季节冻土区水泥改良路基土的温缩性能研究

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2018.1203

季节冻土区水泥改良路基土的温缩性能研究

崔宏环^,¹^,², 刘卫涛^,², 张立群¹^,²

1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北张家口 075000

2.河北建筑工程学院，河北张家口 075000

Study on the temperature shrinkage property of cement modified embankment soil in seasonally frozen soil regions

CUI Honghuan^,¹^,², LIU Weitao^,², ZHANG Liqun¹^,²

1.Hebei Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Diagnosis，Reconstruction and Disaster Resistance，Zhangjiakou 075000，Hebei，China

2.Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering，Zhangjiakou 075000，Hebei，China

通讯作者: 刘卫涛，硕士研究生，主要从事季节冻土区路基路面工程稳定性与耐久性研究. E-mail： 1224676417@qq.com

编委: 武俊杰

收稿日期: 2018-11-29 修回日期: 2019-06-12

基金资助:

河北省教育厅自然科学重点项目. ZD2018101
张家口市科技与地震局指导项目. 1811009B-17

Received: 2018-11-29 Revised: 2019-06-12

作者简介 About authors

崔宏环，教授，主要从事冻土基本性质与路基路面工程本构模型研究.E-mail：cuihonghuan729@163.com , E-mail：cuihonghuan729@163.com

摘要

基于季节冻土区冻融循环条件，利用高低温交变试验箱与静态应变仪，进行了不同配比水泥改良路基土的温缩试验研究。结果表明：水泥改良土的温缩应变呈“螺旋式”变化，温缩应变随水泥掺量增加逐渐增加，初始温度循环对水泥改良土影响较大，经历三次温度循环后水泥土温缩应变特性已相当明显且变化规律趋于稳定，土体内部物化反应也达到平稳，但多次循环后掺量6%的水泥土内部反应机理较其他掺量不同，且对温度变化的敏感度较低，温缩应变与系数相对较小。在冀北地区，掺量6%水泥土可用作季节冻土区道路的基层或底基层，为水泥土在季节冻土区的应用提供了试验依据。

关键词： 季节冻土区 ; 水泥改良土 ; 温度循环 ; 温缩

Abstract

Based on freeze-thaw cycling conditions in seasonally frozen soil regions， a temperature shrinkage test of cement modified embankment soil with different cement mixing amount was carried out by using high-low temperature alternating test box and static strain gauges. The test results show that the temperature shrinkage strain of the cement modified soil changes in a screw-type， and the temperature shrinkage strain increases gradually with the increase of cement content. The initial temperature cycle has a great influence on the cement modified soil. After three temperature cycles， the temperature shrinkage strain characteristics of the cement modified soil is quite obvious with a stable changing tendency， and the physical and chemical reactions of the soil have also reached a screw-type stable level. However， the internal reaction mechanism of cement soil with 6% cement mixing amount after multiple cycles has low temperature sensitivity， different from other mixtures， and its temperature shrinkage strain and coefficient are relatively small. The 6% cement mixing amount studied in this paper can be used as the base or basement layer of roads in the seasonally frozen soil regions in northern Hebei Province， which would be useful for the application of cement soil in seasonally frozen soil regions.

Keywords： seasonally frozen soil regions ; cement modified soil ; temperature cycle ; temperature shrinkage

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本文引用格式

崔宏环, 刘卫涛, 张立群. 季节冻土区水泥改良路基土的温缩性能研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(1): 204-213 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2018.1203

CUI Honghuan, LIU Weitao, ZHANG Liqun. Study on the temperature shrinkage property of cement modified embankment soil in seasonally frozen soil regions[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021, 43(1): 204-213 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2018.1203

0 引言

我国季节冻土区分布在广大的东北、西北及华北地区，占我国国土面积的53.5%^［1-2］。季节冻土区土体因其低温、易变、温度敏感性高等特殊的工程性质，给道路带来严重影响，故此很多学者致力于季节冻土区公路路基冻害及其防治研究^［3-4］。张家口地区为典型季节冻土区，季节性冻融循环作用对公路工程质量的影响十分显著，路基土体的冬季冻结和春季融化，致使春融期路基强度降低，局部或全部失去承载力，从而降低路面使用质量。目前我国大都采用优良填料来提升路面使用质量，但是由于道路沿线优质填料的缺乏，其运输费用造成工程成本大幅增加，因此就地取材，使用固化剂改良土是十分行之有效的方法。

