冻融循环对粉煤灰土动强度的影响

冻融循环对粉煤灰土动强度的影响

在中国东北部的季节性冷冻区（以下简称季节性冷冻区），大部分路堤的基础都是粘土。在施工初期，粘土的强度较好，但经过几次冷冻和融合后，其强度显著下降。在频繁的负荷下，道路会遭到破坏，并形成纵向和横向裂缝。目前的防治方法与措施主要有改良加固法和药剂法。加固材料的冻稳定性对材料的强度影响较大,目前季冻区冻深大约1.5m,因此土基也需改良,而粉煤灰比重小孔隙大,具有颗粒细、级配均匀、无塑性、多孔松散等优点,但是它同时也具有抗管涌能力差、在动荷载作用下易液化的缺点。从国内外研究现状来看,迄今还没有关于冻融对土工程性质的影响的系统分析,只有对纯粉煤灰和二灰土的试验研究,而对粉煤灰加固土冻融后的动力特性更没有资料可寻。本文根据室内粉煤灰土冻融循环后的动三轴试验结果,讨论了冻融循环对粉煤灰土动强度特性的影响,以期望能为粉煤灰土在季冻区的合理使用及工程设计提供理论依据。1实验材料与方法试验中采用的液限黏土是常见的路基用土,被公认为是易冻胀土。采用的粉煤灰基本上为硅铝型粉煤灰,具有火山灰性质,干燥时呈细粉状,光滑而松软,类似于水泥粉尘,SiO2+A12O3+Fe2O3的质量分数为78.13%～88.64%,CaO的质量分数为4.12%～7.02%,烧失量为1.0%～5.26%,在电子显微镜下观察,粉煤灰是由具有各种形状和不同颜色的颗粒组成的混合物。不同的粉煤灰有一定的变异性,受振动后易液化。试验填料的物理特性见表1。根据大量试验,土样和粉煤灰按干质量1∶2混合,其混合强度最佳,水稳性最好,粉煤灰利用率最高。将经过烘干、碾碎、过筛的土样和粉煤灰按干质量1∶2混合,按最佳含水率、最大干密度并采用标准击实方法制成一批高为140mm,直径为70mm的试样(如图1所示)。此击实试件饱和度达85%～90%,采用室内冻融试验,用封闭薄膜装好放于冻融箱内。根据季冻区资料,取温度梯度为1℃,从0℃到-5℃,每隔24h调节一次,再从-5℃到0℃,每隔24h回调一次,此过程为一个冻融循环。每一次冻融循环后取出试件15个进行不固结不排水动三轴试验,其他试件继续做冻融循环试验。本实验使用的是日本DTC-306型多功能电液伺服动态三轴仪(如图2所示),它是比较理想的土力学测试设备。试验采用应力控制式循环加载式,最大幅值为500kg,以振动频率f=1Hz的正弦波为加载形式,围压分别为100、200、300kPa,试验数据由与动三轴仪匹配的自动数据采集系统完成,数据包括荷载循环次数、最大动应力、围压、应力-应变滞回圈。按照规范的破坏标准要求,将破坏应变定为弹性应变与塑性应变之和,即δd=5%为破坏标准。2试验结果及分析2.1冻融前粉煤灰土的动剪应力及其与破坏周数关系由动三轴试验直接得出轴向动应力与破坏周数的关系曲线。根据土力学常用剪切强度,三轴试件在45°面上的动剪切应力δd/2为动强度。图3为冻融前粉煤灰土的动剪应力δd/2与破坏周数的关系曲线。图4为冻融前粉质黏土的动剪应力δd/2与破坏周数的关系曲线。由图3、图4可以看出,粉煤灰土和粉质黏土的强度接近,且强度都随着荷载循环次数的增加而下降,但是会随围压的增加而变大,这符合参考文献的结论。2.21冻融循环强度图5为破坏10周的动强度与围压的关系曲线。由图5可知,经过1次冻融循环后粉煤灰土的强度高于粉质黏土,且随着围压的增大其强度提高幅度明显大于粉质黏土,粉煤灰土在高围压下强度损失很小。而粉质黏土在一次冻融循环后的动强度下降较大,见表2。经过1,2次冻融循环后,当围压为100kPa时,粉煤灰土与粉质黏土的动强度接近;当围压为200kPa时,粉煤灰土的动强度分别比粉质黏土高46.45%和38.30%;当围压为300kPa时,粉煤灰土的动强度分别比粉质黏土高78.94%和76.04%。经过3次冻融循环后,粉质黏土动强度下降较小,逐渐趋向稳定,且强度不随围压的变化而变化(如图6所示),这与文献一致。2.3冻融前后粉煤灰土动强度的变化超过8次冻融循环后粉煤灰土的强度如图7所示,4次冻融循环后其强度趋于稳定,并且随着围压的增大而提高,围压为300kPa时比围压为200kPa时的强度提高18.77%,比围压为100kPa时的强度提高59.57%。在围压为200kPa和300kPa时,粉煤灰土动强度分别高于粉质黏土40%和60%,说明粉煤灰土经过4到5次冻融循环后比较稳定,动强度高于粉质黏土,抗冻耐久性较好。在围压为300kPa时,粉煤灰土动强度好于其他两种情况,此时稳定性最好,随着循环荷载振动次数的增加,其动强度仍高于其他情况(如图8所示)。若保证围压在200kPa以上,则粉煤灰土(1∶2)是较理想的路基材料。冻融前后粉煤灰土的孔径比粉质黏土的孔径变化小,经过多次冻融循环后趋向一个稳定的孔隙比。粉煤灰土的透水性强,同时,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动液化和因冲刷引起的水毁等隐患,粉煤灰土的水稳性可通过干湿循环试验确定,经过5次冻融循环后做抗压强度试验,结果粉煤灰土的水稳性好于粉煤灰和土。2.4粉煤灰土的冻胀试验胡珊等对3种土样进行的室内冻胀试验如图9所示。在温度为-20℃的情况下粉煤灰随饱和度的变化受温度的影响比粉煤灰土和土小,而本文在-5℃温度下的冻胀试验显示,含水量在最佳含水量附近时,粉煤灰土的冻胀率为0.22%,随着含水量的增加冻胀率也在增加。对粉煤灰土冻稳性影响的另外一个因素是粉煤灰的质量分数。试验表明,当粉煤灰的质量分数达到20%时,粉煤灰土的强度增长缓慢,这与文献符合。为了使粉煤灰得到充分利用,把粉煤灰土掺合比定为1∶2,既能保证它的强度又具有抗冻性。当粉煤灰再增加,则冻稳定性不如粉煤灰土(1∶2),同时也增加了工程造价。3粉煤灰土动强度(1)经冻融循环后可导致粉煤灰土和粉质黏土的强度下降,但粉煤灰土强度衰减率较粉质黏土低,在高围压下强度损失小。(2)4次冻融循环后其强度趋于稳定,在围压为300kPa时,粉煤灰土动强度好于其他两种情况,此时稳定性最好,随着循环荷载振动次数的增加,波动幅度影响不大。(3)室内粉煤灰土冻融循环后的动三轴试验结果表明,粉煤灰土经过4～5次冻融循环后其动强度保持稳定,冻融对其影响较小。(4)根据市场调查,水泥每吨约290～320元;石灰每吨约