【導讀】黑龍江省地處我國最北端高緯度區(qū)，區(qū)內深季節(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)進行工程建設，就必須深入。研究凍土的力學特性，以確保凍土地基上工程建筑物的穩(wěn)定性。本文首先，簡要介紹了。我國凍土的分布狀況、凍土的物理力學性質及其對工程的影響和國內外研究現(xiàn)狀。相同，造成翻漿破壞，是長期困擾該地區(qū)公路建設的一個突出問題。試驗結果表明：試樣經(jīng)歷6次凍融后，其含水量、干密度、黏。聚力、內摩擦角等物理力學性質趨于穩(wěn)定。土體凍融最終平衡狀態(tài)與初始狀態(tài)相關，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，內摩擦角變

　　

【正文】 樣地面超出筒外，亦應修平。 （ 6）用推土器從擊實筒內推出試驗，稱量，準確至 1g。從試樣中心取出兩個一定量的土料（輕型為 15— 20g）平行測定土的含水率，稱量準確至 ，含水率的平行誤差不得超過 1%。一般不重復使用土樣。 （四）成果整理 按下式計算擊實后各試樣的含水率 凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學特性研究 21 ( 1) 100dmm?? ? ? 式中 w —— 含水率， %； m—— 濕土質量， g； md—— 試樣的干土質量， g； 按下式計算擊實后各試樣的干密度，計算至 ∕ 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、含水率為橫坐標，繪制干密度與含水率的關系曲線。曲線上峰值點的縱、橫坐標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，應進行補點試驗。 實驗中的幾個問題 （ 1）試驗用 土一般采用風干土做試驗，也有采用烘干土做試驗的。試驗證明：最大干密度以烘干土最大，用烘干土做試驗得到的最優(yōu)含水率比用風干土的小，而最大干密度則偏大，因此以風干土做試驗較為合理。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，烘干對最大干密度影響也越大，這顯然是烘干影響了膠粒的性質，故黏土不宜用烘干土備樣。 （ 2）加水及浸潤。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。灑水應均勻，浸潤時間應符合有關規(guī)定。 （ 3）擊實筒一般應放在混凝土地面上。 （ 4）應控 制擊實容器中的余土高度符合試驗規(guī)定，否則試驗無效。 （ 5）超尺寸顆粒應進行校正。 （ 6）在統(tǒng)一規(guī)定擊實標準下，級配不均勻的土所得的曲線較陡，土的密度大；級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）兩次平行試驗最大干密度的差值應不超過 g／ cm3。 表 24 擊實試驗記錄表 凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學特性研究 22 試樣編號 1 ～ 10 試驗者 曾德娟 每層擊數(shù) 25 計算者 張則琪 試驗日期 校核者 劉慶偉 試驗序號 干密度 含水率 筒體積（ cm3） 濕土質量 （ g） 密度 （ g/cm3） 干密度 （ g/cm3） 盒號 盒質量 （ g） 盒加濕土質量 （ g） 盒加干土質量 （ g） 濕土質量 （ g） 干土質量 （ 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特性研究 23 0 5 10 15 20 25擊實曲線圖含水率 ω ﹙% ﹚ρd﹙g/cm3﹚系 圖 24 擊實曲線圖 本章小結 土粒度成分， 通常以各粒組的質量百分率來表示，說明各粒級的分配粒度情況，也稱顆粒級配。土粒度成分 是土重要的基本性質之一， 對季 節(jié)凍土的凍脹具有十分重要的影響。 研究結果表明 : 本區(qū)域土樣為粉質粘土，最優(yōu)含水率 %，顆粒級配良好。液限 19% 塑限 34%。 