岩土工程

冻融循环下固化盐渍土强度增长规律及损伤模型验证

  • 孔元元 , 1 ,
  • 谢柏涵 1 ,
  • 王清 2 ,
  • 张学飞 3 ,
  • 孙东彦 4 ,
  • 王智慧 1
展开
  • 1 长安大学 公路学院, 西安 710064
  • 2 吉林大学 建设工程学院, 长春 130061
  • 3 山东正元建设工程有限责任公司, 济南 250000
  • 4 河北地质大学 城市地质与工程学院, 石家庄 050022

孔元元( 1987- ),女,河北沧州人,讲师,博士,研究方向为微观土力学、特殊土体工程地质、岩土体多场耦合。E-mail:

Copy editor: 陈敏

收稿日期: 2024-09-04

  修回日期: 2024-12-15

  网络出版日期: 2025-02-26

基金资助

国家自然科学基金项目(42330708)

Strength Growth Mechanism and Damage Model Verification of Solidified Saline Soil under Freeze-Thaw Cycles

  • KONG Yuan-yuan , 1 ,
  • XIE Bai-han 1 ,
  • WANG Qing 2 ,
  • ZHANG Xue-fei 3 ,
  • SUN Dong-yan 4 ,
  • WANG Zhi-hui 1
Expand
  • 1 School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China
  • 2 College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130061, China
  • 3 Shandong Zhengyuan Construction Engineering Co., Ltd., Jinan 250000, China
  • 4 School of Urban Geology and Engineering, Hebei University of Geosciences, Shijiazhuang 050022, China

Received date: 2024-09-04

  Revised date: 2024-12-15

  Online published: 2025-02-26

摘要

为探究冻融循环条件下石灰固化盐渍土的力学性能与损伤演化规律,重点分析了石灰掺量、养护龄期和冻融循环次数对其无侧限抗压强度的影响,并建立基于统计分布的损伤本构模型,预测冻融环境下固化盐渍土的应力-应变响应与性能退化。以吉林西部镇赉县盐渍土为研究对象,分别添加3%、6%和9%的石灰作为固化剂,在最优含水率(20%)和压实度(90%)下制备试样,分别养护7 d和28 d并进行0~60次冻融循环。通过无侧限抗压试验和扫描电镜(SEM)测试分析宏观力学性能和微观结构变化。基于Weibull分布函数,利用试验数据建立损伤演化模型。结果表明:最优石灰掺量为6%,养护28 d时无侧限抗压强度达835.01 kPa,是未处理土的4倍以上;未经处理与固化盐渍土在冻融后均表现为应变软化型和脆性破坏;随冻融次数增加,固化土强度逐渐下降,但仍显著高于素土;SEM图像显示,石灰处理有效减少裂隙发育,改善微观结构完整性;所建立的Weibull损伤模型可准确模拟不同冻融次数下的应力-应变全过程,冻融次数越多,拟合效果越好。综上,石灰固化可显著提升盐渍土的强度和抗冻融性能,在6%掺量和28 d养护条件下效果最优。基于Weibull分布函数的损伤模型能够有效表征固化盐渍土在冻融过程中的力学行为与损伤演化。研究成果为寒区盐渍土固化处理提供了理论与技术支持,创新点在于将微观结构变化与宏观力学响应相关联,并建立了适用于冻融条件的统计损伤预测模型。

本文引用格式

孔元元 , 谢柏涵 , 王清 , 张学飞 , 孙东彦 , 王智慧 . 冻融循环下固化盐渍土强度增长规律及损伤模型验证[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(11) : 126 -132 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240926

