(qū)動力的擴(kuò)散遷移效應(yīng)；凍土段由于冰晶和結(jié)晶鹽的生成與消融，增大了土顆粒的間隙。肖東輝等[3]證實在季節(jié)凍土區(qū)，周期性的凍融作用改變土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土體的滲透性能發(fā)生變化。Yarbasi等[4]對石灰、粉煤灰和水泥3種改良土凍融后的抗壓強度、承載比和核磁共振試驗參數(shù)對比，認(rèn)為三者聯(lián)合固化改良土抗凍融性能較好。廖曉蘭等[5]通過丙烯酰胺(AM)原位聚合試驗對鹽漬土進(jìn)行改良，探討固化條件對其力學(xué)性能與耐水性能的影響，結(jié)果表明AM聚合固化后試樣的抗折強度和抗壓強度較傳統(tǒng)材料強度大幅提高，加固后試樣的耐水性能和收縮率也都得到明顯改善。師華強等[6]研究表明，凍融循環(huán)作用改變了黃土的粒徑分布，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體中細(xì)顆粒不斷增加，土體孔隙比變大；凍融循環(huán)作用使土的壓縮系數(shù)增大，壓縮模量減小。王沛等[7]對鹽漬土、石灰、粉煤灰和SH固土劑單獨及聯(lián)合固化土進(jìn)行研究，均得出濱海鹽漬土經(jīng)綜合固化后，表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)性。柴壽喜[8]研究揭示，石灰固化鹽漬土后，其鹽分仍以離子或鹽粒的形式存在，鹽漬土還將吸收水分；再添加SH固土劑，使其包裹鹽顆粒和土顆粒，達(dá)到增強土的結(jié)構(gòu)聯(lián)接性能的目的。上述試驗研究表明，凍融循環(huán)作用影響土體的強度和性能。

本文以固化濱海鹽漬土為研究對象，選取凍融次數(shù)變化為主線，以氯鹽含量、改性聚乙烯醇摻量、石灰摻量、養(yǎng)護(hù)齡期及干密度為影響因素，進(jìn)行正交試驗設(shè)計，開展三軸UU壓縮試驗，分析凍融后固化土的黏聚力、內(nèi)摩擦角及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的變化規(guī)律，為路基工程應(yīng)用提供理論支持。

1 試樣制備與試驗條件

1.1試驗材料

鹽漬土取自天津濱海新區(qū)，為精確設(shè)計含鹽量，預(yù)先進(jìn)行粉碎、過2 mm篩、去除雜質(zhì)和洗鹽處理。對粉碎后的天然鹽漬土進(jìn)行洗鹽處理時，按5∶1的水土比將鹽漬土浸入水中，使其逐步脫鹽。用自來水洗鹽6次，蒸餾水洗鹽3次，使用DDSJ-308A型電導(dǎo)率儀測試每一次清洗懸液的電導(dǎo)率，測試時的溫度為20 ℃，當(dāng)測試數(shù)值小于1 000 μS/cm，即為素土料。烘干、碾碎、過2 mm篩，備用。經(jīng)重型擊實、液塑限與電導(dǎo)率測試，獲取土料的各指標(biāo)，見表1。

表1 洗鹽后土料的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

摻入鹽分類型為氯鹽，NaCl含量大于95%。石灰有效鈣鎂含量為56.2%，符合三級石灰標(biāo)準(zhǔn)。

改性聚乙烯醇(SH固土劑)是蘭州大學(xué)開發(fā)的高分子改性固化材料，為透明的無色液體，黏度低、凝膠時間易控制，固化后的物理力學(xué)性能良好，固體含量為6%，密度為1.09 g/cm3。

1.2試驗設(shè)備

采用華南試驗儀器有限公司的DR-2A型凍融試驗箱，溫度可控范圍-25～70 ℃。

使用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的SLB-1型三軸剪切滲透儀，量力環(huán)系數(shù)3.18×102N/mm，應(yīng)變速度0.828 mm/min。以0.1 mm變形量為間隔，讀取軸向和鋼環(huán)變量。