第三章 凍融循環(huán)試驗 實驗目的 本次試驗為季凍區(qū)一種土在幾次凍融后的力學行為，試驗著手于研究路基土經(jīng)過多次凍融循環(huán)后的力學特性變化行為，力求尋找出不同種類的土在凍融循環(huán)后力學特性變化的相同點和不同點，并結合軟件的數(shù)值模擬 ,幫助預測季凍區(qū)路基土的強度變化行為，這對于季凍區(qū)公路的建設具有很強的指導意義，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特性研究 24 試驗方法 （ 1） 土樣的制備 重塑土樣制 備滿足 JTGE40 一 20xx《公路土工試驗規(guī)程》 T0102 一 20xx 條內容規(guī)定，將土風干后碾散并過 篩，取出足夠數(shù)量的試樣，試驗時根據(jù)試件模具的容積，設定含水量和壓實度，計算每組試件所需的干土和水的質量。將千土和水混合配樣 !悶料 (12 小時 )。 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） 試驗的儀器 凍融試驗主要由環(huán)刀、擊實儀、天平、電子稱、恒溫箱（ 冰箱代替）、養(yǎng)護箱。 凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學特性研究 25 （ 3）試驗過程 將制備好的試樣或達到養(yǎng)護齡期的試樣放到凍融試驗冰箱中進行凍融循環(huán)試驗，凍結時在負溫的恒溫冷凍箱內養(yǎng)護 12h，融化時在 s℃的恒溫箱中養(yǎng)護 12h，此過程為一個凍融循環(huán)周期。凍融循環(huán)的試驗周期次數(shù)選為 O、 6 次，達到凍融循環(huán)周期次數(shù)后取出部分試樣進行直接剪切試驗，剩余試樣繼續(xù)做凍融循環(huán)試驗。此外為了比較凍融對土力學性能的影響，也對養(yǎng)護完成后未經(jīng)歷凍融循環(huán)的試樣進行了直接剪切試驗。 凍融循環(huán)過程的實現(xiàn) 進行凍融循環(huán)試驗，首先要確定凍結方式。凍結方式按照是否與外界水 分補給的情況，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 。凍結方式按照凍結方向可以分為單向凍結和三向凍結兩種方式。在相同凍結時間下，單向凍結時，由于存在明顯的溫度梯度，水分遷移尤其明顯，凍結后在試樣靠近上表面附近會出現(xiàn)水分相對集中的區(qū)域，但在三向凍結過程中，由于不存在單一方向的冷、暖面，凍結方向是由土體周圍指向土體中心，因此水分遷移以及凍結后相對集中含水量區(qū)域沒有單向凍結時明顯。不論是單向凍結， 還是三向凍結，凍結速率也是影響水分遷移量的又一重要因素，凍結方式按照凍結的速度可以分為快速凍結和緩慢凍結兩種方式。在其它條件相同情況下，凍結速率越快，水分遷移量越小，土中水近乎是原位凍結成冰 。凍結速率越慢，水分遷移量越大，土中水在遷移中成冰。由上述分析可知，凍結方式的確定影響著凍融循環(huán)后試樣的力學性質，本試驗依據(jù)試驗目的和試驗條件，采用封閉系統(tǒng)下，相同凍結速率，三向凍結的方式。凍融循環(huán)過程在凍融試驗冰箱中進行，本試驗采用保鮮膜保濕，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。 凍結與融化時間 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)不間斷的凍結和融化的過程。進行凍融循環(huán)對某一特定試樣的力學性質的影響研究，首先必須較為精確地確定凍結和融化所需時間。凍結或融化時間過短，不能凍結或融化透徹、完全凍結或融化時間過長，則浪費試驗時間。凍結穩(wěn)定狀態(tài)是指一定體積的試樣在一定的負溫條件下凍結均勻、徹底的狀態(tài)，凍結穩(wěn)定時間是指達到凍結穩(wěn)定狀態(tài)所需的最短時一間。土體凍結穩(wěn)定時間主要與凍結溫度關系密切，凍結溫度越低，凍結穩(wěn)定時間越短。這主要是因為在其它條件凍融循環(huán)作用下水泥改良土靜力學特性研究 26 全相同的情況下，凍結溫度越低，正凍結或凍土的導熱系數(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際所處環(huán)境的氣溫資料確定凍融循環(huán)試驗需要設置的土樣冷卻溫度和土樣融化溫度，再根據(jù)室內試驗確定試驗凍結穩(wěn)定所需要的時間。本次試驗采用的冷卻溫度為一 3℃、一 5℃和一 7℃，同時考慮試驗條件的限制和溫度的變化過程，將凍結時間統(tǒng)一確定為 12h。 