Abstract

[Objective] This paper aims to investigate the mechanical properties and damage evolution law of lime-solidified saline soil under freeze-thaw cycles, with a focus on analyzing the effects of lime content, curing age, and the number of freeze-thaw cycles on its unconfined compressive strength (UCS). In addition, a damage constitutive model based on statistical distribution is established to predict the stress-strain response and performance degradation of solidified saline soil under freeze-thaw conditions. [Methods] Saline soil from Zhenlai County in western Jilin Province was selected as the research object. Lime was added at proportions of 3%, 6%, and 9% as the curing agent, and specimens were prepared under the optimum moisture content (20%) and a degree of compaction of 90%. The specimens were cured for 7 days and 28 days and subjected to 0-60 freeze-thaw cycles. Unconfined compressive strength (UCS) tests and scanning electron microscopy (SEM) analyses were conducted to examine the macroscopic mechanical properties and microstructural changes. Based on the Weibull distribution function, a damage evolution model was established using the experimental data. [Results] The optimum lime content was 6%, and the unconfined compressive strength reached 835.01 kPa after 28 days of curing, which was more than four times that of the untreated soil. Both untreated and solidified saline soils exhibited strain-softening behavior and brittle failure after freeze-thaw cycles. With the increase in freeze-thaw cycles, the strength of the solidified soil gradually decreased but still remained significantly higher than that of the untreated soil. SEM images showed that lime treatment effectively reduced crack development and improved the integrity of the microstructure. The established Weibull damage model accurately simulated the entire stress-strain process under different numbers of freeze-thaw cycles, and the fitting accuracy improved with an increasing number of cycles. [Conclusion] Lime solidification significantly enhances the strength and freeze-thaw resistance of saline soil, with the optimum effect achieved at a 6% lime content and 28 days of curing. The damage model based on the Weibull distribution can effectively characterize the mechanical behavior and damage evolution of solidified saline soil during freeze-thaw processes. The research findings provide theoretical and technical support for the solidification treatment of saline soil in cold regions. The innovation lies in correlating microstructural changes with macroscopic mechanical responses and establishing a statistical damage prediction model suitable for freeze-thaw conditions.

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

盐渍土是指易溶盐含量>0.3%的土,具有溶陷、盐胀、腐蚀等特殊的工程性质[1]。东北地区为季冻区,且东北松嫩平原盐渍土区面积为3.42×106 hm2,约占东北半湿润半干旱低洼盐碱区的19.4%。该地区盐渍土主要为碳酸盐渍土,盐分组成主要有Na2CO3和NaHCO3[2],盐渍土地区面积的进一步增长严重影响生态环境和人类活动,因此,研究如何改进碳酸盐渍土至关重要。
无机固化剂石灰掺入盐渍土中可以有效提升盐渍土的力学性能[3],张登武等[4]、张西海等[5]利用不同配比的水泥、石灰、粉煤灰对盐渍土进行改良,发现改良后的盐渍土的强度、稳定性和渗透性均满足路基填料的规范要求。周纯秀等[6]、方秋阳等[7]采用不同固化剂方案对碳酸盐渍土进行改良,发现改良后的盐渍土强度均得到明显改善。陈克政等[8]对冻融后的盐渍土进行改良试验研究,并通过熵权-TOPSIS模型对改良剂配比方案的效果进行分析评价,结果表明石灰固化盐渍土的抗冻融效果远高于粉煤灰的改良效果。李永靖等[9]对冻融后的盐渍土进行三轴试验,并基于损伤力学及统计学原理,建立了季冻土损伤本构模型。综上所述,大量学者对改良盐渍土开展了诸多研究,并且取得了丰富的成果,但对冻融后固化盐渍土的损伤研究不多,本文引入损伤理论以表征冻融循环作用下固化盐渍土的力学特性。
本文以碳酸盐渍土为研究对象,使用石灰作为固化剂,研究固化碳酸盐渍土的抗压强度如何受到固化剂掺量、养护天数和冻融循环次数的影响,并对镇赉盐渍土的结构损伤进行微观分析。与此同时,建立损伤变量模型并进行验证,为寒区盐渍土地区的建造和维护工程提供理论基础。