水泥稳定碎石这类半刚性材料作为一种散粒体材料具有较大的缺点，很容易在温度变化及水分散失时产生很大的收缩变形，进而会形成基层的收缩裂缝^［5］。在荷载及温度作用下，基层的裂缝会反射到沥青面层中，严重影响沥青面层的使用品质及寿命^［6］。目前国内外改良土的固化剂仍然以水泥、石灰、粉煤灰这些固化剂为主^［7］，王天亮等^［8］在冻融作用下水泥及石灰改良土静力特性研究中指出，在寒冬季节，气温下降造成路基土温度低于土壤水冰点，使得土层中孔隙水冻结成冰，体积膨胀；当气温回升至0 ℃以上时，土体便发生弱化且强度降低，产生诸如翻浆冒泥、沉陷滑塌、不均匀沉降以及失稳等现象，同时还在研究中表明水泥土的应力-应变关系为加工软化型，水泥土以脆性破坏为主。杨林等^［9］根据复合固结黏性土强度及抗裂性能的正交试验，对优化配比条件下的复合固结黏性土与传统石灰土的抗裂性能进行了对比分析，结果表明固结土的温度抗裂性能与干燥抗裂性能均优于传统的石灰稳定土。Sergeyev等^［10］得出水泥土是一种复杂的多相混合岩土材料，宏观上的工程特性都与内部微细结构的形态和变化密切相关。刘瑾等^［11］针对STW型生态土壤稳定剂改良黏性土的胀缩性进行了试验研究，得到STW型土壤稳定剂可以有效地改良黏性土的胀缩性，土颗粒粒径的大小、稳定剂的掺量对改良黏性土的胀缩性均有不同程度的影响。唐朝生等^［12］提出高温环境下，膨胀土的裂隙发育程度较低温环境高，存在明显的温度效应。孟福胜^［13］通过电石灰粉煤灰稳定土抗温缩性能试验得到：温度在30 ℃降到0 ℃之间时，温缩应变缓慢增加，增长速率也保持恒定。Kaniraj等^［14］通过对水泥和粉煤灰的混合加固淤泥土的配比试验研究，得出水泥和粉煤灰加固淤泥土的最佳掺量；穆乃亮等^［15］通过掺加不同剂量石灰对低液限粉质黏土进行改良试验研究，确定了既经济又满足工程需要的石灰掺量，并将其应用于现场施工，取得了良好效果。姚辉^［16］研究养护温度对水泥土强度影响，发现养护温度大于20 ℃时，水泥土微结构量化参数有相同的变化趋势，且变化较小。当低于10 ℃时，水泥土微结构量化参数与高于20 ℃时有明显差别。

姜蓉等^［17］通过混合料组成设计以及不同条件下的温度收缩系数和干燥收缩系数的测定等大量试验，对其强度及收缩特性进行了系统性的试验研究和分析，得出了在配比选用及收缩特性方面具有规律性和实用性的结论。于新等^［18］针对目前半刚性基层易出现温缩与干缩裂缝这一难题，试图从降低水泥剂量的角度来减少裂缝的产生，高温下的平均温缩系数要明显大于常温和低温。沙庆林^［19］认为半刚性基层仍会遭受到很低的负温度和很大的温度变化率的影响，半刚性基层产生了很多温缩裂缝，并促使沥青面层开裂，形成很多反射裂缝。杜文凤等^［20］测试了不同温度条件下，边界摩擦效应对土样缩裂过程与结果的影响；对产生裂隙的形态与数量进行定量化对比分析，提出了黏性土失水收缩产生裂隙的概念模型。周永祥等^［21］提出在温度变化过程中，除了热胀冷缩外，固化土内部盐析晶与水结冰，以及由此引起的液-固界面之间作用力的变化，也是引起其宏观体积收缩或膨胀的重要原因。马佳等^［22］设计了精确控制湿度的试验装置，在脱湿条件下对裂土进行试验研究，总结了裂缝出现、传播、扩展的规律。唐朝生等^［23］分析得到温度对黏性土表面裂缝节点个数、裂缝长度、裂缝条数、块区个数、块区的最可几面积、裂缝率和裂隙网络的分维数等参数有重要影响；块区面积分布函数的峰值随温度的升高而减小。崔宏环等^［24］以路基改良土作为研究对象，研究了其在冻融受载耦合条件下的损伤演化规律，建立了冻融受载损伤模型。王霄翔等^［25］得出超低温冻融循环后混凝土峰值应力降低，峰值应变随冻融循环次数的增加而增大。董慧等^［26］得到水泥土冻融前后应力应变曲线均呈应变软化型，试样呈脆性破坏。王天亮等^［27］提出经历3次冻融作用后，其临界动应力随冻融次数下降趋势变缓。