1.3試驗條件控制

近年天津冬季夜間最低氣溫約-19 ℃、春季平均氣溫18 ℃左右[9]。設(shè)定凍融溫度為±20 ℃，凍結(jié)24 h、融化24 h為一次凍融循環(huán)。為保持初始含水率，以保鮮膜密封試樣，放入凍融試驗箱，稱取凍融前后試樣質(zhì)量基本不變。

每組4個試樣，分別進(jìn)行100，200，300，400 kPa圍壓的UU壓縮試驗。當(dāng)讀數(shù)出現(xiàn)峰值或穩(wěn)定后，繼續(xù)3%～5%的軸向應(yīng)變即停止試驗；若讀數(shù)無明顯減小，則設(shè)定剪切至軸向應(yīng)變量的15%～20%時停止試驗。

1.4試驗參數(shù)設(shè)定

結(jié)合表1中的素土指標(biāo)，取含水率15%。現(xiàn)場分區(qū)取樣20組，經(jīng)殘渣烘干測試，含鹽量多為1%～3%，個別為5%，所以按1%、3%、5%、7%和9%(干土質(zhì)量百分比)的含鹽量配制人工鹽漬土。將鹽溶于定量水中，再均勻拌和在土料中。密封悶料24 h，以備制樣。

根據(jù)已有試驗結(jié)論[7，10～11]，綜合分析，選定石灰摻量6%、8%、10%、12%和14%；改性聚乙烯醇摻量0.7%、0.8%、0.9%、1.0%和1.2%；以上均為干土質(zhì)量的百分比。干密度1.50，1.55，1.60，1.65，1.70 g/cm3；養(yǎng)護(hù)齡期7，14，21，28，35 d；設(shè)為各因素水平。

方秋陽等[11]經(jīng)試驗表明，各固化土的抗壓強度，均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。凍融循環(huán)1次，土的抗壓強度降幅最大；凍融循環(huán)2～4次，降幅減小；凍融循環(huán)5次后，降幅趨于穩(wěn)定。凍融循環(huán)10次后，與鹽漬土、石灰固化土相比，石灰+改性聚乙烯醇固化土的抗壓強度降幅最小，說明石灰+改性聚乙烯醇固化土抗凍融性能較好。Bing等[12]通過對凍融后鹽漬土的物理和力學(xué)性質(zhì)研究，表明6次凍融后，土的性質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定。王海濤等[13]對不同類型的鹽漬土進(jìn)行了9次凍融，表明抗剪參數(shù)隨凍融次數(shù)的增加而減小，但φ值降低趨勢較平緩。Liu等[14]和呂擎峰等[15]得出結(jié)論，7～10次凍融后土的物理力學(xué)參數(shù)趨于穩(wěn)定。據(jù)此，設(shè)定凍融循環(huán)為1，3，5，7和9次。各因素水平見表2。

表2 因素與水平表

1.5試樣制備與養(yǎng)護(hù)

試樣直徑61.8 mm，高125 mm，依據(jù)土工試驗規(guī)范，采用雙向靜力壓實法制樣。先將1/3質(zhì)量的土料裝入內(nèi)壁涂抹油脂的模具內(nèi)壓實；然后將上表面菱形刮毛，再裝入1/3土料，重復(fù)上述過程，試樣制備成型。靜置3 min后，用千斤頂將試樣緩慢推出。在恒溫20 ℃恒濕95%的養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)至預(yù)設(shè)齡期時，進(jìn)行凍融試驗和三軸UU壓縮試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1試驗結(jié)果

根據(jù)表2，六因素五水平的因素水平表，選取L25(56)型正交設(shè)計方案。經(jīng)三軸UU壓縮試驗，獲取抗剪指標(biāo)Cu、φu值。試驗設(shè)計方案見表3。

表3 L25(56)正交設(shè)計和Cu、φu值

由表3可知，耦合因素下抗剪參數(shù)的最大值：Cu=208.2 kPa；φu=38.56°，此時凍融循環(huán)次數(shù)為3次，改性聚乙烯醇摻量為0.9%，含鹽量為1%，干密度為1.70 g/cm3，石灰摻量為14%和養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。

