【導(dǎo)讀】黑龍江省地處我國(guó)最北端高緯度區(qū)，區(qū)內(nèi)深季節(jié)凍土分布廣泛，冬凍春融的凍融循環(huán)作用引起的路基凍害問題。在凍土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，就必須深入。研究?jī)鐾恋牧W(xué)特性，以確保凍土地基上工程建筑物的穩(wěn)定性。本文首先，簡(jiǎn)要介紹了。我國(guó)凍土的分布狀況、凍土的物理力學(xué)性質(zhì)及其對(duì)工程的影響和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。相同，造成翻漿破壞，是長(zhǎng)期困擾該地區(qū)公路建設(shè)的一個(gè)突出問題。試驗(yàn)結(jié)果表明：試樣經(jīng)歷6次凍融后，其含水量、干密度、黏。聚力、內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)性質(zhì)趨于穩(wěn)定。土體凍融最終平衡狀態(tài)與初始狀態(tài)相關(guān)，其。中初始干密度的影響尤為重要。隨凍融循環(huán)過程增加，土體的黏聚力下降，內(nèi)摩擦角變

　　

【正文】 樣地面超出筒外，亦應(yīng)修平。 （ 6）用推土器從擊實(shí)筒內(nèi)推出試驗(yàn)，稱量，準(zhǔn)確至 1g。從試樣中心取出兩個(gè)一定量的土料（輕型為 15— 20g）平行測(cè)定土的含水率，稱量準(zhǔn)確至 ，含水率的平行誤差不得超過 1%。一般不重復(fù)使用土樣。 （四）成果整理 按下式計(jì)算擊實(shí)后各試樣的含水率 凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學(xué)特性研究 21 ( 1) 100dmm?? ? ? 式中 w —— 含水率， %； m—— 濕土質(zhì)量， g； md—— 試樣的干土質(zhì)量， g； 按下式計(jì)算擊實(shí)后各試樣的干密度，計(jì)算至 ∕ cm3 1 ?? ?? ? 式中 ?d—— 干密度， g／ cm3； ?—— 濕密度， g／ cm3； w—— 含水量，％。 以干密度為縱坐標(biāo)、含水率為橫坐標(biāo)，繪制干密度與含水率的關(guān)系曲線。曲線上峰值點(diǎn)的縱、橫坐標(biāo)分別代表土的最大干密度和最優(yōu)含水率，如果曲線不能給出峰值點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)試驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)中的幾個(gè)問題 （ 1）試驗(yàn)用 土一般采用風(fēng)干土做試驗(yàn)，也有采用烘干土做試驗(yàn)的。試驗(yàn)證明：最大干密度以烘干土最大，用烘干土做試驗(yàn)得到的最優(yōu)含水率比用風(fēng)干土的小，而最大干密度則偏大，因此以風(fēng)干土做試驗(yàn)較為合理。最優(yōu)含水率也因制備方法不同而不同，一烘干的土最低，這種現(xiàn)象黏土最明顯，黏粒含量越高，烘干對(duì)最大干密度影響也越大，這顯然是烘干影響了膠粒的性質(zhì)，故黏土不宜用烘干土備樣。 （ 2）加水及浸潤(rùn)。加水方法有兩種，即體積控制法和稱量控制法，以稱重控制法效果為好。灑水應(yīng)均勻，浸潤(rùn)時(shí)間應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。 （ 3）擊實(shí)筒一般應(yīng)放在混凝土地面上。 （ 4）應(yīng)控 制擊實(shí)容器中的余土高度符合試驗(yàn)規(guī)定，否則試驗(yàn)無效。 （ 5）超尺寸顆粒應(yīng)進(jìn)行校正。 （ 6）在統(tǒng)一規(guī)定擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)下，級(jí)配不均勻的土所得的曲線較陡，土的密度大；級(jí)配均勻的土所得的曲線平緩，土的密度小。一般土的塑性指數(shù)愈高，其最大干密度愈小。 （ 7）兩次平行試驗(yàn)最大干密度的差值應(yīng)不超過 g／ cm3。 表 24 擊實(shí)試驗(yàn)記錄表 凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學(xué)特性研究 22 試樣編號(hào) 1 ～ 10 試驗(yàn)者 曾德娟 每層擊數(shù) 25 計(jì)算者 張則琪 試驗(yàn)日期 校核者 劉慶偉 試驗(yàn)序號(hào) 干密度 含水率 筒體積（ cm3） 濕土質(zhì)量 （ g） 密度 （ g/cm3） 干密度 （ g/cm3） 盒號(hào) 盒質(zhì)量 （ g） 盒加濕土質(zhì)量 （ g） 盒加干土質(zhì)量 （ g） 濕土質(zhì)量 （ g） 干土質(zhì)量 （ g） 含水率 % 平均含水率 % 5 1900 1 62 60 2 62 5 1970 3 15 4 64 5 5 20xx 5 62 6 59 5 20xx 7 49 64 15 21 5 8 61 5 1951 9 15 7 10 64 最大干密度： 最優(yōu)含水率： 凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學(xué)特性研究 23 0 5 10 15 20 25擊實(shí)曲線圖含水率 ω ﹙% ﹚ρd﹙g/cm3﹚系 圖 24 擊實(shí)曲線圖 本章小結(jié) 土粒度成分， 通常以各粒組的質(zhì)量百分率來表示，說明各粒級(jí)的分配粒度情況，也稱顆粒級(jí)配。