【文章內(nèi)容簡介】 加拿大和美國在上世紀紛紛展開了凍土研究工作。前蘇聯(lián)早在上世紀 30 年代，北美在 50 年代就已經(jīng)開始進行凍土力學(xué)性質(zhì)的研究，我國在 60 年代初也開展了凍土力學(xué)的試驗研究，并在 70 年代對凍土的強度和蠕變進行了系統(tǒng)研究。我國已經(jīng)具 備研究解決多年凍土地區(qū)不同等級公路建養(yǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，于 20xx 年 7 月初立項至 20xx 年 2 月 13 日通過鑒定，交通部西部交通建設(shè)科技項目“多年凍土地區(qū)公路修筑成套技術(shù)研究”，為我國季凍區(qū)公路建設(shè)提供理論和實際地指導(dǎo)，該項目內(nèi)容涵蓋了多年凍土地區(qū)公路建設(shè)的工程地質(zhì)、公路病害機理、路基設(shè)計與施工技術(shù)、路面設(shè)計技術(shù)、橋涵工程技術(shù)、生態(tài)環(huán)境保護與評價技術(shù)、公路養(yǎng)護技術(shù)、季節(jié)冰凍地區(qū)路基路面設(shè)計施工技術(shù)以及高原職工安全與健康保障技術(shù)等。 凍融的研究現(xiàn)狀 土的凍融作用是凍土力學(xué)與凍土工程中的重要研究課題。在進行凍融 作用對土工程性質(zhì)的影響研究時，則需先對土進行一定方式的凍融，然后對凍融前后的試樣進行相應(yīng)的力學(xué)試驗分析，以考察土工程性質(zhì)在凍融前后的變化。雖然目前凍融循環(huán)作用改變土物理力學(xué)性質(zhì)這一現(xiàn)象及其重要性已得到了充分重視，但對于其作用機理及其規(guī)律性的研究卻一直沒有關(guān)鍵性的進展，試驗成果差異性也較大，這主要是由于不同研究者采用試驗方法各不相同，研究成果建立在不同試驗條件之上，自然也就導(dǎo)致了研究成果巨大差別。 本文研究的主要內(nèi)容 取哈爾濱市有代表性的土樣 ,對其進行不同凍融條件下的凍融循環(huán)試驗 ,通過室內(nèi)實驗儀器 ,測試 土樣在凍融作用下其物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律 主要研究內(nèi)容如下： 凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學(xué)特性研究 5 （ 1）土樣基本性質(zhì)測試：以研究區(qū)細粒土為研究對象，測定其粒度成分、初始含水量、密度、最大干密度，最優(yōu)含水量液限、塑限等基本指標。 （ 2）力學(xué)試驗：已有研究表明，素土在最佳含水量下的抗壓強度最大，因此以素土為對象，在不同凍結(jié)溫度下進行凍融循環(huán)試驗，凍融循環(huán)一個周期為 24h， 凍融循環(huán)試驗次數(shù) (0,3,6,9)，然后進行包括抗剪強度測試、無側(cè)限抗壓強度測試，具體內(nèi)容： ① 素土 直剪試驗、三軸試驗和無側(cè)限抗壓強度測試； ②不同凍結(jié)溫度凍融循環(huán)后 （ 3℃， 6℃， 9℃）素土 直剪試驗、三軸試驗和無側(cè)限抗壓強度測試； ③不同凍融循環(huán)次數(shù) (0,3,6,9)后，素土、三軸試驗和無側(cè)限抗壓強度測試； 第二章 基本室內(nèi)試驗 土樣基本性質(zhì)測試：以研究區(qū)細粒土為研究對象，測定其粒度成分、最大干密度，最優(yōu)含水量液限、塑限等基本指標。 