综上所述，对于水泥改良土，已有许多知名学者进行温度收缩试验但并未提出有关季节冻土区多次温度循环的温缩理论，由于在季节冻土区土体基层是脆性材料，在温度变化交替时易产生裂缝，该裂缝延伸到路基即形成“反射裂缝”，严重影响道路运营，这种裂缝将大大降低季节冻土区道路的使用寿命。

本试验基于季节冻土区反复高低温的气候特点，采用水泥固化剂来改良张家口地区粉质黏土，分析温度升高与降低时水泥土的收缩特性，通过高低温交变试验箱和DH3818静态应变仪联合测定水泥稳定土，研究经过高低温循环作用下水泥土的温缩性能，从而测得水泥土的多次温缩应变与温缩系数，从而找到水泥土温缩性能的规律，促进水泥改良路基粉质黏土在地基工程中的推广，以及水泥土材料在寒冷地区的进一步推广应用，为张家口地区道路交通建设提供相应的指导。

1 试验方案和材料

1.1　试验方案

本课题选用（2%、4%、6%、8%）四个水泥掺量，采用应变片法进行温度收缩性试验^［28］。试件为50 mm×50 mm×200 mm的小梁试件，标准养护7天后，放入温度为105 ℃烘干箱内烘12 h至质量不再发生变化，查阅气象资料可知张家口地区年均地表温度在40 ℃左右，最低温度-20 ℃左右。故此本试验温度变化区间为40～-20 ℃，设定6个温度级别，每个级别温差为10 ℃。

1.2　试验方法

（1）应变片法

参照《公路土工试验规程》^［29］对试件表面处理：温度补偿片表面平整，不需要表面处理，一组待测试件共用一个温度补偿标准件。当所有试件和温度补偿片上的应变片连接完毕后，分别将各自的引线接入静态应变仪（图1）。采用横向卧式将试件和温度补偿片一同放入设定好温度的高低温交变箱中（图2），试件底面垫置可滚动的光滑钢筋，启动试验控温程序，平衡应变仪各测试通道，开始读数并记录应变值，采用计算机控制自动读数并与试验控温程序相协调。

图1

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图1 DH3818静态应变仪

Fig.1 Photo showing the statical strain indicator DH3818

图2

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图2 试件横向卧式放置与整体连接

Fig.2 Photo showing the horizontal transverse placements and integral connection of the specimens

（2）温缩系数

α_{t} = ε_{i} / (t_{i} - t_{i - 1}) + β_{s}

（1）

式中：β_s为温度补偿标准件的线膨胀系数，β_s=0.30×10^-6~0.34×10^-6 ℃^-1。本文中均为陶瓷材料线膨胀系数，取相同值。

1.3　试验材料

张家口地区土质以低液限粉质黏土为主，本文试验中所用土样取自张家口实际工程张小线K5+750~K7+520延边路基土，张小线为冬奥会前张家口市升级改造项目之一，路线全长38.517 km，设计时速60 km⋅h^-1，路基宽度12 m，全线以二级公路标准建设。对试验土料进行了基本物理性能指标试验，包括筛分试验、液塑限试验、击实试验等。试验结果如图3~4所示。

