冻融循环对改良软粘土压缩特性的影响

胡莫珍，谈云志，吴 翩，杨爱武

(1.天津城建大学 土木工程学院，天津300384;2.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌443002)

软粘土是指滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的细粒土，具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点［1］。为此，国内外许多学者通过掺加稳定剂对不良土进行改良，从而提高其强度等工程特性［2-8］。利用水泥等外添材料处治不良土，是目前最为普遍的方法。然而，大部分研究主要集中在改良机理和改良工艺上，注重现场施工时达到的改良效果［9］。换言之，人们将大部分注意力放在改良土的早期强度上，而对改良土后期强度演化过程的关注较少［10-12］，以至于在改良土的长期力学性能方面少有研究。实际工程中，我们不仅要关注工程初期的力学性能，更要关注其长期力学性能。

影响改良土长期力学性能的环境因素主要有干湿循环和冻融循环的作用［13-15］，考虑到北方地区冻融循环占主要影响，故本研究选取压缩性作为评价指标，开展冻融作用下改良软粘土的力学性能研究，旨在为软粘土地区的地基处理提供技术参考。

1 试样与方法

1.1 试样

试验用土取于天津滨海软粘土，试验所用水泥为32.5 级普通硅酸盐水泥，初凝时间约4 h，软粘土基本物性如表1 所示，颗粒分析试验结果如图1 所示。

表1 软粘土的基本物性指标Tab.1 Basic properties of soft clay

制样相关条件如下:

①试样尺寸:试样尺寸取S=30 cm2，H=1 cm 的环刀样。

②制样参数:水泥掺灰比取15%，密度ρ=1.70 g/cm3，初始含水率w=25.0%、27.5%、30.0%、32.5%、35.0%，各初始含水率下的试样分别制备4 个。

③制样方法:使用自制模具及千斤顶，采用静压法制备环刀样。冻融循环过程中，使用保鲜膜对试样进行密封，以减少水分蒸发。

1.2 试验方法

针对上述试样，对各种初始含水率下的试样进行不同冻融循环次数的冻融循环试验，并对经过冻融循环后的试样开展压缩试验。冻融次数、冻融条件以及压缩试验考察指标如下:

①冻融次数FT:每种初始含水率下的4 组试样分别进行0 次、3 次、6 次和10 次冻融循环。

②冻融条件:冻结温度TF=-16 ℃，冻结时间t1=24 h，融化温度TT=15 ℃，融解时间t2=12 h。

③压缩试验:参考公路土工试验规程，对已备好试样标准养护7 d，经过预定次数的冻融循环后进行压缩试验，并对土体的压缩系数和压缩模量损失率的变化规律进行研究。

图1 软土颗粒分析曲线Fig.1 Particlesize distribution curve of soft clay

2 试验结果与分析

2.1 冻融作用对压缩系数的影响

通过对各组试样进行冻融循环试验和压缩试验，得到压缩系数(单位为MPa-1)与冻融次数的关系如图2 所示。

软粘土在未改良前，其天然孔隙比e0高达1.12，属于高压缩性土。由图2 可知，软粘土在掺15%水泥后，其压缩性能得到较大改善，所有试样的压缩系数α ＜0.25 MPa-1，均属于中压缩性土，初始含水率为25.0%的试样土α≤0.1 MPa-1，为低压缩性土。因此，15%水泥处治方案对此种软粘土的压缩性能有着较好的改良效果。

同时，每种初始含水率的试样在历经10 次冻融循环作用后，其压缩系数均出现一定幅度的增加。低含水率(25.0%、27.5%、30.0%、32.5%)的试样在不同次数冻融循环作用下，压缩系数呈现出较为平缓的增加趋势，无明显陡增陡减曲线出现;而最大含水率达35.0%的试样的压缩系数对冻融循环次数的反映较为敏感，在0 ～3 次及6 ～10 次冻融循环过程中出现较大的增幅。总之，不论初始含水率如何变化，试样在多次冻融循环效应下，其压缩系数均出现不同程度的增幅，压缩性能逐渐劣化。