1 试验方案

1.1 试验土样

吉林省西部存在大面积的盐渍土,白城市镇赉县地处季冻土区,该地区土体存在大量裂隙,具有明显的结构性。试验用土样取自吉林省镇赉县郊区草地,该地区土体为白土山组[10]。经室内试验测得浅层土体易溶盐总含量为0.451 5%,>0.3%,为盐渍土。在现场调查时,发现开挖深度越大,结构性越明显,土体颗粒分布极不均匀,具有明显的各向异性,且40 cm深度处易溶盐(碳酸盐)含量最高,故本文选取40 cm深度的盐渍土为试验对象。考虑到取样运输等外界客观因素对土样有一定程度的扰动,故定为扰动土样,此次所取样品的基本物理性质指标如表1所示。测定了可溶性离子的种类和含量,结果汇总于表2
表1 天然盐渍土的物理性质指标

Table 1 Physical properties index of saline soil

最大干密度/
(g·cm-3)
最优含水
率/%
塑性指数Ip 液限/% 塑限/% pH值 有机质含量/
(g·kg-1)
阳离子交换量/
(cmol·kg-1)
1.74 20 13.9 32.4 18.5 8.5 0.186 5.82
表2 盐渍土易溶盐含量测试结果

Table 2 Test results of soluble salt content of saline soil

可溶性离子 含量/% 可溶性离 含量/%
Na+ 0.099 9 S ${O}_{4}^{2-}$ 0.008 9
K+ 0.001 2 Cl- 0.014 1
Ca2+ 0.007 3 HC ${O}_{3}^{-}$ 0.192 9
Mg2+ 0.004 4 C ${O}_{3}^{2-}$ 0.000 0

1.2 试样制备

盐渍土的强度较弱,需要改良后才能应用在工程建设中。试验土样具有分散性,分散性土的分散机理主要是由于土中钠离子含量和酸碱度较高,导致土颗粒表面的双电层较厚,土颗粒间的引力较弱。
工程实践表明,石灰是一种较好的分散性土改性剂,能够增加分散性土的抗剪强度,加入石灰后其与土体通过阳离子交换作用等,可增强土颗粒间的黏聚力,从而提高土体强度。作为传统的无机固化材料,石灰绿色环保,故本文选取石灰作为外掺剂来研究改良盐渍土的性质。
试验选取固化剂掺量、养护天数和冻融循环次数作为影响因素。将风干土样碾碎后过2 mm筛,按照所需配比称取土、水、石灰的质量。首先采用喷壶将称好量的水均匀喷洒在土体表面上,将盛土容器密封好放入保湿器中静置24 h。然后将称好质量的石灰均匀拌入土中,制样时称取所需质量的土分层放入击实筒击实至直径为5 cm、高为10 cm的试样,用削样器将其削成直径为3.91 cm、高为8 cm的标准圆柱试样。最后将试样密封包好放入保湿器中养护到一定时间后进行不同次数的冻融循环。

1.3 试验方案

为了分析各层土样的粒度成分特征,按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[11]进行静水沉降和筛析试验。
无侧限抗压强度是反映固化有效性的关键指标。石灰掺量为9%的试样无侧限抗压强度低于石灰掺量为6%的试样,说明当石灰掺量>6%时改良效果开始降低,所以本试验不考虑石灰掺量>9%的情况。为控制变量,统一含水率为20%,含盐量为0.451 5%,压实度为90%,制备石灰掺量为3%、6%及9%的试样,养护后进行无侧限抗压强度试验。随着养护龄期的增长,石灰与土之间逐渐进行物理化学反应,石灰固化效果逐渐改变。相关试验研究[12]发现石灰固化效果在28 d后趋于稳定,故考虑7 d、28 d养护龄期对石灰固化盐渍土强度的影响。
(1)冻融循环试验。为研究冻融循环次数对固化盐渍土无侧限抗压强度的影响,采用天津市惠达试验仪器厂生产的TDRF-I型混凝土快速冻融试验装置进行冻融,设备温度精确度为0.1 ℃,最高控温为30 ℃,最低控温为-30 ℃,设定冻融循环冻结与融化温度,仪器可自行控制温度的升降,并且可以设定循环次数,达到规定的循环次数仪器自行暂停。根据镇赉地区的温度变化,选取-20 ℃作为试样的冻结温度,20 ℃为融化温度,分别冻结和融化3 h,冻融循环一个周期为6 h。根据已有学者的研究[10,13],冻融3~7次后土样强度基本没有大幅变化,故本文选取冻融循环次数分别为0、1、3、5、10、30、60次。
(2)无侧限抗压强度试验。对不同工况下的试样进行抗压强度试验。
(3)为了观察并对比不同条件下的盐渍土及固化盐渍土的微观结构,对试样进行扫描电镜测试。