图3

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图3 颗粒分析试验结果

Fig.3 Particle-size analysis test result

图4

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图4 土样塑性试验结果

Fig.4 Experimental relation between liquid limit w_L and plastic index I_p

通过上述试验得知土体液限w_L=30%，塑性指数I_p=12.5，位于图4中的CL区，所以可以确定土体为低液限粉质黏土。

1.4　试验温度循环

温度收缩是指在降温过程中固相、液相和气相三者相互作用产生的体积收缩。因为温度收缩主要由于温度引起的，为了准确了解改良土在试验中的温度变化，减小温度不准确产生的误差，本试验利用智能环境检测系统数据采集仪对改良土内部进行实时温度监测。

图5是水泥改良土温度随时间的变化情况，从中可知每个温度循环所需要的时间，第一次循环需要45.5 h，温度循环过程中40 ℃和-20 ℃中间不再需要恒温，所以之后的循环会减少3.5 h，仅需42 h。

图5

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图5 水泥改良粉质黏土温度随时间的变化

Fig.5 Temperature of the cement modified silty clay changing with time

2 水泥改良土的温缩规律

2.1　温缩应变特性

为了更好的模拟季节冻土区温度往复变化，本试验温缩特性研究共进行了6次温度循环，发现达到第三次温度循环后水泥改良土内部机理变化趋于稳定，有了明显的变化规律。为了节省篇幅，本文选取了第一个和第三个温度循环下温缩应变进行研究。

图6是水泥改良土第一个与第三个温度循环下的温缩应变，可知温缩应变均随着水泥掺量的增加逐渐增加，水泥改良土温度收缩应变在升温和降温过程中逐渐增大，在升温过程中温度收缩应变呈现“波峰”的变化趋势，在恒温阶段出现峰值，两侧温度时出现最小值；而在降温过程中呈现“凹谷”的变化趋势，恒温阶段处于谷底，两侧温度处于最大值。因为水泥改良土在升温和降温时内部孔隙发生不同的变化，导致不平衡式收缩；由于土体内部水的变化会改变土体孔隙的大小及均匀程度，但温度收缩应变随着温度循环次数的增加逐渐增加，并由此可知随着高低温交替的进行土体内部孔隙不断变化，均匀性也随之降低。

图6

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图6 水泥改良土温缩应变随温度的变化

Fig.6 Temperature shrinkage strain of the cement modified soil changing with temperature at the first （a） and the third （b） temperature cycles

根据第一个温度循环的试验数据，利用Origin软件拟合得到图7，数据呈现模型为Model：LogNormal2D。

图7

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图7 水泥改良土温缩应变随温度与掺量的变化

Fig.7 Temperature shrinkage strain of cement modified soil changing with temperature and cement mixing amount

Z = Z_{0} + B e x p [- \frac{{(l n \frac{X}{C})}^{2}}{2 D^{2}}] + E e x p [- \frac{{(l n \frac{Y}{F})}^{2}}{2 G^{2}}] + H e x p [- \frac{{(l n \frac{X}{C})}^{2}}{2 D^{2}} - \frac{{(l n \frac{Y}{F})}^{2}}{2 G^{2}}]

（2）

式中：Z为温缩应变；X为温度；Y为掺量。拟合度R²=0.916，其中Z₀=515.923，B=346.299，C=2.786×10¹¹，D=2.626×10¹⁸，E=1.088×10⁶，F=686.508，G=1.141，H=1.091×10⁶。

由图8（a）可知，各掺量下的水泥改良土累积温缩应变随着水泥掺量增加而增大，且均在第三个温度循环后趋于平稳，图8（b）中温度循环1~4次为降温时的温缩应变，5~8次为升温时的累积温缩应变，图8（c）中实线为降温时累积温缩应变，虚线为升温时的累积温缩应变。由图8（b）与（c）可得，降温时的累积温缩应变小于升温时的累积温缩应变，且温缩应变在3次温度循环后趋于稳定。其原因是土体在经过3次温度循环后，土体内部孔隙比基本不会再发生变化，体积收缩趋于温定。

图8

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图8 水泥改良土累积温缩应变随温度循环次数的变化

Fig.8 Cumulative temperature shrinkage strain of cement modified soil changing with number of temperature cycles

图9数据呈现模型为Model：LogisticCum。

Z = Z_{0} + \frac{B}{[1 + e x p (\frac{C - X}{D})] [1 + e x p (\frac{E - Y}{F})]}