2.2極差分析

2.2.1黏聚力的極差分析

黏聚力的極差分析結(jié)果，見表4和圖1。

表4 黏聚力的極差分析結(jié)果

注:ki為各因素相應(yīng)水平的平均值，如k1為各因素第1水平的平均值；R為極差。

按照黏聚力極差R的大小，對影響因素排序為：F5(干密度)gt;A4(養(yǎng)護(hù)齡期)gt;C5(石灰摻量)gt;D5(改性聚乙烯醇摻量)gt;E1(含鹽量)gt;B2(凍融作用)，即在耦合因素作用下，干密度為影響Cu值的首要因素，隨干密度的增加，Cu值呈遞增狀態(tài)。與直觀分析(F5A4C5D3E5B2)對比，除改性聚乙烯醇摻量，其它5個因素均為同一梯度水平最大。

由表4和圖1可知，試樣的Cu值隨干密度、石灰和改性聚乙烯醇摻量的增加而遞增，隨含鹽量的增加而遞減。當(dāng)含鹽量為9%時，試樣的Cu值略有上升，說明飽和鹽漬土中的鹽分結(jié)晶體起到骨架作用，增強了試樣的抗剪強度。

隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，Cu值先增大后減小。養(yǎng)護(hù)28 d與21 d相比增幅達(dá)102.7%，養(yǎng)護(hù)齡期35 d與28 d相比下降26.1%，說明養(yǎng)護(hù)齡期21～28 d內(nèi)固化作用已經(jīng)完成，但凍融的進(jìn)一步影響，使試樣的抗剪強度呈降低趨勢。故含鹽量1%～9%的固化鹽漬土，28 d為最適宜養(yǎng)護(hù)齡期。

圖1 黏聚力的極差分析曲線圖Fig.1 Cohesion based on the range analysis

單從圖1凍融作用的曲線分析，凍融3次時，Cu值較凍融1次時略有增大；而第3次到第9次凍融后，Cu值逐漸降低。前者原因可歸結(jié)為凍融次數(shù)的增加和水的凍結(jié)，使水中可溶鹽濃度增加，造成鹽結(jié)晶析出，增強了鹽漬土的結(jié)構(gòu)強度，使其黏聚力增加；后者則是因為多次凍融使鹽和水的相態(tài)多次變化，水分向試樣的冷端運移，造成水鹽分布不均勻，進(jìn)而影響了試樣的黏聚力。

2.2.2內(nèi)摩擦角的極差分析

內(nèi)摩擦角的極差分析見表5和圖2。

按內(nèi)摩擦角極差R的大小，對影響因素排序為：E1(含鹽量)gt;D3(改性聚乙烯醇摻量)gt;C5(石灰摻量)gt;F5(干密度)gt;B2(凍融作用)gt;A4(養(yǎng)護(hù)齡期)。表明在耦合因素作用下，鹽分是影響φu值的首要因素，隨含鹽量的增加，φu值呈遞減狀態(tài)。與直觀分析(E1D3C5F5B2A4)對比，各因素均為同一梯度水平時，試樣內(nèi)摩擦角處于最佳狀態(tài)。

表5 內(nèi)摩擦角的極差分析結(jié)果

注:ki為各因素相應(yīng)水平的平均值；R為極差。

圖2 內(nèi)摩擦角的極差分析曲線圖Fig.2 Internal friction angle based on the range analysis

結(jié)合表5和圖2可知，改性聚乙烯醇摻量為0.9%時曲線達(dá)峰值。結(jié)合圖1曲線分析，含量由0.8%增至0.9%時，曲線增幅達(dá)27%；在0.9%～1.2%范圍內(nèi)，曲線略有波動，但增幅較小。從工程經(jīng)濟(jì)角度并結(jié)合直觀綜合分析，0.9%為改性聚乙烯醇最適宜摻量。

圖2表明，試樣的φu值隨干密度和石灰摻量的增加而遞增；隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，φu值與Cu值曲線趨勢相似，綜合分析，同取28 d為最適宜養(yǎng)護(hù)齡期。

