0 引言

近年来，以石灰土作为路基填筑材料，改善了单纯素土的力学性能，尤其是在提高素土的抗压强度方面具有难以替代的经济和技术优势，因此石灰土作为一种优良的路基材料，已经广泛应用在高等级公路路基的施工中^[1]。通过对寒冷地区十几条高等级公路石灰土基层路面裂缝的相关调查发现，相对行车带路面而言，路肩部位裂缝严重，给行车安全带来隐患。寒区公路路肩裂缝的产生主要由于路肩外部土质边坡容易渗入雨、雪水，含水率相对基层内部较大，随着气温降低，路肩基层下部发生冻结，向上隆起，逐渐带动路面发生开裂引起冻胀。

之前不少学者在土体含盐量与结冰温度相关方面做了一定深度的研究。柴寿喜、杨宝珠等通过对滨海盐渍土进行三轴固结不排水试验得到，石灰固化土的黏聚力与内摩擦角随着含盐量的增加，会发生一系列改变导致抗剪强度降低^[2]。邴慧、马巍指出在含水率与含盐量相同的条件下，砂性土的结冰温度高于黏性土，并且随着含水率的增加，颗粒之间对结冰温度影响的差异降低^[3]。崔广心、杨维好认为在外荷载与含盐量的交替作用下，外荷载变化趋势与结冰温度服从克拉柏龙方程，并且含盐量对结冰温度影响程度符合溶液结冰温度降低规律^[4]。李毅、崔广心等指出黏土的结冰温度随外荷载的增加线性降低，并且黏土的含水饱和度对于结冰温度影响甚微，与湿砂完全不同^[5]。

虽然一些学者在土体含盐量与结冰温度方面做了一定的研究，但是大多数都是集中在盐渍土、砂土方面的研究，真正基于不同含盐量对路肩石灰土基层结冰温度的系统研究还是零星的^[3]。在雨雪量较大地区，路肩下部石灰土基层会受到含水率与负温的双重影响。含盐量的适当增加，能够在满足其抗压强度的基础上达到降低土体结冰温度的效果。本文研究了合肥-淮安高速公路(合淮高速)田家庵段两侧路肩石灰土无侧限抗压强度与结冰温度的关系，研究结果可为寒冷地区高等级公路路肩石灰土基层结冰温度的控制提供技术支持。

1 试验内容 1.1 试验仪器

无侧限抗压强度试验采用WTD-100冻土压力试验机，试验机具有多种应力、应变、温度控制模式。试验机施加荷载调节范围：0.1~1.0 MPa/s, 最大荷载施加等级20 kN。试验箱温度可调节范围：-30~+150 ℃，控制精度可达到±0.1 ℃，制冷材料为氟利昂，如图 1所示。

测温仪器采用TC-3010结冰温度测定仪，温度可调节范围：0~-15 ℃，控制精度可达到±0.1 ℃，制冷材料为高纯度工业酒精，如图 2所示。

1.2 试样制备及方法

本次试验所取的土样来自合淮高速田家庵段，将土样进行洗盐成为素土，参照试验规程^[6]制作一定试样，对洗盐之后的土样进行相关的指标试验，得到素土部分物理性质指标，如表 1所示，试验所用石灰采用优质生石灰粉。本次试样确定掺灰比为3%^[7]。含水率分别为8%，11%，14%，17%^[8]。

按照含水率为8%，11%，14%，17%，将试样分为4组，每组土样配成掺灰比为3%的石灰土，将不同含水率下的每组石灰土样掺入一定氯化钠，使其含盐量(质量比)分别达到0.5%，1.5%，2.5%，3.5%。将部分土样制作成直径50 mm, 高度100 mm的无侧限抗压强度标准圆柱试样。将配置好的每组土样依次放入到结冰温度测定仪中，调至温度至-9 ℃，测试其结冰温度。由于石灰土的无侧限抗压强度随着养护周期的增长而增加，所以需要将制作好的石灰土圆柱试样标准养护7 d，待石灰土固结稳定之后，对其进行无侧限抗压强度试验。为了减少试验误差对本次试验的影响，在进行无侧限抗压强度与结冰温度测试的每一组试验时，对应于不同的含水率与含盐量，进行5个平行试验，所以每一组试验进行了20个试样的试验，两种试验共进行了160个试样的试验，去除每组平行试样中结果波动较大者^[9]。另外，要进行素石灰土(未洗盐)无侧限抗压强度与结冰温度的对照试验，通过计算机数据软件可以得到石灰土不同含水率下无侧限抗压强度、结冰温度与含盐量的相关试验数据。

2 试验结果及分析

按照含水率为8%, 11%, 14%, 17%与含盐量为0.5%, 1.5%, 2.5%, 3.5%进行的无侧限抗压强度试验与结冰温度试验，得到相关数据结果，每组对应下的结果取其均值，如表 2、表 3所示；由均值得到相应数据曲线，如图 5、图 6所示；素石灰土对照试验数据结果如表 4所示。

2.1 无侧限抗压强度试验分析

根据表 1数据均值绘出不同含水率下无侧限抗压强度-含盐量曲线，如图 4所示。由表 1、图 4可知，对应于不同含水率，从曲线整体走势上可以看出，随着含盐量的逐步增加，石灰土的无侧限抗压强度在平稳降低，并且含盐量越高，强度下降越快，主要因为氯化钠结晶形成了大颗粒，盐胀作用导致产生一些微小裂痕，并且含盐量越高，石灰土的吸湿软化越严重^[2]。固定含盐量时，含水率低于14.5%，石灰土无侧限抗压强度随着含水率的增加而缓慢增长，含水率超过14.5%，石灰土无侧限抗压强度随着含水率的增加而迅速降低。

