凍融循環(huán)對粉煤灰土動強度的影響

凍融循環(huán)對粉煤灰土動強度的影響

在中國東北部的季節(jié)性冷凍區(qū)（以下簡稱季節(jié)性冷凍區(qū)），大部分路堤的基礎都是粘土。在施工初期，粘土的強度較好，但經過幾次冷凍和融合后，其強度顯著下降。在頻繁的負荷下，道路會遭到破壞，并形成縱向和橫向裂縫。目前的防治方法與措施主要有改良加固法和藥劑法。加固材料的凍穩(wěn)定性對材料的強度影響較大,目前季凍區(qū)凍深大約1.5m,因此土基也需改良,而粉煤灰比重小孔隙大,具有顆粒細、級配均勻、無塑性、多孔松散等優(yōu)點,但是它同時也具有抗管涌能力差、在動荷載作用下易液化的缺點。從國內外研究現(xiàn)狀來看,迄今還沒有關于凍融對土工程性質的影響的系統(tǒng)分析,只有對純粉煤灰和二灰土的試驗研究,而對粉煤灰加固土凍融后的動力特性更沒有資料可尋。本文根據室內粉煤灰土凍融循環(huán)后的動三軸試驗結果,討論了凍融循環(huán)對粉煤灰土動強度特性的影響,以期望能為粉煤灰土在季凍區(qū)的合理使用及工程設計提供理論依據。1實驗材料與方法試驗中采用的液限黏土是常見的路基用土,被公認為是易凍脹土。采用的粉煤灰基本上為硅鋁型粉煤灰,具有火山灰性質,干燥時呈細粉狀,光滑而松軟,類似于水泥粉塵,SiO2+A12O3+Fe2O3的質量分數(shù)為78.13%～88.64%,CaO的質量分數(shù)為4.12%～7.02%,燒失量為1.0%～5.26%,在電子顯微鏡下觀察,粉煤灰是由具有各種形狀和不同顏色的顆粒組成的混合物。不同的粉煤灰有一定的變異性,受振動后易液化。試驗填料的物理特性見表1。根據大量試驗,土樣和粉煤灰按干質量1∶2混合,其混合強度最佳,水穩(wěn)性最好,粉煤灰利用率最高。將經過烘干、碾碎、過篩的土樣和粉煤灰按干質量1∶2混合,按最佳含水率、最大干密度并采用標準擊實方法制成一批高為140mm,直徑為70mm的試樣(如圖1所示)。此擊實試件飽和度達85%～90%,采用室內凍融試驗,用封閉薄膜裝好放于凍融箱內。根據季凍區(qū)資料,取溫度梯度為1℃,從0℃到-5℃,每隔24h調節(jié)一次,再從-5℃到0℃,每隔24h回調一次,此過程為一個凍融循環(huán)。每一次凍融循環(huán)后取出試件15個進行不固結不排水動三軸試驗,其他試件繼續(xù)做凍融循環(huán)試驗。本實驗使用的是日本DTC-306型多功能電液伺服動態(tài)三軸儀(如圖2所示),它是比較理想的土力學測試設備。試驗采用應力控制式循環(huán)加載式,最大幅值為500kg,以振動頻率f=1Hz的正弦波為加載形式,圍壓分別為100、200、300kPa,試驗數(shù)據由與動三軸儀匹配的自動數(shù)據采集系統(tǒng)完成,數(shù)據包括荷載循環(huán)次數(shù)、最大動應力、圍壓、應力-應變滯回圈。按照規(guī)范的破壞標準要求,將破壞應變定為彈性應變與塑性應變之和,即δd=5%為破壞標準。2試驗結果及分析2.1凍融前粉煤灰土的動剪應力及其與破壞周數(shù)關系由動三軸試驗直接得出軸向動應力與破壞周數(shù)的關系曲線。根據土力學常用剪切強度,三軸試件在45°面上的動剪切應力δd/2為動強度。圖3為凍融前粉煤灰土的動剪應力δd/2與破壞周數(shù)的關系曲線。圖4為凍融前粉質黏土的動剪應力δd/2與破壞周數(shù)的關系曲線。