單次凍融后，試樣φu值增大，表明凍融前期固體顆粒之間滑動摩擦的增量大于固體顆粒之間咬合摩擦的減少量。因此，固體顆粒間的滑動摩擦對內(nèi)摩擦角的影響程度大于固體顆粒間的咬合摩擦。凍融3次后，φu值曲線急速下降，凍融5～9次后，數(shù)值趨于平緩變化，這與凍脹和鹽脹的雙重作用降低土的密實度且其降低程度具有累加性密切相關(guān)。

綜合單一及耦合因素下的直觀分析、極差數(shù)據(jù)和曲線分析，以凍融3次，含鹽量1%，改性聚乙烯醇摻量0.9%，石灰摻量14%，養(yǎng)護(hù)齡期28 d和干密度1.70 g/cm3為凍融固化鹽漬土最適宜的設(shè)計方案。

2.3應(yīng)力-應(yīng)變性能分析

2.3.1干密度影響下的應(yīng)力分析

干密度和含鹽量為影響試樣抗剪強度的主要因素，抗剪強度隨干密度的增大而增強。以圍壓100 kPa為參照，含鹽量及干密度變化下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3。

圖3 干密度影響下鹽漬土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of the saline soil with the dry density

隨干密度的增加，單位體積內(nèi)固體顆粒的含量增加，密實度增大，試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角持續(xù)增大，抗剪能力逐漸增強。

含鹽量相同時，圖3(a)與(e)相比，隨干密度的增大，試樣的抗剪強度增幅達(dá)2～3倍，最大主應(yīng)力差達(dá)1 500 kPa左右。相同干密度下試樣的抗剪強度隨含鹽量的增加而遞減。由圖3分析可知，含鹽量1%和3%的抗剪強度明顯大于含鹽量5%、7%和9%的抗剪強度。含鹽量的持續(xù)增加，使固體顆粒間滑動摩擦逐漸增大，內(nèi)摩擦角逐漸減??；含鹽量達(dá)飽和后，鹽分結(jié)晶析出，試樣結(jié)構(gòu)遭到鹽顆粒及相態(tài)變化的破壞，咬合摩擦量的減少使內(nèi)摩擦角逐漸減小，造成試樣的抗剪強度隨含鹽量的增加而逐漸降低。

2.3.2凍融作用下的應(yīng)力分析

凍融作用及養(yǎng)護(hù)齡期變化下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4。

圖4 凍融作用下固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of the soil experienced cyclic freezing and thawing

隨凍融次數(shù)的增加，試樣的抗剪強度總體上呈遞減趨勢。凍融3次時應(yīng)力值達(dá)到最大，且在應(yīng)變前期出現(xiàn)峰值，而后應(yīng)力曲線轉(zhuǎn)為較平緩變化，但曲線的峰值應(yīng)力與殘余應(yīng)力差值較??；其余各周期曲線均無明顯峰值。隨凍融次數(shù)的持續(xù)增加，曲線應(yīng)力水平呈持續(xù)降低趨勢，凍融循環(huán)達(dá)9次后，各養(yǎng)護(hù)齡期曲線應(yīng)力值均在600 kPa以下，呈低應(yīng)力水平發(fā)展。

不同養(yǎng)護(hù)齡期的固化土在相同凍融次數(shù)下，隨凍融次數(shù)的增加，試樣的抗變形能力逐漸增強。隨凍融次數(shù)的增加，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在達(dá)到峰值后，坡度變化平緩。凍融3次時，應(yīng)變前期雖有峰值，但數(shù)據(jù)相差較小，曲線坡度平緩；凍融1次和5次的應(yīng)力曲線也略顯坡度，但凍融7次和9次時應(yīng)力曲線達(dá)峰值后，幾乎呈水平狀態(tài)，說明凍融作用下的固化鹽漬土，抗變形能力較強。

2.3.3試樣破壞的定型及定量分析

以凍融1次、3次和9次后固化鹽漬土的破壞形態(tài)為例，詳見圖5。

圖5 凍融后固化鹽漬土的破壞形態(tài)Fig.5 Failure of solidified saline soil experienced cyclical freezing and thawing

