我国广泛分布着季节性冻土，土体中孔隙水会随季节气温变化而冻结或融化[1]。冻融循环作用与土体的反复加载卸载类似，可能导致土体产生裂缝，影响其动力特性[2]。国内外学者对不同种类土体动力特性受冻融循环的影响展开了一系列研究。王清[3]对石灰改良黏土的动力特性开展研究，结果表明，其动弹性模量随冻融循环次数增加而降低。CUI等[4]的研究说明：随着冻融循环次数的增大，盐渍土的动剪切模量减小，而阻尼比则增大。另有一些研究表明，黄土动弹性模量随冻融循环次数增加而降低，而阻尼比随冻融循环次数增加而增大[5]；淤泥动剪切模量随冻融循环次数增加显著降低[2]。纤维与水泥的掺入可以有效提高土体的抗冻融能力：孙爽[6]采用玄武岩纤维和水泥改良粉砂土，随着冻融循环次数增加，改良粉砂土的骨干曲线趋于平缓，动弹性模量呈指数递减。KRAVCHENKO[7]探究冻融循环条件下聚丙烯纤维和玄武岩纤维对水泥改良粉质黏土动力特性的改良作用，2种纤维的掺入大幅提高改良土的动强度与动弹性模量，且显著提高改良土抵抗冻融循环破坏的能力。风积沙广泛分布在我国西北地区，属于C3填料，不能直接用作铁路路基填料[8]。有学者采用纤维和水泥对风积沙进行改良，并对改良风积沙的力学特性开展研究。玄武岩纤维水泥改良风积沙的劈裂抗拉强度随冻融循环次数增加呈指数递减，随纤维掺量增加呈抛物线函数增大[9]；聚丙烯纤维水泥改良风积沙的劈裂抗拉强度随纤维掺量增加而增大，纤维最优掺量为8‰[10]；水泥与聚丙烯纤维的掺入增大了风积沙的劈裂抗拉强度，水泥掺量、纤维长度、纤维掺量的影响程度依次递减[11]。肖惠茹等[12]对聚丙烯纤维水泥改良风积沙展开静三轴试验，随着纤维掺量增大，试样内聚力线性增大，而内摩擦角则减小。综上所述，对冻融循环作用下土体动力特性研究较多，纤维水泥改良风积沙的静力特性也有相关研究，但冻融循环对纤维水泥改良风积沙动力特性影响的研究鲜有报道。在我国西部沙漠地区等缺乏优良填料的地方，改良风积沙作为铁路路基填料具有广阔的应用前景。因此，开展纤维水泥改良风积沙动力特性试验，研究冻融循环次数与纤维掺量对水泥改良风积沙动力特性影响是有必要的。
1 试验
1.1 试验材料
试验采用的风积沙取自中国新疆和若(和田—若羌)铁路区域，其内摩擦角为27.4°，最大干密度为1.61 g/cm3，最优含水率为12.5%[9]，颗粒分布曲线见图1。试验采用水泥为华新水泥股份有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥。试验采用的玄武岩纤维如图2所示，抗拉强度为3.5～4 GPa，导热系数为21.4 W/(m∙K)，长度为6 mm，直径为12～14 μm。
1.2 试验方案
1.2.1 冻融循环试验方案
水泥改良风积沙试样的水泥掺量为5%，含水率为最优含水率13.5%，最大干密度为1.74 g/cm3，压实系数为0.95[13]。将未掺纤维的水泥改良风积沙试样作为对照组，玄武岩纤维水泥改良风积沙试样的纤维掺量取最优掺量0.8%[9]，每组6个平行试样。在标准养护条件下养护28 d后，进行冻融循环试验。冻结温度-20 ℃，融化温度20 ℃，单次冻融循环冻结时间、融化时间均为12 h。冻融循环次数为1、3、6、10、15次。
1.2.2 动三轴试验方案
达到设定冻融循环次数后，进行动三轴试验，循环动应力波形为正弦波，加载模式见图3。动应力幅值为275、300、325、350和375 kPa，即对应动应力中值为157.5、170、182.5、195和207.5 kPa。重载铁路路基基床表层填料所受围压约为10～30 kPa，因此将围压设置为20 kPa。考虑和若铁路行车振动频率多为0.95～1.59 Hz[14]，试验振动频率取1 Hz。
1.3 试样制备
按照试验方案，称取烘干风积沙、水泥、玄武岩纤维。将风积沙和水泥搅拌均匀后，加入纤维，再次搅拌均匀后加水并拌和均匀，得到纤维水泥改良风积沙混合料。称取混合料，采用锤击法制成直径为39.1 mm、高度为80 mm的圆柱体试样。脱模后在标准养护条件下养护28 d。