2 试验结果与分析

2.1 颗粒分布曲线

通过筛析试验与静水沉降试验测定的试验土样粒度成分见图1。土样不同粒径的颗粒质量分数如表3所示,粉粒和胶粒占比高达90%左右。当加入分散剂六偏磷酸钠(NaPO3)6后,溶液中的Na+含量大大增加,胶粒含量明显增加而粉粒含量有所减少,砂粒、黏粒含量无明显变化。且根据规范计算得到试样的分散度D为89%,表明该试样具有较强的分散性。
图1 粒径累积分布曲线对比

Fig.1 Comparison of cumulative particle size distribution curves

表3 不同粒径的颗粒质量分数

Table 3 Mass fractions of particle with different sizes

颗粒分类 粒径/mm 颗粒质量分数/%
未加入分散剂 加入分散剂
胶粒 <0.002 37.21 42.45
黏粒 0.002~0.005 5.24 5.24
粉粒 0.005~0.075 49.54 44.30
砂粒 0.075~2 8.01 8.01

2.2 石灰掺量对无侧限抗压强度的影响

不同石灰掺量下试样的应力-应变曲线如图2所示。由图2可知,与素盐渍土相比,添加石灰后盐渍土无侧限抗压强度显著提高。素盐渍土破坏后有软化阶段,而不同石灰掺量下的固化盐渍土试样破坏均为脆性破坏,固化盐渍土达到峰值强度后直接破碎。如图3所示,素盐渍土破坏后的试样呈现明显裂隙,而固化盐渍土直接呈破碎状。取各应力-应变曲线的峰值强度为无侧限抗压强度,如表4所示,同一养护天数条件下,随着石灰掺量由3%增加到6%,试样的无侧限抗压强度变大,但当石灰掺量超过6%时,试样的强度开始降低,即随石灰掺量的增加,石灰固化盐渍土的无侧限抗压强度先增大后减小,石灰掺量为6%时出现峰值强度,6%是最佳的掺入比例。
图2 不同养护龄期和石灰掺量条件下固化盐渍土应力-应变曲线

Fig.2 Stress-strain curves of solidified saline soil with different curing ages and lime contents

图3 素盐渍土及石灰固化盐渍土破坏形式

Fig.3 Failure modes of plain saline soil and lime-solidified saline soil

表4 不同养护龄期和石灰掺量下盐渍土的无侧限抗压强度

Table 4 Unconfined compressive strengths of saline soil at different curing ages and lime contents

养护龄期/d 石灰掺量/% 无侧限抗压强度/kPa
3 356.96
7 6 526.09
9 403.27
3 429.41
28 6 835.01
9 541.23
石灰掺入试样后,石灰与土体发生反应产生的胶体部分包裹土颗粒形成粗大的团粒,部分进入并填充到团粒的孔隙中,提高其密实性,从而使土颗粒的联结更紧密,在宏观上表现为固化盐渍土试样的无侧限抗压强度增大[14]。当石灰掺量越多,包裹和填充的作用越充分,胶结作用越强,固化盐渍土试样的无侧限抗压强度越大[15]。但石灰和试样土体之间存在一个合适的比例关系,当石灰掺量>6%时,过量的石灰以“自由”的形式存在,破坏土中的胶结平衡,导致试样强度开始减小。因此,石灰加入土体能显著提高试样的无侧限抗压强度,改善试样的力学特性,但石灰加入比例不是越多越好,只有石灰加入比例适中时,石灰的加固作用才能得到最大限度发挥[16]