由圖3、圖4可以看出,粉煤灰土和粉質黏土的強度接近,且強度都隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加而下降,但是會隨圍壓的增加而變大,這符合參考文獻的結論。2.21凍融循環(huán)強度圖5為破壞10周的動強度與圍壓的關系曲線。由圖5可知,經過1次凍融循環(huán)后粉煤灰土的強度高于粉質黏土,且隨著圍壓的增大其強度提高幅度明顯大于粉質黏土,粉煤灰土在高圍壓下強度損失很小。而粉質黏土在一次凍融循環(huán)后的動強度下降較大,見表2。經過1,2次凍融循環(huán)后,當圍壓為100kPa時,粉煤灰土與粉質黏土的動強度接近;當圍壓為200kPa時,粉煤灰土的動強度分別比粉質黏土高46.45%和38.30%;當圍壓為300kPa時,粉煤灰土的動強度分別比粉質黏土高78.94%和76.04%。經過3次凍融循環(huán)后,粉質黏土動強度下降較小,逐漸趨向穩(wěn)定,且強度不隨圍壓的變化而變化(如圖6所示),這與文獻一致。2.3凍融前后粉煤灰土動強度的變化超過8次凍融循環(huán)后粉煤灰土的強度如圖7所示,4次凍融循環(huán)后其強度趨于穩(wěn)定,并且隨著圍壓的增大而提高,圍壓為300kPa時比圍壓為200kPa時的強度提高18.77%,比圍壓為100kPa時的強度提高59.57%。在圍壓為200kPa和300kPa時,粉煤灰土動強度分別高于粉質黏土40%和60%,說明粉煤灰土經過4到5次凍融循環(huán)后比較穩(wěn)定,動強度高于粉質黏土,抗凍耐久性較好。在圍壓為300kPa時,粉煤灰土動強度好于其他兩種情況,此時穩(wěn)定性最好,隨著循環(huán)荷載振動次數(shù)的增加,其動強度仍高于其他情況(如圖8所示)。若保證圍壓在200kPa以上,則粉煤灰土(1∶2)是較理想的路基材料。凍融前后粉煤灰土的孔徑比粉質黏土的孔徑變化小,經過多次凍融循環(huán)后趨向一個穩(wěn)定的孔隙比。粉煤灰土的透水性強,同時,粉煤灰土的抗液化性比粉煤灰提高,粉煤灰路堤可能存在振動液化和因沖刷引起的水毀等隱患,粉煤灰土的水穩(wěn)性可通過干濕循環(huán)試驗確定,經過5次凍融循環(huán)后做抗壓強度試驗,結果粉煤灰土的水穩(wěn)性好于粉煤灰和土。2.4粉煤灰土的凍脹試驗胡珊等對3種土樣進行的室內凍脹試驗如圖9所示。在溫度為-20℃的情況下粉煤灰隨飽和度的變化受溫度的影響比粉煤灰土和土小,而本文在-5℃溫度下的凍脹試驗顯示,含水量在最佳含水量附近時,粉煤灰土的凍脹率為0.22%,隨著含水量的增加凍脹率也在增加。對粉煤灰土凍穩(wěn)性影響的另外一個因素是粉煤灰的質量分數(shù)。試驗表明,當粉煤灰的質量分數(shù)達到20%時,粉煤灰土的強度增長緩慢,這與文獻符合。為了使粉煤灰得到充分利用,把粉煤灰土摻合比定為1∶2,既能保證它的強度又具有抗凍性。當粉煤灰再增加,則凍穩(wěn)定性不如粉煤灰土(1∶2),同時也增加了工程造價。3粉煤灰土動強度(1)經凍融循環(huán)后可導致粉煤灰土和粉質黏土的強度下降,但粉煤灰土強度衰減率較粉質黏土低,在高圍壓下強度損失小。(2)4次凍融循環(huán)后其強度趨于穩(wěn)定,在圍壓為300kPa時,粉煤灰土動強度好于其他兩種情況,此時穩(wěn)定性最好,隨著循環(huán)荷載振動次數(shù)的增加,波動幅度影響不大。(3)室內粉煤灰土凍融循環(huán)后的動三軸試驗結果表明,粉煤灰土經過4～5次凍融循環(huán)后其動強度保持穩(wěn)定,凍融對其影響較小。(4)根據市場調查,水泥每噸約290～320元;石灰每噸約