1.4 试验流程
冻融循环试验采用高低温交变湿热试验箱，冻结路径为三向冻结，冻结方式为无外界补给水。冻融循环前将试样装入塑料袋进行密封处理。动三轴试验仪器采用SDT-10电动伺服土动三轴试验机。试验流程见图4。
2 试验结果及分析
2.1 纤维水泥改良风积沙骨干曲线
纤维掺量为0.8%、冻融循环1次的纤维水泥改良风积沙试样的部分滞回曲线见图5。将试验所得不同动应力幅值下滞回曲线的滞回圈顶点相连，得到试样骨干曲线，见图6和图7。
纤维水泥改良风积沙骨干曲线主要呈现2个阶段：在动应变较小时，应力随应变近似直线增加，该阶段主要处于弹性变化状态；当应变较大时，应力随应变变化呈非线性增加趋势，且增加速率逐渐减小。这是因为随着应力增大，土体内部会产生损伤，导致纤维水泥改良风积沙抵抗变形能力减弱。
在相同加载条件下，随着冻融循环次数增加，土体达到相同动应变所需动应力呈减小趋势，这是因为冻融循环对土体内部结构产生了不利影响，试样内部结构损伤，导致土体强度降低[15]。掺入纤维后，冻融循环次数为15次的试样在相同动应变下动应力小于未冻融循环试样。孙爽[6]的试验结果表明，玄武岩纤维水泥改良粉砂土的骨干曲线随冻融循环次数增加而趋于平缓；王丹等[16]的试验结果表明冻土在荷载反复作用下产生某一指应变时所需的动应力随冻融循环次数增加而降低。本文所得结果与两者所得规律一致。
为定量描述试样骨干曲线的变化规律，采用修正H-D模型描述土的非线性动力特性，公式如下：
式中：σd为动应力，kPa；εd为动应变，%；a、b、c这3个系数的取值分别与Nf、σd、εd相关。
采用修正H-D模型对试样骨干曲线进行拟合，见表1。
| 未掺纤维试样冻融循环次数 | 拟合曲线 | 相关系数R |
|---|---|---|
| 0 |  | 0.976 |
| 1 |  | 0.925 |
| 3 |  | 0.998 |
| 6 |  | 0.934 |
| 10 |  | 0.998 |
| 15 |  | 0.989 |
| 掺入纤维试样冻融循环次数 | 拟合曲线 | 相关系数R |
| 0 |  | 0.991 |
| 1 |  | 0.955 |
| 3 |  | 0.966 |
| 6 |  | 0.905 |
| 10 |  | 0.982 |
| 15 |  | 0.958 |
表中相关系数最小值为0.905，模型拟合结果较好。由拟合结果计算发现，在冻融循环1、3、6、10、15次条件下，掺入纤维后试样骨干曲线的动应变达到0.08%时对应的动应力比未掺入纤维试样大18.08%、9.90%、9.75%、22.57%、24.74%，即纤维的掺入有效改善了水泥改良风积沙的动应力-动应变性能，提高了试样的抗冻融能力。这是因为纤维可以抑制冻胀力导致土体内部裂缝的形成和延展，并填充土体中的空隙，阻塞了部分孔隙水的渗流[17]。
2.2 纤维水泥改良风积沙动弹性模量影响因素分析
2.2.1 冻融循环次数对动弹性模量影响
动弹性模量Ed可反映动荷载作用下应变对激振力的响应，能够有效分析在动荷载条件下动应变对于动应力的反应敏感度。按照文献[18]计算方法，得到不同冻融循环次数下试样的动弹性模量，见图8。
纤维水泥改良风积沙试样动弹性模量随冻融循环次数递增而逐渐降低，降低速率随冻融循环次数增大而减小。采用指数函数拟合纤维水泥改良风积沙试样动弹性模量变化规律，相关系数为0.917，拟合效果较好。纤维水泥改良风积沙试样动弹性模量经历1、3、6、10、15次冻融循环后减少了6.7%、11.3%、17.3%、17.9%、19.8%。这是因为试样内部孔隙水会受冻胀作用结冰膨胀，对土体骨架产生膨胀力，从而在试样内部产生孔隙和裂缝[19]。在冻融循环初期，土体结构较为密实，孔隙率增长较快，动弹性模量下降速率较快；而经历多次冻融循环后，土体间孔隙扩张，冻胀对土体结构影响逐渐减小，冻融循环对试样微观结构的破坏随之减缓。刘泽群[20]试验表明，黄泛区粉土动弹性模量随冻融循环次数增大呈指数函数减小，本文所得结果与其所得规律一致。由图8及拟合公式，纤维水泥改良风积沙试样的动弹性模量在冻融循环次数大于15次后趋于稳定，最终收敛于Ed=144.65 MPa。将纤维水泥改良风积沙用作季冻区铁路路基填料时，可将144.65 MPa作为动弹性模量取值依据。