本章小結 以往的工作中，學者大多關注于研究凍融作用對土物理性質的影響，多數(shù)的研究認為：凍融作用具有類似擊實的效果，一方面，它會使密實土的孔隙比增大，另一方面，它又會使松散土的孔隙比減小，對于顆粒較細的土，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隨著凍融循環(huán)的作用有所變化。以往僅有相對較少的關注凍融作用對土力學性質影響的研究，而本次試驗將著重研究凍融循環(huán)對素土的力學性質的影響。 第四章 直接剪切試驗 驗實驗目的 直接剪切試驗是測定土的抗剪強度的一種常用方法。通常采用四個試樣，分別在不同的垂直壓力下，施加水平剪切力進行剪切，求得破壞時的剪應力，然后根據(jù)庫倫定律確定土的抗剪強度參數(shù)內摩擦角和黏聚力。 試驗方法 本試驗適用于測定細粒土的抗剪強度參數(shù) C 和 ? 及土顆粒的粒徑小于 2mm 的砂土的抗剪強度參數(shù) ? 。直接剪切試驗分為快剪、固結快剪、慢剪 3 種方法。 試驗原理（快剪法） 直接剪切試驗采用 4 個試樣，用不同的法向應力 i? 作用于豎直方向，剪切時得到不同抗剪強度 fi? ，將 4 組（ i? ， fi? ）置于直角坐 標系中，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特性研究 27 倫強度線。強度線在縱坐標上的截距為黏聚力 C，強度線與水平線的夾角為內摩擦角 ? 。 快剪試驗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 內剪破。 儀器設備 應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土試樣。 （ 2）對準上下 盒，插入固定銷釘。將透水石放入剪切盒內，然后放濕潤濾紙片。將裝有試樣的環(huán)刀平口向下，對準剪切盒盒口，在試樣頂面放濕潤濾紙片、透水石，然后用推土器將試樣徐徐推入剪切盒內，移去環(huán)刀。 （ 3）順次加壓蓋板、鋼珠、加壓框架。轉動手輪，使上盒前端鋼珠剛好與測力計接觸，調整測力計讀數(shù)為零。 （ 4）每組試驗應取 4個試樣，在 4種不同垂直壓力下進行剪切試驗。一般可按 50kpa、100kap、 200kap、 300kap、 400kap? 范圍內選擇施加。 （ 5）施加垂直壓力后，立即拔去固定銷釘。開動秒表，以 — ∕ min 的速率剪切（每分鐘 4— 6 轉的速度旋轉手輪），使試樣在 3— 5min 內剪損。但一般宜剪切至變形 達到 4mm。若測力計讀數(shù)繼續(xù)增加，則剪切變形達到 6mm 為止。手輪內轉動一轉，同時測記測力計讀數(shù)并根據(jù)需要測記垂直位移計讀數(shù)，直至剪損為止。 （ 6）剪切結束后，吸去剪切盒積水，倒轉手輪，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，測定剪切面附近土的含水率。 成果整理 按下式計算試樣的抗剪強度 f? f? = 0c R 式中 f? —— 抗剪強度， kpa； 0c —— 量里環(huán)率定系數(shù)， kap∕ ； R—— 量力環(huán)中測微表讀數(shù)， ； 以抗剪強度 f? 為縱坐標，垂直壓力 p 為橫坐標，繪制抗剪強度 f? 與垂直壓力 p 的關系曲線，根據(jù)圖上各點，繪制一條視測直線。直線的傾角為土的內摩擦角 ? ，直線在縱坐標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特性研究 29 表 41 素土 0 次循環(huán)直接剪切試驗數(shù)據(jù)表 工程名稱： 凍融循環(huán)作用下 素 土 靜 力學特性研究 試驗者 ： 曾德娟 計算者： 曾德娟 試驗日期： 校核者： 張則琪 垂直壓力 （ kpa） 剪 切 歷 時 儀器 號 鋼環(huán)系數(shù) 0C N/ 測微表 讀數(shù) R 抗 剪 強 度 RCf ?? 0? (kpa) 備 注 100 1min 1 32 200 1min 1 300 1min 1 34 400 1min 1 38 內摩 擦系數(shù) 內摩擦角 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)強度與垂直壓力的關系曲線 表 42 素土 3℃ 1 次循環(huán)直接剪切試驗 工程名稱： 凍融循環(huán)作用下 素 土 靜 力學特性研究 試驗