2.3 养护龄期对无侧限抗压强度的影响

不同养护龄期下的试验结果如图4所示,同一石灰掺量下固化盐渍土的无侧限抗压强度随着养护龄期的增加明显增大;不同石灰掺量的固化盐渍土强度增长幅度不同,石灰掺量为6%时固化盐渍土的强度增长幅度最大。
图4 不同养护龄期下石灰掺量与无侧限抗压强度的关系

Fig.4 Relationship between lime content and unconfined compressive strength at different curing ages

石灰掺加在试样中发生离子交换反应,会生成CaCO3和Ca(OH)2晶体,产生的胶体填充在试样团粒之间的孔隙中,增强土颗粒间的黏结力,使土颗粒更加牢固地黏结在一起,增加了试样的强度。反应速率和反应量会对试样的强度产生影响,前期进行反应的石灰量少,固化反应较少,试样的强度增长幅度不大,参与固化反应的石灰量随着养护龄期的增长而增加,固化盐渍土试样的无侧限抗压强度随养护龄期的增长而增大[17]图4表明石灰掺量为6%是最佳掺量,这是由于在石灰掺量为6%时,试样中既有足够的石灰进行固化反应,又没有过多的石灰处于自由态来破坏试样的粘结,从而保证固化盐渍土的强度最大。

2.4 冻融循环次数对无侧限抗压强度的影响

素盐渍土和石灰固化盐渍土在不同冻融循环次数下的应力-应变曲线如图5所示。未经历冻融的盐渍土在无侧限条件下的应力-应变曲线为应变软化型,呈现脆性破坏,冻融后的盐渍土有由应变软化向应变硬化转变的趋势。而固化盐渍土不受冻融的影响,在无侧限条件下的应力-应变曲线始终为应变软化型,呈现脆性破坏。
图5 不同冻融循环次数下的应力-应变曲线

Fig.5 Stress-strain curves under different freeze-thaw cycles

取各应力-应变曲线的峰值强度为无侧限抗压强度,无侧限抗压强度与冻融循环次数的关系如表5所示。固化盐渍土的强度显著大于素盐渍土,养护28 d时无侧限抗压强度达835.01 kPa,是未处理土的4倍以上,且在冻融循环增加时,两者的强度变化趋势基本一致,素盐渍土和固化盐渍土的无侧限抗压强度都随着冻融循环次数的增加逐渐降低。
表5 不同冻融循环次数下素盐渍土与固化盐渍土的无侧限抗压强度

Table 5 Unconfined compressive strength of plain saline soil and solidified saline soil under different freeze-thaw cycles

冻融循环
次数
素盐渍土无侧限
抗压强度/kPa
固化盐渍土无侧限
抗压强度/kPa
0 193.08 835.01
1 141.57 754.9
3 128.41 694.86
5 120.67 599.15
10 114.74 576.14
30 110.86 564.67
60 111.70 558.23

2.5 扫描电镜(SEM)试验结果

图6为放大400倍条件下冻融循环10次的素盐渍土及石灰固化盐渍土的SEM图像。两者对比可以看出,经历10次冻融循环后石灰固化盐渍土产生的裂隙较少,并且是微小裂隙及小孔隙,土样较完整,说明石灰的掺入增加了盐渍土的强度,提高盐渍土的抗冻能力,减少裂隙及大孔隙的产生[18]
图6 素盐渍土和固化盐渍土的SEM图像

Fig.6 SEM images of plain saline soil and solidified saline soil

图7为放大800倍条件下不同石灰掺量的盐渍土SEM图像。掺加6%石灰的盐渍土十分密实平整,而掺加9%石灰的盐渍土有过量石灰破坏土体的连结,使得裂隙和孔隙发育,因此密实度较掺加6%石灰的盐渍土差。
图7 石灰掺量6%和9%的固化盐渍土SEM图像

Fig.7 SEM images of solidified saline soil with 6% lime content and 9% lime content