2.2.2 纤维掺量对动弹性模量影响
未冻融循环时，掺入纤维对试样的动弹性模量影响较小，掺入纤维使水泥改良风积沙试样的动弹性模量提高了1.08%。而冻融循环1、3、6、10、15次时，玄武岩纤维水泥改良风积沙试样的动弹性模量比未掺入纤维试样的动弹性模量高6.74%、5.52%、4.18%、8.91%、9.65%，这表明纤维掺入提高了试样的抗冻融循环能力。这是因为纤维与土体结构之间存在胶结作用，这种胶结作用能够传递挤压力，从而有效抵抗冻融循环等外部因素对土体的不良影响，减缓冻融循环对土体的破坏[21]。
2.3 纤维水泥改良风积沙阻尼比影响因素分析
2.3.1 冻融循环次数对阻尼比影响
阻尼指物体在振动过程中振动体系能量随时间耗散的现象，阻尼比λ常用于量化描述土的阻尼大小，反映土体在循环加载过程中的耗能能力。采用文献[22]计算方法，求得不同冻融循环次数下试样的阻尼比，见图10。
纤维水泥改良风积沙阻尼比与冻融循环次数大致呈线性相关，线性拟合的相关系数为0.931，拟合效果较好，结果见图10，工程中可采用该公式估算纤维水泥改良风积沙阻尼比。冻融循环1、3、6、10、15次的纤维水泥改良风积沙试样阻尼比相较于未冻融时增大0.2%、10.5%、14.5%、30.4%、32.2%。这是因为反复冻融后土体骨架结构发生改变，微观孔隙增多，试样内部结构变得疏松，动应力波传播的能量耗散增多，导致阻尼比增大。CHEN等[23]对粉煤灰和聚丙烯纤维改良黄土进行动三轴试验，结果表明改良黄土阻尼比随冻融循环次数增加而增大，本文所得结果与其一致。
2.3.2 纤维掺量对阻尼比影响
由图10可知，掺入纤维后，水泥改良风积沙阻尼比显著减小。未冻融时掺入纤维使水泥改良风积沙减少了11.2%。而冻融循环1、3、6、10、15次，纤维水泥改良风积沙试样的阻尼比较未掺入纤维试样分别减少了13.9%、8.9%、19.7%、15.9%、22.8%。这是因为纤维的掺入使土颗粒间黏结力增大，提高了土骨架的稳定性和整体性，使试样破坏时土体能量耗散降低，阻尼比减小。当冻融循环次数为15次时，水泥改良风积沙阻尼较未冻融前增大了52.2%，而掺入纤维试样的阻尼较未冻融时只增大了39.9%，这说明纤维掺入能有效抑制冻融循环对阻尼比的影响。
3 结论
1) 冻融循环条件下，纤维水泥改良风积沙试样骨干曲线符合修正H-D模型，骨干曲线随冻融循环次数增加趋于平缓。相较于未掺纤维试样，掺入纤维后试样骨干曲线的动应变达到0.08%时，对应的动应力增大18.08%～24.74%。
2) 随着冻融循环次数增加，纤维水泥改良风积沙试样的动弹性模量呈指数递减，冻融循环15次试样动弹性模量减少19.8%。玄武岩纤维的掺入使水泥改良风积沙试样的动弹性模量增大4.18%～9.65%。
3) 纤维水泥改良风积沙试样的阻尼比随冻融循环次数增加近似线性增大，冻融循环15次试样阻尼比较未冻融的增大32.2%。在冻融循环条件下，相较于未掺纤维试样，纤维水泥改良风积沙试样的阻尼比减少8.9%～22.8%。
本研究仅考虑了一种纤维掺量，后续将开展进一步的研究，讨论不同纤维掺量对纤维水泥改良风积沙试样动力特性的影响，确定玄武岩纤维的最优掺量。
阮波,沈一凡,张向京等.冻融循环下纤维水泥改良风积沙动力特性研究[J].铁道科学与工程学报,2025,22(04):1614-1621.
RUAN Bo,SHEN Yifan,ZHANG Xiangjing,et al.The effects of freeze-thaw cycle on the dynamic characteristics of cemented aeolian sand reinforced with basalt fiber[J].Journal of Railway Science and Engineering,2025,22(04):1614-1621.