土粒度成分 是土重要的基本性質(zhì)之一， 對(duì)季 節(jié)凍土的凍脹具有十分重要的影響。 研究結(jié)果表明 : 本區(qū)域土樣為粉質(zhì)粘土，最優(yōu)含水率 %，顆粒級(jí)配良好。液限 19% 塑限 34%。 第三章 凍融循環(huán)試驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 本次試驗(yàn)為季凍區(qū)一種土在幾次凍融后的力學(xué)行為，試驗(yàn)著手于研究路基土經(jīng)過多次凍融循環(huán)后的力學(xué)特性變化行為，力求尋找出不同種類的土在凍融循環(huán)后力學(xué)特性變化的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，并結(jié)合軟件的數(shù)值模擬 ,幫助預(yù)測(cè)季凍區(qū)路基土的強(qiáng)度變化行為，這對(duì)于季凍區(qū)公路的建設(shè)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義，且具備一定的工程可行性。 凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學(xué)特性研究 24 試驗(yàn)方法 （ 1） 土樣的制備 重塑土樣制 備滿足 JTGE40 一 20xx《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》 T0102 一 20xx 條內(nèi)容規(guī)定，將土風(fēng)干后碾散并過 篩，取出足夠數(shù)量的試樣，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)試件模具的容積，設(shè)定含水量和壓實(shí)度，計(jì)算每組試件所需的干土和水的質(zhì)量。將千土和水混合配樣 !悶料 (12 小時(shí) )。 制得土樣如圖（ 圖 3圖 3 圖 33）所示： 圖 31 素土試樣 圖 32素土剪切后土試樣 圖 33 素土試樣 （ 2） 試驗(yàn)的儀器 凍融試驗(yàn)主要由環(huán)刀、擊實(shí)儀、天平、電子稱、恒溫箱（ 冰箱代替）、養(yǎng)護(hù)箱。 凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學(xué)特性研究 25 （ 3）試驗(yàn)過程 將制備好的試樣或達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試樣放到凍融試驗(yàn)冰箱中進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，凍結(jié)時(shí)在負(fù)溫的恒溫冷凍箱內(nèi)養(yǎng)護(hù) 12h，融化時(shí)在 s℃的恒溫箱中養(yǎng)護(hù) 12h，此過程為一個(gè)凍融循環(huán)周期。凍融循環(huán)的試驗(yàn)周期次數(shù)選為 O、 6 次，達(dá)到凍融循環(huán)周期次數(shù)后取出部分試樣進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，剩余試樣繼續(xù)做凍融循環(huán)試驗(yàn)。此外為了比較凍融對(duì)土力學(xué)性能的影響，也對(duì)養(yǎng)護(hù)完成后未經(jīng)歷凍融循環(huán)的試樣進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn)。 凍融循環(huán)過程的實(shí)現(xiàn) 進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，首先要確定凍結(jié)方式。凍結(jié)方式按照是否與外界水 分補(bǔ)給的情況，可以分為開放系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)兩種環(huán)境。同一種土在初始含水量和干密度相同、邊界溫度基本相同的條件下，開放系統(tǒng)中形成的分凝冰層數(shù)量和厚度凍脹量均比封閉系統(tǒng)中大得多 。凍結(jié)方式按照凍結(jié)方向可以分為單向凍結(jié)和三向凍結(jié)兩種方式。