土的顆粒分析試驗 顆粒分析就是用試驗的方法求出土中小于某種粒徑的顆粒所占總土質(zhì)量的百分數(shù)或確定土中各粒組的相對含量。 在施工現(xiàn)場所進的砂、碎石等施工建筑材料，都必須按規(guī)定取樣送到實驗室進行顆粒分析實驗，通過試驗得以證明所用材料 級配是否良好。及級配良好者可以使用；若級配不良，工程就不能使用此材料。這實驗項目在工程中是很重要的。 土是由各種大小和形狀不同的顆粒所組成，根據(jù)顆粒大小劃分為若干組，稱為顆粒粒組。所謂顆粒組成即顆粒級配，就是土中各種粒徑范圍的粒組在土中的相對比例，通常用占總質(zhì)量的百分數(shù)來表示。土的粒組組成在一定程度上反映了土的性質(zhì)，工程上常依據(jù)粒組組成對土進行分類，粗粒土主要是依據(jù)粒組組成進行分類；細粒土由于礦物成分、顆粒形狀及膠體含量等因素，則不能單以粒組組成進行分類，而要借助于塑性圖或塑性指數(shù)進 行分類。 凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學(xué)特性研究 6 顆粒分析實驗是測定土中各粒組所占該土總質(zhì)量的百分數(shù)的方法，借以明了顆粒大小分布情況，供土的分類及概略判斷土的工程性質(zhì)。 本試驗?zāi)康臑闄z測被測區(qū)土樣的顆粒級配 顆粒分析試驗的方法主要有兩大類：一是機械分析法，如篩析法；二是物理分析法，如密度計法、虹吸管法（移液管法）等。 篩分法適用于粒徑大于 、小于等于 60mm 的土、密度計法、虹吸管法（移液管法）適用于粒徑小于 0。 075mm的土。若土中粗細顆粒兼有，則聯(lián)合采用篩析法和密度計法或移液管法。 篩析法 原理 篩析法是將土樣通過各種不同孔徑的標準篩，并按篩孔的大小由上至下依次疊好，對顆粒加以篩析，然后再稱量篩上土質(zhì)量，并計算出各個粒組占土總質(zhì)量的百分數(shù)。 標準篩： 、 、 、 ；天平（稱量 500g，感量 1g）、篩析機、烘干箱、調(diào)土皿、瓷盤、毛刷、鐵匙等。 （ 1）調(diào)平天平，左托盤放被稱量物，右托盤放砝碼。然后稱調(diào)土皿質(zhì)量，做好記錄。（在天平的右托盤放 300g 砝碼，就可以直接稱得試樣的質(zhì)量） （ 2）從風(fēng)干松散的土樣中，用四分對角取 樣法按規(guī)定數(shù)量取試樣（如表所示） 四分對角取樣法：把試樣拌均勻，鋪成矩形，用兩條對角線把試樣分成四份，合并相對角的兩部分，根據(jù)需要的數(shù)量，多次重復(fù)進行取樣。 （ 3）將取好的試樣倒入依次疊好的標準篩最上層（最大孔徑）篩內(nèi)，進行篩析。 注意：蓋好篩蓋，兩手上下托住，直立水平搖晃，或用篩析機進行篩析。 （ 4）篩析 10min（土工試驗規(guī)程規(guī)定 10— 15min）后，再按由上而下的順序?qū)⒏骱Y取下，在空瓷盤上用手搖晃輕叩，如有試樣漏下，應(yīng)繼續(xù)篩析，直至無試樣漏下為止。漏下的試樣應(yīng)全部倒入下級篩內(nèi)，并將篩好的篩上試樣 稱質(zhì)量，準確至 。 注：每級篩上稱好的試樣，均應(yīng)做好記錄后，再倒回本級篩內(nèi)，以備試驗數(shù)據(jù)有誤凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學(xué)特性研究 7 時，進行復(fù)查之用。 （ 5）各級篩上及盤底內(nèi)試樣質(zhì)量總和與試樣取土質(zhì)量之差不得大于 1%。 注：根據(jù)土的性質(zhì)和工程要求可適當增減不同篩徑的分析篩。 4．成果整理 （ 1）小于某粒徑的試樣質(zhì)量占總重量的百分比，應(yīng)按下式計算 X= a XBm dm? 式中 X—— 小于某粒徑的試樣占總質(zhì)量的百分比， %； am —— 小于某粒徑試樣質(zhì)量， g； Bm —— 當細篩分析時或用密度計法分析時所取試樣質(zhì)量（粗篩分析時則為試樣總質(zhì)量）， g； xd —— 顆粒小于 2mm 的試樣質(zhì)量占總質(zhì)量的百分數(shù)，在計算粗篩分析時 xd =100%。 （ 2）繪制顆粒大小級配曲線。以小于某粒徑的顆粒質(zhì)量百分數(shù)質(zhì)量百分數(shù)為縱坐標，以粒徑（ mm）對數(shù)為橫坐標，繪制顆粒大小級配曲線，求出各粒組的顆粒質(zhì)量百分比。 （二）密度計法 密度計分為甲種和乙種。甲種密度計讀數(shù)表示 1000mL 懸液中的干土重；乙種密度計讀數(shù)表示懸液比重。兩種密度計其制造原理和使用方法并無不用之處。 試驗原理 密度計法，是將一定量的土樣（粒徑小于 ）放在量筒中，然后加蒸餾水，經(jīng)過攪拌使土的大小顆粒在水中均勻分布，當土粒在液體中靠自重下沉?xí)r，較大下沉較快，而較小的顆粒下沉則較慢。在土粒沉降過程中，用密度計測出在懸液中對應(yīng)于不同沉降時間的懸液密度，根據(jù)密度計讀數(shù) 和土粒的下沉?xí)r間，就可計算出小于某一粒徑 d（ mm）的顆粒占土樣的百分數(shù)。 凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學(xué)特性研究 8 密度計（甲種，如圖所示）、細篩、煮沸設(shè)備、三角燒瓶 500mL、 量筒 1000mL、攪拌器、六偏磷酸鈉（ 4%）、秒表、溫度計等。 （ 1）稱質(zhì)量為 30g 的風(fēng)干試樣倒入錐形瓶中，勿使土粒丟失，注入 200mL 的蒸餾水泡過夜。 （ 2）將錐形瓶放在煮沸設(shè)備上，連接冷凝管進行煮沸。一般煮沸約 1h。 （ 3）將冷卻后的懸液倒入瓷杯中，靜置 1min，將上部懸液倒入筒內(nèi)。杯底沉淀物用帶橡皮頭的研杵細心研散，加蒸餾水，經(jīng) 攪拌后靜置 1min，再將上部懸液倒入量筒。如此反復(fù)操作直至杯內(nèi)懸液澄清為止。當土中大于 的顆粒估計超過試樣總質(zhì)量的 15%時，應(yīng)將其全部倒至 ，直至篩上僅留大于 的顆粒為止。 （ 4）將留在洗篩上的顆粒洗入蒸發(fā)皿內(nèi)，傾去上部的清水，烘干稱重量，然后按規(guī)程規(guī)定進行細篩篩析。 （ 5）將過篩懸液倒入量筒，加 4%濃度的六偏磷酸鈉約 10mL 于量筒溶液中，再注入純水，使筒內(nèi)懸液達 1000mL（對加入六偏磷酸鈉后產(chǎn)生凝聚的土，應(yīng)選用其他分散劑）。 （ 6）用攪拌器在量筒內(nèi)沿整個懸液深 度上下攪拌月 1min，往復(fù)各約 30 次，攪拌時勿使懸液濺出筒外，使懸液內(nèi)土粒均勻分布。 （ 7）取出攪拌器，將密度計放入懸液同時開動秒表。測經(jīng) 120min 和1440min 時的密度計讀數(shù)。根據(jù)試樣情況或?qū)嶋H需要，可增加密度計讀數(shù)或縮短最后一次讀數(shù)的時間。 （ 8）每次讀數(shù)均應(yīng)在預(yù)定時間前 10— 20s 將密度計小心放入懸液接近讀數(shù)的深度，并需注意密度計浮泡保持在量筒中部位置，不得貼近量筒。 （ 9）密度計讀數(shù)均以彎液面上緣為準。甲種密度計應(yīng)準確至 ，乙種密度計應(yīng)準確至 ，每次讀數(shù)完畢立即取出密 度計放入盛有純水的量筒中，并測定各相應(yīng)的懸液溫度，準確至 ℃。放入或取出密度計，應(yīng)盡量減少對懸液的擾動。 （ 10）如試樣在分析前未過 洗篩，而在密度計第一個讀數(shù)時，發(fā)現(xiàn)下沉的土粒以超過試樣總質(zhì)量的 15%時，則應(yīng)于試驗結(jié)束后，將量筒中土粒過 篩，然后按規(guī)程規(guī)定求得粒徑大于 。 凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學(xué)特性研究 9 （ 1）按下列公式計算小于某粒徑的試樣質(zhì)量占試樣總質(zhì)量百分數(shù)。 甲種密度計 X= td100 mm SDC（ R+ C ） 式中 X—— 小于某粒徑的土質(zhì)量百分數(shù)， %； dm —— 試樣干土質(zhì)量， g； sC —— 土粒比重校正值，查表； tm —— 溫度校正值，查表； DC —— 分散劑校正值； n—— 彎液面校正值； R—— 甲種密度計讀數(shù)； 按公式計算 2020sss2 .6 5 = 2 .6 5C ?????? ? 式中 s? —— 土粒密度， g∕ cm3； 20?? —— 20℃時水的密度， g∕ cm3； 計算顆粒直徑，也可按圖確定。 t04s18 00 10d= G g tL????? ?（ G ） 為了簡化計算公式可寫成 d=ktL 式中 K—— 粒徑計算系數(shù)， K= t04s1800 10G g?????（ G ） ，與懸液溫度和土粒比重有關(guān)。如表所示。 （ 2）用小于某粒徑的質(zhì)量百分數(shù)為縱坐標，顆粒直徑（ mm）在對橫坐標上，繪制凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學(xué)特性研究 10 顆粒大小分布曲線。如與篩析法聯(lián)合分析，應(yīng)將兩段曲線繪成一平滑曲線。本次實驗結(jié)果如下表 21 表 22 圖 22 所示 表 21 顆分試驗原始記錄表 顆 粒 分 析 實 驗 （比重計法） 工程編號 東北林業(yè)大學(xué) 土樣編號 01 驗日期 20xx年 3 月 15日 試驗者 劉慶偉 曾德娟 張則琪 計算者 曾德娟 校核者 張則琪 小于 毫米顆粒土質(zhì)量百分數(shù) 100% 比 重 計 號 甲 1 濕土質(zhì)量 量 筒 號 5 含 水 量 5% 燒 瓶 號 A3 干土質(zhì)量 30g 土 粒 比 重 含 鹽 量 比重校正系數(shù) 試 樣 處 理說明 煮沸后未加六偏磷酸鈉 土樣原始狀態(tài) 凍土 試驗時間 下 沉 懸 液 比 重 計 讀 數(shù) 土粒 落踞 粒徑 小于某孔 小于某孔 時 間 溫 度 比重計 刻度彎液 溫 度 分散 劑 Rn=R+n+m+CD RH=RM Cs L d 徑的土質(zhì) 徑的總土 t T 讀 數(shù) 面校正值 校正值 校正值 (mm） （ mm） 量百分數(shù) 質(zhì)量百分數(shù) （ min） （ %） （ R） （ n） （ m） （ CD) （ %） （ %） 1 24 ﹢ 1 ﹣ 1 ﹣ 7 2 ﹢ 1 ﹣ 1 ﹣ 5 ﹢ 1 ﹣ 1 ﹣ 7 10 ﹢ 1 ﹣ 1