（3）

式中：Z为温缩应变；X为温度循环次数；Y为掺量。拟合度R²=0.979，其中Z₀=1 357.418，B=1.195×10⁷，C=0.894，D=0.442，E=51.062，F=7.121。在给出掺量与温度循环次数情况下，此方程可预测累积温缩应变，以便更好地指导实际工程。

图9

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图9 水泥改良土累积温缩应变随温度循环次数与掺量的变化

Fig.9 Cumulative temperature shrinkage strain of cement modified soil changing with number of temperature cycles and cement mixing amount

2.2　温度与温缩系数

温缩应变可以通过数值大小直观得出反映土体的温缩性能，温缩系数则可以反映出土体对温度的敏感程度，进一步反映土体的温缩性能，本文为了进一步探究水泥改良土在升降温过程中的温缩性能，从6次试验中选取并计算了第一个循环升温阶段和第三个循环降温阶段的温缩系数进行研究。

由图10（a）可知，水泥改良土的温缩系数在中间温度阶段较为平缓，在两侧温度-20 ℃与40 ℃时较大，且40 ℃时的温缩系数大于-20 ℃时的温缩系数，水泥改良土的温缩系数在高温阶段（30~40 ℃）随着水泥掺量的增加而增大。

图10

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图10 水泥改良土温缩系数随温度的变化

Fig.10 Temperature shrinkage coefficient of cement modified soil changing with temperature at the temperature rising period of the first temperature cycle （a） and the temperature cooling period of the third temperature cycle （b）

从图10（b）中可得第三次温度循环降温时水泥改良土的温缩系数与第一次循环升温时的变化幅度不同，对比得出第一次温度循环对水泥改良土影响较大，但随温度循环次数的增加对水泥改良土影响变小。在温度变化作用下，掺量越大水泥土的温缩特性变化幅度越大，掺量小的水泥改良土温缩特性相较于稳定。

水泥改良土内部孔隙均匀性和水化反应由于高温和低温的作用发生了变化，因此在高温与低温阶段温缩系数变化较大，中间温度阶段较为平稳。依据水泥改良土的温缩特性并结合文献［28］得出，水泥改良土在经历冻融循环后，水泥掺量越大强度越高，可以得知在季节冻土区掺量6%的水泥改良粉质黏土性能较优。

2.3　温度循环次数与温缩系数

本试验对水泥土的温缩性能研究共进行了6次温度循环，由上述可知，土体内部机理变化在经过3次温度循环后趋于稳定，温缩特性已较为明显且变化规律趋于稳定。所以本文对前4次温度循环的温缩系数和循环次数的关系进行分析。

温度循环次数为在温度循环中到达某个温度时的次数，其中奇数次为降温时温缩系数，偶数为升温时温缩系数。本文针对季节冻土区水泥改良路基土的温缩性能进行研究，下面选择水泥土在极端温度40 ℃、-20 ℃与低温-10 ℃、常温20 ℃下温度循环次数与温缩系数之间关系进行分析。

图11（a）是40 ℃水泥土温度循环次数与温缩系数关系曲线，可得水泥土温缩系数随温度循环次数增加逐渐降低，初次到达时温缩系数最大，温缩系数随掺量增大逐渐增大，整体达到3次之后趋于稳定，此时水泥6%与2%的温缩系数持平且低于其他掺量。

图11

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图11 水泥改良土温缩系数随温度循环次数的变化

Fig.11 Temperature shrinkage coefficient of cement modified soil changing with number of temperature cycles for various cement mixing amount at 40 ℃ （a）， 20 ℃ （b）， -10 ℃ （c） and -20 ℃ （d）

图11（b）为20 ℃水泥土温度循环次数与温缩系数关系曲线，温缩系数在初次循环时较大，随后降低在第三次时升高之后趋于平缓，升温阶段的温缩系数小于降温时的温缩系数，与图（a）对比得知，20 ℃水泥改良土温缩系数整体小于40 ℃时的温缩系数，掺量8%的水泥改良土温缩系数由40 ℃的最大值变为小于掺量4%、6%的温缩系数。这是由于土体内部由于高温影响导致结合水散失水分减少，多次循环后土体内部疏松形成微裂缝，从而改变土体内部结构与机理，因此出现反常的温缩系数变化。