2.2 初始含水率对压缩系数的影响

通过对试样开展压缩试验，得到初始含水率与压缩系数的关系如图3 所示。

对于不同的土样，压缩系数通常都会在低于某个初始含水率时出现一个极小值(以下简称Wmin)，在高于此初始含水率直至饱和含水率的区间内，试样的含水率越大，其压缩系数越大。在冻土融化压缩试验中，饱和程度和冻胀作用都会对土样的压缩系数产生影响，且这两种因素对土样的压缩性能均产生减益效果。由图3 可知，FT=0 时，土样均未受到冻胀作用的影响，随着含水率增大，其压缩系数线性增加，说明土样越接近饱和状态，压缩性能越差。

图2 压缩系数与冻融次数关系Fig.2 Compression coefficient vs freeze-thaw times

图3 压缩系数与初始含水率关系Fig.3 Compression coefficient vs initial water content

FT 为3、6、10 次时，压缩系数在初始含水率25.0%～32.5%区间内呈现线性增长趋势，但在32.5%～35.0%区间内压缩系数出现跳跃性增加，增幅提升较明显。因此，可以推测初始含水率w=32.5%为该类软粘土的“临界含水率”(以下简称Wmid)。

在不同的含水率区间内，压缩系数对初始含水率存在着不同的反映规律:

①当初始含水率在(0，Wmin)区间时，此时的压缩系数为该类软粘土的极小值，饱和程度和冻融次数均不会对其造成较大的影响。

②当初始含水率在(Wmin，Wmid)区间时，在相同的冻融次数下，压缩系数随着初始含水率的增加呈现线性增长，压缩系数平缓上升，增幅较小。

③当初始含水率在(Wmid，Wsat)区间时，在相同的冻融次数的条件下，压缩系数对初始含水率变化的反映较为敏感，压缩系数出现跳跃性增加状态，增幅明显提升，如表2 所示。

表2 压缩系数的变化Tab.2 Changes of compression coefficient

2.3 压缩模量损失率的变化规律

评价土体压缩性指标主要有压缩系数、压缩指数以及压缩模量。为了研究此类改良软粘土强度损失率变化，以压缩模量这个强度指标作为参考依据更具直观性。压缩模量损失率SN计算公式如下:

式中，N 为冻融循环次数(次)，EN为N 次冻融循环次数下的回弹模量(MPa)。

通过试验测到得各初始含水率下经冻融循环后试样的回弹模量E0.1～0.2，将试验数据代入式(1)，得到表3 结果。

由表3 可知，天然含水率试样随着冻融次数的增加，SN在冻融循环初期相对较大，而在冻融循环后期相对较小且基本保持不变，说明以此改良软粘土作为地基材料的工程中，若该地区处于季冻区，则在工程竣工后0 ～6 a 时间内其沉降量最大，应加强监测力度。由表4 可知，随着初始含水率增加，试样压缩模量的最终损失率会逐步增加，在w=35%时最大，SN=54.74%，明显高于较低含水率32.5%下的SN=31.40%。考虑到高含水率的土样后期强度损失率较大，在实际地基处理工程中，使用此类改良软粘土填筑时含水率应尽量偏低，不宜超过32.5%。

表3 不同冻融次数下SN值Tab.3 Value of SNin different freeze-thaw times

表4 不同初始含水率下S10值Tab.4 Value of S10 with different initial water content

3 结 语

①本研究对试样进行多次冻融循环作用，研究了改良软粘土的服役期后期强度，较对其短期强度的研究有所突破创新，对保持改良软粘土地基填筑工程的长期稳定性具有指导性。研究结果表明，随冻融次数的增加，试样压缩系数增长越快，高含水率(35%)对冻融循环次数的反映更为敏感。

②饱和程度会对土样的压缩系数产生影响，且土样越接近饱和状态，其压缩性能越差。当冻融循环次数相同且含水率高于临界含水率32.5%时，试样压缩系数随含水率增大呈跳跃性增加，增幅明显提升。

③本研究创新性地提出压缩模量损失率的概念，以其大小反映冻融次数的增加对压缩性能的累积影响。随着冻融次数的增加，含水率相同试样的压缩模量损失率SN在冻融循环初期相对较大，而在冻融循环后期相对较小且基本保持不变，且随着初始含水率增加，试样压缩模量的最终损失率会逐步增加。

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