在相同凍結(jié)時(shí)間下，單向凍結(jié)時(shí)，由于存在明顯的溫度梯度，水分遷移尤其明顯，凍結(jié)后在試樣靠近上表面附近會(huì)出現(xiàn)水分相對(duì)集中的區(qū)域，但在三向凍結(jié)過程中，由于不存在單一方向的冷、暖面，凍結(jié)方向是由土體周圍指向土體中心，因此水分遷移以及凍結(jié)后相對(duì)集中含水量區(qū)域沒有單向凍結(jié)時(shí)明顯。不論是單向凍結(jié)， 還是三向凍結(jié)，凍結(jié)速率也是影響水分遷移量的又一重要因素，凍結(jié)方式按照凍結(jié)的速度可以分為快速凍結(jié)和緩慢凍結(jié)兩種方式。在其它條件相同情況下，凍結(jié)速率越快，水分遷移量越小，土中水近乎是原位凍結(jié)成冰 。凍結(jié)速率越慢，水分遷移量越大，土中水在遷移中成冰。由上述分析可知，凍結(jié)方式的確定影響著凍融循環(huán)后試樣的力學(xué)性質(zhì)，本試驗(yàn)依據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)條件，采用封閉系統(tǒng)下，相同凍結(jié)速率，三向凍結(jié)的方式。凍融循環(huán)過程在凍融試驗(yàn)冰箱中進(jìn)行，本試驗(yàn)采用保鮮膜保濕，這樣使凍融過程中接近封閉情況，能夠保證含水量變化較小。 凍結(jié)與融化時(shí)間 的確定 凍融循環(huán)是指某確定土體經(jīng)受一次或若干次連續(xù)不間斷的凍結(jié)和融化的過程。進(jìn)行凍融循環(huán)對(duì)某一特定試樣的力學(xué)性質(zhì)的影響研究，首先必須較為精確地確定凍結(jié)和融化所需時(shí)間。凍結(jié)或融化時(shí)間過短，不能凍結(jié)或融化透徹、完全凍結(jié)或融化時(shí)間過長(zhǎng)，則浪費(fèi)試驗(yàn)時(shí)間。凍結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)是指一定體積的試樣在一定的負(fù)溫條件下凍結(jié)均勻、徹底的狀態(tài)，凍結(jié)穩(wěn)定時(shí)間是指達(dá)到凍結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)所需的最短時(shí)一間。土體凍結(jié)穩(wěn)定時(shí)間主要與凍結(jié)溫度關(guān)系密切，凍結(jié)溫度越低，凍結(jié)穩(wěn)定時(shí)間越短。這主要是因?yàn)樵谄渌鼦l件凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學(xué)特性研究 26 全相同的情況下，凍結(jié)溫度越低，正凍結(jié)或凍土的導(dǎo)熱系數(shù) 越大，而比熱也越小，因此其冷量傳遞越快。根據(jù)高速鐵路路基土樣實(shí)際所處環(huán)境的氣溫資料確定凍融循環(huán)試驗(yàn)需要設(shè)置的土樣冷卻溫度和土樣融化溫度，再根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定試驗(yàn)凍結(jié)穩(wěn)定所需要的時(shí)間。本次試驗(yàn)采用的冷卻溫度為一 3℃、一 5℃和一 7℃，同時(shí)考慮試驗(yàn)條件的限制和溫度的變化過程，將凍結(jié)時(shí)間統(tǒng)一確定為 12h。 本章小結(jié) 以往的工作中，學(xué)者大多關(guān)注于研究?jī)鋈谧饔脤?duì)土物理性質(zhì)的影響，多數(shù)的研究認(rèn)為：凍融作用具有類似擊實(shí)的效果，一方面，它會(huì)使密實(shí)土的孔隙比增大，另一方面，它又會(huì)使松散土的孔隙比減小，對(duì)于顆粒較細(xì)的土，滲透 性在凍融循環(huán)后是有所增大的；土的界限含水量也會(huì)隨著凍融循環(huán)的作用有所變化。以往僅有相對(duì)較少的關(guān)注凍融作用對(duì)土力學(xué)性質(zhì)影響的研究，而本次試驗(yàn)將著重研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)素土的力學(xué)性質(zhì)的影響。 第四章 直接剪切試驗(yàn) 驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 直接剪切試驗(yàn)是測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的一種常用方法。通常采用四個(gè)試樣，分別在不同的垂直壓力下，施加水平剪切力進(jìn)行剪切，求得破壞時(shí)的剪應(yīng)力，然后根據(jù)庫倫定律確定土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角和黏聚力。 試驗(yàn)方法 本試驗(yàn)適用于測(cè)定細(xì)粒土的抗剪強(qiáng)度參數(shù) C 和 ? 及土顆粒的粒徑小于 2mm 的砂土的抗剪強(qiáng)度參數(shù) ? 。直接剪切試驗(yàn)分為快剪、固結(jié)快剪、慢剪 3 種方法。 試驗(yàn)原理（快剪法） 直接剪切試驗(yàn)采用 4 個(gè)試樣，用不同的法向應(yīng)力 i? 