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季节冻土区水泥改良路基土的温缩性能研究.docx
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季节冻土区水泥改良路基土的温缩性能研究.docx
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我国季节冻土区分布在广大的东北、西北及华北地区,占我国国土面积的
53.5%
[ 1-2]
。季节冻土区土体因其低温、易变、温度敏感性高等特殊的工程性
质,给道路带来严重影响,故此很多学者致力于季节冻土区公路路基冻害及其
防治研究
[ 3-4]
。张家口地区为典型季节冻土区,季节性冻融循环作用对公路工
程质量的影响十分显著,路基土体的冬季冻结和春季融化,致使春融期路基强
度降低,局部或全部失去承载力,从而降低路面使用质量。目前我国大都采用
优良填料来提升路面使用质量,但是由于道路沿线优质填料的缺乏,其运输费
用造成工程成本大幅增加,因此就地取材,使用固化剂改良土是十分行之有效
的方法。
水泥稳定碎石这类半刚性材料作为一种散粒体材料具有较大的缺点,很容
易在温度变化及水分散失时产生很大的收缩变形,进而会形成基层的收缩裂缝
[ 5]
。在荷载及温度作用下,基层的裂缝会反射到沥青面层中,严重影响沥青
面层的使用品质及寿命
[ 6]
。目前国内外改良土的固化剂仍然以水泥、石灰、
粉煤灰这些固化剂为主
[ 7]
,王天亮等
[ 8]
在冻融作用下水泥及石灰改良土静力
特性研究中指出,在寒冬季节,气温下降造成路基土温度低于土壤水冰点,使
得土层中孔隙水冻结成冰,体积膨胀;当气温回升至 0 ℃以上时,土体便发
生弱化且强度降低,产生诸如翻浆冒泥、沉陷滑塌、不均匀沉降以及失稳等现
象,同时还在研究中表明水泥土的应力-应变关系为加工软化型,水泥土以脆
性破坏为主。杨林等
[ 9]
根据复合固结黏性土强度及抗裂性能的正交试验,对
优化配比条件下的复合固结黏性土与传统石灰土的抗裂性能进行了对比分析,
结果表明固结土的温度抗裂性能与干燥抗裂性能均优于传统的石灰稳定土。
Sergeyev 等
[ 10]
得出水泥土是一种复杂的多相混合岩土材料,宏观上的工程特
性都与内部微细结构的形态和变化密切相关。刘瑾等
[ 11]
针对 STW 型生态土
壤稳定剂改良黏性土的胀缩性进行了试验研究,得到 STW 型土壤稳定剂可以
有效地改良黏性土的胀缩性,土颗粒粒径的大小、稳定剂的掺量对改良黏性土
的胀缩性均有不同程度的影响。唐朝生等
[ 12]
提出高温环境下,膨胀土的裂隙
发育程度较低温环境高,存在明显的温度效应。孟福胜
[ 13]
通过电石灰粉煤灰
稳定土抗温缩性能试验得到:温度在 30 ℃降到 0 ℃之间时,温缩应变缓慢增
加,增长速率也保持恒定。Kaniraj 等
[ 14]
通过对水泥和粉煤灰的混合加固淤泥
土的配比试验研究,得出水泥和粉煤灰加固淤泥土的最佳掺量;穆乃亮等
[ 15]
通过掺加不同剂量石灰对低液限粉质黏土进行改良试验研究,确定了既经济又
满足工程需要的石灰掺量,并将其应用于现场施工,取得了良好效果。姚辉
[ 16]
研究养护温度对水泥土强度影响,发现养护温度大于 20 ℃时,水泥土微
结构量化参数有相同的变化趋势,且变化较小。当低于 10 ℃时,水泥土微结
构量化参数与高于 20 ℃时有明显差别。
姜蓉等
[ 17]
通过混合料组成设计以及不同条件下的温度收缩系数和干燥收
缩系数的测定等大量试验,对其强度及收缩特性进行了系统性的试验研究和分
析,得出了在配比选用及收缩特性方面具有规律性和实用性的结论。于新等
[ 18]