3 冻融循环作用下固化盐渍土的损伤演化模型

3.1 土体冻融损伤模型的建立

经过冻融循环的土体内部存在裂隙,随着冻融循环次数的增加,冻土体内部会产生更多的无规则裂隙,冻土本身的力学性能也会不同程度降低。可以采用Weibull分布函数来描述岩土体内部的损伤规律,其概率密度函数为[19]
$P\left(F\right)=\frac{m}{{F}_{0}}(F/{F}_{0}{)}^{m-1}exp\left[(-F/{F}_{0}{)}^{m}\right]  。$
式中:mF0为Weibull分布参数;F为微元的强度。
根据损伤理论,固化盐渍土在单轴应力下的损伤模型可表示为[11]
$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{l}\sigma =E\epsilon  , 0\le \epsilon \le {\epsilon }_{a} ;\\ \sigma =E\epsilon exp\left[-\frac{1}{m}{\left(\frac{\epsilon }{{\epsilon }_{pk}}\right)}^{m}\right] , \epsilon \ge {\epsilon }_{a} 。\end{array}\right.\end{array}$
式中:σ为弹性阶段的应力;ε为弹性阶段的应变;E为弹性模量;εa为屈服应变;εpk为峰值应变。m取值按式(3)计算。
$m=1/ln\left(\frac{E{\epsilon }_{pk}}{{\sigma }_{pk}}\right) 。$
式中σpk为峰值应力。

3.2 模型的验证

构建的固化盐渍土损伤模型需确定的5个参数如表6所示。表6中弹性模量E取各应力-应变关系曲线的直线段斜率;εa取各应力-应变曲线弹性变形阶段终点对应的应变;通过固化盐渍土的应力-应变关系曲线可得出各冻融循环次数下固化盐渍土的峰值强度σpk及峰值强度对应的应变εpk;通过式(3)计算得到m值。
表6 固化盐渍土损伤模型参数取值

Table 6 Parameter values of damage model for solidified saline soil

冻融循环次数 E/kPa σpk/kPa εa/% εpk/% m
0 1 630.804 835.01 0.186 0.624 5.037
1 1 221.338 754.90 0.276 0.747 5.269
3 695.045 694.86 0.125 1.125 9.478
5 583.698 599.15 0.168 1.251 5.048
10 433.281 576.14 0.136 1.499 8.331
30 506.644 564.67 0.129 1.629 2.636
60 403.357 558.23 0.115 1.625 6.224
根据上述的模型参数计算并绘制冻融循环后固化盐渍土的应力-应变理论曲线,将其与试验曲线进行对比分析,见图8。在曲线初始阶段,由于模型取值问题,在屈服应变前的模型参数是按照线弹性计算的,导致模拟值与实测值有区别。模型曲线与试验曲线吻合度较高,两曲线所呈现的变化规律基本相同,均表现为先快速增长后平稳增加的趋势,说明所建立的损伤模型能够较为准确地反映固化盐渍土的应力-应变特性,且整体来看随着冻融循环次数的逐渐增加,模拟曲线与实测曲线吻合度提高,拟合效果良好。
图8 模型曲线与试验曲线对比

Fig.8 Comparison between model curves and test curves

4 结论

本文探究了不同因素对固化盐渍土无侧限抗压强度的影响,主要结论如下:
(1)固化盐渍土在无侧限条件下的应力-应变曲线与未经历冻融的盐渍土均为应变软化型,呈现脆性破坏。研究得出最优石灰掺量为6%,养护28 d时无侧限抗压强度可达835.01 kPa。
(2)无侧限抗压强度随试样冻融循环次数增加而降低,固化盐渍土的强度显著大于素盐渍土,二者随冻融循环次数的增加均呈现降低趋势。
(3)本文依据应变强度理论和Weibull分布函数模拟固化盐渍土在冻融循环作用下的应力-应变曲线,能充分反映冻融循环作用后固化盐渍土的应变软化特征。固化盐渍土的冻融循环次数越多,模型吻合程度越高。
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