作用于豎直方向，剪切時(shí)得到不同抗剪強(qiáng)度 fi? ，將 4 組（ i? ， fi? ）置于直角坐 標(biāo)系中，用最小二乘法做直線，稱作庫凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學(xué)特性研究 27 倫強(qiáng)度線。強(qiáng)度線在縱坐標(biāo)上的截距為黏聚力 C，強(qiáng)度線與水平線的夾角為內(nèi)摩擦角 ? 。 快剪試驗(yàn)是在試樣上施加垂直壓力后立即快速施加水平剪切力，以 — ∕min 的速率剪切，一般使試樣在 3— 5min 內(nèi)剪破。 儀器設(shè)備 應(yīng)變控制式直接剪切儀（如圖所示）、百分表、環(huán)刀、推土器等 圖 41 直剪儀 圖 22 直剪儀 凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學(xué)特性研究 28 操作步驟 （ 1）從原狀土樣中切取試樣或制備給定干密度及含水率的擾動(dòng)土試樣。 （ 2）對(duì)準(zhǔn)上下 盒，插入固定銷釘。將透水石放入剪切盒內(nèi)，然后放濕潤(rùn)濾紙片。將裝有試樣的環(huán)刀平口向下，對(duì)準(zhǔn)剪切盒盒口，在試樣頂面放濕潤(rùn)濾紙片、透水石，然后用推土器將試樣徐徐推入剪切盒內(nèi)，移去環(huán)刀。 （ 3）順次加壓蓋板、鋼珠、加壓框架。轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使上盒前端鋼珠剛好與測(cè)力計(jì)接觸，調(diào)整測(cè)力計(jì)讀數(shù)為零。 （ 4）每組試驗(yàn)應(yīng)取 4個(gè)試樣，在 4種不同垂直壓力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)。一般可按 50kpa、100kap、 200kap、 300kap、 400kap? 范圍內(nèi)選擇施加。 （ 5）施加垂直壓力后，立即拔去固定銷釘。開動(dòng)秒表，以 — ∕ min 的速率剪切（每分鐘 4— 6 轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)手輪），使試樣在 3— 5min 內(nèi)剪損。但一般宜剪切至變形 達(dá)到 4mm。若測(cè)力計(jì)讀數(shù)繼續(xù)增加，則剪切變形達(dá)到 6mm 為止。手輪內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)，同時(shí)測(cè)記測(cè)力計(jì)讀數(shù)并根據(jù)需要測(cè)記垂直位移計(jì)讀數(shù)，直至剪損為止。 （ 6）剪切結(jié)束后，吸去剪切盒積水，倒轉(zhuǎn)手輪，盡快移去垂直壓力、加壓框架、鋼珠、加壓蓋板等。取出試樣，吸去剪切盒積水，測(cè)定剪切面附近土的含水率。 成果整理 按下式計(jì)算試樣的抗剪強(qiáng)度 f? f? = 0c R 式中 f? —— 抗剪強(qiáng)度， kpa； 0c —— 量里環(huán)率定系數(shù)， kap∕ ； R—— 量力環(huán)中測(cè)微表讀數(shù)， ； 以抗剪強(qiáng)度 f? 為縱坐標(biāo)，垂直壓力 p 為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度 f? 與垂直壓力 p 的關(guān)系曲線，根據(jù)圖上各點(diǎn)，繪制一條視測(cè)直線。直線的傾角為土的內(nèi)摩擦角 ? ，直線在縱坐標(biāo)上的截距為土的黏聚力 C。如下表： 凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學(xué)特性研究 29 表 41 素土 0 次循環(huán)直接剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)表 工程名稱： 凍融循環(huán)作用下 素 土 靜 力學(xué)特性研究 試驗(yàn)者 ： 曾德娟 計(jì)算者： 曾德娟 試驗(yàn)日期： 校核者： 張則琪 垂直壓力 （ kpa） 剪 切 歷 時(shí) 儀器 號(hào) 鋼環(huán)系數(shù) 0C N/ 測(cè)微表 讀數(shù) R 抗 剪 強(qiáng) 度 RCf ?? 0? (kpa) 備 注 100 1min 1 32 200 1min 1 300 1min 1 34 400 1min 1 38 內(nèi)摩 擦系數(shù) 內(nèi)摩擦角 2176。凝聚力 30 kpa 素土0次循環(huán)01002000 100 200 300 400 500σ （kpa）τ?（kpa）系列1線性 (系列1) 圖 41 素土 0 次循環(huán)強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線 表 42 素土 3℃ 1 次循環(huán)直接剪切試驗(yàn) 工程名稱： 凍融循環(huán)作用下 素 土 靜 力學(xué)特性研究 試驗(yàn)