單次凍融后試樣呈塑性破壞，無完整的貫穿面，至峰值應(yīng)力(軸向應(yīng)變4%左右)時，呈“鼓”型形變，如圖4(a)和圖5(a)所示；而凍融3次后應(yīng)力曲線峰值明顯，峰值應(yīng)力(軸向應(yīng)變2%～3%)后，呈弱脆性破壞，試樣貫穿面完整，如圖4(b)和圖5(b)所示；隨凍融次數(shù)的進(jìn)一步增加、凍脹的加劇，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，且凍融造成的水鹽分布不均，使試樣抗剪強度明顯降低，抗剪力值均小于600 kPa，如圖4(e) 和圖5(c)所示。

從試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破壞形態(tài)分析，固化鹽漬土試樣干密度越大，試樣的抗剪強度越大；隨含鹽量和凍融次數(shù)的增加，試樣的抗剪強度逐漸降低，但抗變形能力逐漸增強，同時試樣的脆性降低，塑性增強，呈弱脆性或“鼓”型形變。

3 結(jié)論

(1)干密度和含鹽量是影響固化土的黏聚力和內(nèi)摩擦角的主要因素?？箖鋈诘淖钸m宜設(shè)計方案為：凍融循環(huán)3次，養(yǎng)護(hù)28 d，改性聚乙烯醇摻量0.9%，含鹽量1%，石灰摻量14%和干密度1.7 g/cm3。

(2)固化鹽漬土的抗剪強度參數(shù)Cu、φu值均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。隨凍融次數(shù)的增加，凍脹和鹽脹的雙重破壞使固化土的抗剪性能下降，應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨于平緩，殘余應(yīng)力和峰值應(yīng)力相差較?。欢啻蝺鋈诤?，固化土的破壞形態(tài)均呈塑性“鼓”型或弱脆性形變，且峰值應(yīng)力后的曲線近乎水平發(fā)展，變形減小。

(3)單一及多因素影響下，改性聚乙烯醇與石灰固化鹽漬土凍融后的抗剪性能穩(wěn)定?？辜粜阅茈S干密度的增大和石灰摻量的增加而增強；與改性聚乙烯醇摻量和養(yǎng)護(hù)齡期呈正相關(guān)。

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責(zé)任編輯

：汪美華

Anexperimentalstudyoftheshearpropertiesofthesolidifiedsalinesoilwithlimeconcerningundertheinfluenceofmultiplefactors

LYU Qianhui1，CHAI Shouxi2，LI Min3

(1.SchoolofGeologyandGeomatics,TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China;2.TianjinKeyLaboratoryofSoftSoilCharacteristicsandEngneeringEnvironment,Tianjin300384,China;3.SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,China)

Freezing-thawing action has a great effect on the strength and deformation properties of solidified saline soil in northern China. Factors of freezing-thawing cyclic number, salt content, modified ethylene alcohol content (SH soil fixing agent), lime content, curing age and dry density are considered, and the orthogonal design and unconsolidated undrained triaxial compression tests are conducted to obtain the shear strength and stress-strain properties of the solidified soil. The results indicate that (1) shear strength is positively correlated with the modified ethylene alcohol, lime content, curing age and dry density under the freezing-thawing action, and it is negatively correlated with salt content. (2) Dry density and salt content are the key factors affecting the cohesion and the internal friction angle of the solidified saline soil. (3) Shear strength and deformation of the soil experienced freezing and thawing are decreased and the drum-shaped plastic deformation or the weakly brittle failure appear in the soil samples. The suitable scheme is composed of 0.9% of the modified ethylene alcohol with 14% of lime content, 1.7 g/cm3of dry density, 28 d of conservation, 1% of salt content, and 3 times of cyclical freezing and thawing.

solidified soil; shear strength; freezing-thawing action; saline soil; stress-strain

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.14

P642.16

A

1000-3665(2017)06-0089-07

2017-02-03;

2017-03-20

國家自然科學(xué)基金項目(51409079)；河北省自然科學(xué)基金項目(E2014202104)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20131317120013); 天津市科技計劃項目(152XCXSF00070,17JCZDJC39200,17JCYBJC22200)

呂前輝(1989-)，男，碩士研究生，主要從事固化土的工程性質(zhì)研究。E-mail: lvqianhui0915@163.com

柴壽喜(1962-)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事巖土體改性與加固研究。E-mail: chaishouxi@163.com