针对目前半刚性基层易出现温缩与干缩裂缝这一难题,试图从降低水泥剂
量的角度来减少裂缝的产生,高温下的平均温缩系数要明显大于常温和低温。
沙庆林
[ 19]
认为半刚性基层仍会遭受到很低的负温度和很大的温度变化率的影
响,半刚性基层产生了很多温缩裂缝,并促使沥青面层开裂,形成很多反射裂
缝。杜文凤等
[ 20]
测试了不同温度条件下,边界摩擦效应对土样缩裂过程与结
果的影响;对产生裂隙的形态与数量进行定量化对比分析,提出了黏性土失水
收缩产生裂隙的概念模型。周永祥等
[ 21]
提出在温度变化过程中,除了热胀冷
缩外,固化土内部盐析晶与水结冰,以及由此引起的液-固界面之间作用力的
变化,也是引起其宏观体积收缩或膨胀的重要原因。马佳等
[ 22]
设计了精确控
制湿度的试验装置,在脱湿条件下对裂土进行试验研究,总结了裂缝出现、传
播、扩展的规律。唐朝生等
[ 23]
分析得到温度对黏性土表面裂缝节点个数、裂
缝长度、裂缝条数、块区个数、块区的最可几面积、裂缝率和裂隙网络的分维
数等参数有重要影响;块区面积分布函数的峰值随温度的升高而减小。崔宏环
等
[ 24]
以路基改良土作为研究对象,研究了其在冻融受载耦合条件下的损伤演
化规律,建立了冻融受载损伤模型。王霄翔等
[ 25]
得出超低温冻融循环后混凝
土峰值应力降低,峰值应变随冻融循环次数的增加而增大。董慧等
[ 26]
得到水
泥土冻融前后应力应变曲线均呈应变软化型,试样呈脆性破坏。王天亮等
[ 27]
提出经历 3 次冻融作用后,其临界动应力随冻融次数下降趋势变缓。
综上所述,对于水泥改良土,已有许多知名学者进行温度收缩试验但并未
提出有关季节冻土区多次温度循环的温缩理论,由于在季节冻土区土体基层是
脆性材料,在温度变化交替时易产生裂缝,该裂缝延伸到路基即形成“反射裂
缝”,严重影响道路运营,这种裂缝将大大降低季节冻土区道路的使用寿命。
本试验基于季节冻土区反复高低温的气候特点,采用水泥固化剂来改良张
家口地区粉质黏土,分析温度升高与降低时水泥土的收缩特性,通过高低温交
变试验箱和 DH3818 静态应变仪联合测定水泥稳定土,研究经过高低温循环作
用下水泥土的温缩性能,从而测得水泥土的多次温缩应变与温缩系数,从而找
到水泥土温缩性能的规律,促进水泥改良路基粉质黏土在地基工程中的推广,
以及水泥土材料在寒冷地区的进一步推广应用,为张家口地区道路交通建设提
供相应的指导。
1 试验方案和材料
1.1 试 验 方 案
本课题选用(2%、4%、6%、8%)四个水泥掺量,采用应变片法进行温
度收缩性试验
[ 28]
。试件为 50 mm×50 mm×200 mm 的小梁试件,标准养护 7
天后,放入温度为 105 ℃烘干箱内烘 12 h 至质量不再发生变化,查阅气象资
料可知张家口地区年均地表温度在 40 ℃左右,最低温度-20 ℃左右。故此本
试 验 温 度 变 化 区 间 为 40 ~ -20 ℃ , 设 定 6 个 温 度 级 别 , 每 个 级 别 温 差 为
10 ℃。
1.2 试 验 方 法
(1) 应变片法
参照《公路土工试验规程》
[ 29]
对试件表面处理:温度补偿片表面平整,
不需要表面处理,一组待测试件共用一个温度补偿标准件。当所有试件和温度
补偿片上的应变片连接完毕后,分别将各自的引线接入静态应变仪(图 1)。
采 用 横 向卧 式将 试件 和 温 度 补偿 片一 同放 入 设 定 好温 度的 高低 温 交 变 箱中
(图 2),试件底面垫置可滚动的光滑钢筋,启动试验控温程序,平衡应变仪
各测试通道,开始读数并记录应变值,采用计算机控制自动读数并与试验控温
程序相协调。
图 1
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