图11（c）为-10 ℃水泥土温度循环次数与温缩系数关系曲线，发现到达-10 ℃后只有掺量2%的温缩系数依然保持与40 ℃、20 ℃时的温缩系数相同趋势，在温度循环次数第一次时温缩系数较大，而其他掺量温缩系数均已接近稳定维持在0~8×10^-6 ℃^-1之间，可见随温度降低温缩系数逐渐降低。

图11（d）为-20 ℃水泥土温度循环次数与温缩系数关系曲线，由于-20 ℃处于端点且温度从40 ℃降低循环，所以只有四次循环次数。发现掺量4%与6%水泥土的温缩系数初次较高而后较小，掺量6%低于2%的温缩系数。掺量8%的水泥土温缩系数则在一直增加，可得在低温环境中温缩系数略大于正温。

由图11可知，温缩系数在第一次温度循环次数时最大，温缩系数随掺量增大逐渐增大，其中通过图11（b）与（c）可得：掺量4%与6%水泥土温缩系数从奇数降温时的升高转变为偶数升温时的提高，说明温度对水泥土的温缩性能影响较大。在40 ℃与-20 ℃极端温度下，水泥掺量2%与6%改良土的温缩系数低于其他掺量，呈现出良好的温缩稳定性。由于多次温度循环后水泥土干密度和含水率变化较小，孔隙率相近，对水泥土骨架结构的损伤程度加强但幅度变小，故随着温度循环次数的增加，水泥土的温缩性能逐渐趋于稳定。

通过上述分析可得出掺量6%的水泥改良土温缩性能较优，下面对掺量6%水泥土的温缩特性进行分析。

由图12可知，掺量6%的水泥改良土温缩系数峰值在第三次温度循环下的30 ℃时取得，掺量6%的水泥改良土在0 ℃时的温缩系数小于正温度阶段的温缩系数，水泥改良土温缩系数随着温度降低逐渐减小。由于温度循环尤其是在负温影响下，水泥改良土内部水冰之间的相互转化破坏了其原有结构，微裂缝逐渐积累扩张，致使上述结果发生。

图12

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图12 掺量6%水泥改良土温缩系数随温度循环次数与温度变化的三维云图

Fig.12 The 3-D cloud map showing temperature shrinkage coefficient of cement modified soil with cement mixing amount of 6%， changing with number of temperature cycles and temperature

水泥改良土初始的结合水膜较厚，土体的黏聚力低、内摩擦力小，所以水泥改良土初始温度循环时温缩应变与温缩系数变化较大。由于温度循环在密闭的系统中进行，土体没有水分补给，使得这种破坏效应虽然逐渐增强但速率反而逐渐减弱。水泥改良土经过多次温度循环后孔隙率逐渐接近，所以水泥改良土随着温度循环次数的增加温缩特性逐渐趋于平稳。

3 结论

不同水泥掺入量的水泥土温缩性不同，从温缩应变、温缩系数和温度循环次数三个角度分析水泥土的温缩性能，得出以下主要结论：

（1）水泥改良土在第一个温度循环过程中，温缩应变展现出倒置的“塔”形变化趋势，随着水泥掺量的增加逐渐增大，且在升温和降温往复过程中逐渐上升。在第三次温度循环时，土体内部孔隙出现之前相似的变化，温缩应变降温和升温过程中分别出现“凹谷”变化和“凹谷”变化。

（2）水泥改良土的温缩应变与温缩系数均随掺量增大而增大，水泥土掺量2%与6%温缩系数在低温区间较小。因此在高低温多次循环的季节冻土区，掺量2%与6%的水泥土在温缩性能上表现较优，结合力学特性和温缩特性综合考虑，水泥掺量在6%时改良季节冻土区的粉质黏土有较好的的适用性，对道路交通建设具有指导意义。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

Chen

Xiaobai

， Liu

Jiankun

， Liu

Hongxu

， et al. Freezing action of soil and foundation［M］. Beijing： Science Press， 2011： 10-15.