对应于不同含水率，含盐量从0.5%增到3.5%，无侧限抗压强度波动范围达到0.12~0.14 MPa；对应于不同含盐量，含水率从8%升到17%，无侧限抗压强度变化范围达到0.21~0.23 MPa，相对含盐量，含水率对石灰土无侧限抗压强度影响程度较大，尤其是高含水率，较高含水率使得土颗粒之间的内摩擦角变小，颗粒与颗粒之间滑动摩擦强度和咬合摩擦强度降低，并且颗粒与颗粒之间各种分子引力、化学键等减弱，使其黏聚强度降低^[10]，导致其无侧限抗压强度下降较快。

2.2 结冰温度试验分析

根据表 3数据均值绘出不同含水率下结冰温度-含盐量曲线，如图 5所示。由表 3、图 5可知，从整体来看，对应于不同含水率，结冰温度随含盐量增加逐渐降低，并且含盐量越高，结冰温度下降越快，因为在土水体系中，由于易溶盐的加入，土中作用力发生了变化，它不仅受到土颗粒表面的吸附作用，而且还受到易溶盐胶结作用，离子吸附、置换和扩散等作用的影响，并且使得土颗粒所吸附水分的能力增强，土水势降低，较高含盐量土体的土水势小于较低含盐量土体的土水势。因此，随着含盐量的增加，土中自由水达到冻结状态需要更多的低温才能逃脱水势的束缚，势必造成土体的冻结温度降低^[11]。

对应于不同含水率，含盐量从0.5%增到3.5%，结冰温度变化范围为-1.71~-3.26 ℃；对应于不同含盐量，含水率从8%升到17%，结冰温度变化范围为-1.82~-3.02 ℃。相比较而言，低含盐量下，结冰温度主要受含水率影响，高含盐量下，尤其当含盐量超过2.5%，结冰温度的变化幅度明显增大，并且不同含水率石灰土之间的结冰温度差值越来越大，此时含盐量在石灰土结冰温度影响程度方面占据主导因素。

2.3 结冰温度与无侧限抗压强度的结合分析

当石灰土含水率处于13.5%~14.5%，无侧限抗压强度处于较高水平，素石灰土较0.5%含盐量石灰土强度降低1.2%~1.5%，影响程度甚微；当石灰土中含盐量为1.5%~1.9%时，结冰温度为-3.2~-4.4 ℃，素石灰土结冰温度为-2.5~-3.0 ℃，无侧限抗压强度降低6.2%~6.9%。由试验规程^{[6, 12]}相关计算公式与标准可知，含盐量为1.5%~1.9%的石灰土，在含水率为13.5%~14.5%的条件下，能够满足石灰土路基抗压强度要求。这说明盐分的适当增加在一定程度上能够缓解路肩石灰土基层的结冰程度，有效降低路肩石灰土基层冻胀病害发生的可能性。

由图 4、图 5分别可以得到不同含水率下石灰土含盐量与无侧限抗压强度、结冰温度的函数模型(1)、(2)，且分别近似符合二次多项式函数模型、线性函数模型：

(1)

(2)

式中，P为单轴无侧限抗压强度；T为结冰温度；m为含盐量；a₀，a₁，a₂，e₀，e₁为方程系数。

分别式(1)中的系数a₀，a₁，a₂与式(2)中的系数e₀，e₁进行回归分析，分析结果如表 5所示。

式(1)、(2)分别表示石灰土含盐量与无侧限抗压强度、结冰温度的关系，但是式中看不出含水率对其抗压强度、温度的影响，如下分析将含水率因素考虑其中。由表 5可以看出a₀, a₁, a₂，e₀, e₁与石灰土含水率存在一定关系，分别表示为f(a₀，a₁，a₂)=bw²+cw+d, f(e₀，e₁)=e₀w+ e₁，代入到式(1)、(2)中得到式(3)、(4)，其中，w为含水率，a₀，a₁，a₂，e₀，e₁均为参数。

(3)

(4)

将表 5回归分析所得参数结果代入式(3)、(4)，分别得到石灰土以含盐量、含水率为变量的无侧限抗压强度预报方程(5)与结冰温度预报方程(6)，预报方程在一定程度上可以对路肩石灰土基层含盐量的添加提供一定的技术参考。

(5)

(6)

3 结论

通过对合淮高速公路田家庵段两侧石灰土试样在不同含水率与含盐量条件下进行结冰温度与无侧限抗压强度试验，得出以下结论：

(1) 对应于不同的含水率，基层石灰土无侧限抗压强度随含盐量增加近似成二次多项式函数模型减小，含盐量越高无侧限抗压强度降幅越大。与含盐量比较而言，高含水率对石灰土无侧限抗压强度影响程度格外明显。

(2) 不同含水率下的石灰土结冰温度随含盐量增加近似成线性函数模型增长，低含盐量下，结冰温度主要受含水率的影响；高含盐量下，尤其当含盐量超过2.5%，结冰温度迅速降低，含盐量在石灰土结冰温度方面占主导因素。

(3) 基于不同的含盐量与含水率，建立了石灰土无侧限抗压强度与结冰温度预报方程，当石灰土含盐量在1.5%~1.9%，含水率为13.5%~14.5%时，石灰土抗压强度满足要求，结冰温度相比素石灰土明显降低，对无侧限抗压强度影响程度较低，说明石灰土中盐分的适当添加在一定程度上，对缓解石灰土基层的结冰程度与降低路肩石灰土冻胀病害的发生具有一定的指导意义。