西部地区(如青海、新疆及西藏等)广泛分布着粗细颗粒混合土。基于就地取材和节省工程造价等原则，该类型混合土常被用作西部地区高速公路路基填料。路基填筑过程中填料的压实特性与现场碾压施工的容易程度密切相关，为此亟需开展粗细颗粒混合土的压实特性研究。

碾压施工后粗细颗粒混合土的强度关乎着路基服役性能，为此其强度特性亦是关注的焦点^[1-8]。西部地区(青海、新疆及西藏等)海拔较高，冻融作用非常强烈，其会劣化混合土强度，因此有学者开展了冻融作用下粗细颗粒混合土的强度特性研究。朱磊等^[9]通过试验发现冻融作用下粗细颗粒混合土的强度劣化与冻融时间相关：随着冻融次数增加，混合土剪切强度先增加而后减小。Xing等^[10]开展了冻融前后粗细颗粒混合土的剪切试验。结果表明随着冻融的进行，混合土的剪切强度和模量均逐步降低。李刚等^[11]通过试验发现混合土的剪切强度与冻融次数之间并不是单一线性关系，而是随冻融循环次数增加呈现先减小后增大再减小的规律。关于这种试验结果，李刚等^[11]和Tang等^[12]从冻融诱发的孔隙率与孔隙分形维数变化对其进行了解释。以上论述表明冻融作用下粗细颗粒混合土的强度劣化规律目前并不统一，尚需后续深入研究。

基于以上背景，本研究拟采用击实试验研究不同粗细颗粒掺量下混合土的压实特性。基于击实试验确定的最优含水率和最大干密度，拟制备不同粗细颗粒掺量的混合土试样，而后开展不同冻融次数下的无侧限抗压试验，以研究冻融作用下混合土强度劣化规律。最后，拟开展了核磁共振(NMR)和CT扫描试验，以阐明劣化机理。

西部地区广泛分布着粗细颗粒混合土，本研究仅以青海地区的混合土为研究对象，其取自青海某高速公路标段。取回后对其进行过筛(孔径分别为0.075 mm和2 mm)，以获取混合土中细颗粒(简写为F；粒径小于0.075 mm)和粗颗粒(简写为C；粒径位于0.075~2 mm)。由于现场混合土中粗颗粒粒径绝大部分位于0.075~2 mm范围内，因而本次试验中选用了该粒径范围的粗颗粒材料。

表 1给出了粗细颗粒的物理参数。试验中采用联合测定仪测试细颗粒液限和塑限^[13]；利用比重瓶法测试细颗粒比重^[14]，采用密度计法测量细颗粒中黏粒含量CF(粒径小于2 μm)和粉粒含量SF(0.002 ~0.075 mm)^[15]；基于筛分法测试了粗颗粒级配曲线^[15]。

(1) 击实试验

将粗细颗粒分开后烘干。分别称量一定质量的粗细颗粒，充分搅拌混合。考虑到现场混合土中粗颗粒含量(w_C, 质量分数)位于0%~55%范围内，为此本研究设置了6种粗颗粒含量，数值为0%，10%，20%，30%，40%及50%，对应的细颗粒含量w_F依次为100%，90%，80%，70%，60%及50%，见表 2。

向配置的粗细颗粒混合干土中加入不同质量自来水，搅拌均匀，而后放在实验室养护24 h，温度在(20±2) ℃而湿度在(95±2)%范围。养护结束后，根据土工试验规范进行击实试验^[16]，以获取混合土击实曲线、最优含水率w_opt和最大干密度ρ_max，结果见表 2。

(2) 冻融前后无侧限抗压试验

为制备无侧限抗压试样(直径为50 mm而高度为100 mm)，按照预设的粗细颗粒掺量(见表 2)分别称量相应质量的粗细颗粒，充分搅拌。称量相应质量的自来水，倒入混合土，使含水率达到最优含水率。将湿土放入试验室养护24 h。养护后倒入模具，压实成样，参数见表 3。

利用保鲜膜包裹试样，放入冻融箱中进行冻融循环。青海地区冻融季节的温度在-20~20 ℃范围，因而试验设定的最低和最高温度分别为-20 ℃和20 ℃。文献[17-19]表明试样在-20 ℃下冷冻12 h可充分保证内部水分冻结，在20 ℃下融化12 h可保证水分热融。基于该规律(冻结12 h/融化12 h作为1次循环)，本研究设置了0，10，20，30次冻融循环，见表 3。

冻融结束后取出试样，去除保鲜膜，将其放在无侧限抗压仪上进行试验，以获取应力-应变曲线。仪器加载速率设为0.075 mm/min。

为明晰冻融前后粗细颗粒混合土强度特性劣化规律，采用核磁共振试验(NMR)测试冻融前后试样孔径变化。本试验所用试验仪器为纽迈科技MacroMR12-150H-I型核磁共振测试仪，测试试样编号见表 4。

开展粗细颗粒混合土的CT三维扫描，以明晰试样中粗细颗粒三维分布。CT扫描试验中设定的试验参数如下：电压150 kV，电流190 μA，曝光时间0.7 s，分辨率0.061 mm，帧数1 080FPS。所测试的试样编号见表 4。

图 1给出了不同粗细颗粒掺量下混合土的压实曲线。从图 1可知随着混合土中粗颗粒掺量增加，击实曲线的顶部逐步变宽，表明粗颗粒的掺入可降低混合土的水分敏感性，有利于现场碾压施工。

图 1 粗细颗粒混合土击实曲线 Fig. 1 Compaction curves of coarse-fine grained mixed soil

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从图 1和表 2还可发现随着粗颗粒掺量增加，混合土最大干密度逐步增加，表明混合土的密实性变好。但混合土最优含水率却逐步减小，这是由于粗颗粒不易吸收水分所导致的。

图 2给出了冻融前后粗细颗粒混合土的应力-应变曲线。从图 2可知冻融前后所有试样的应力-应变曲线均是逐步增加，达到峰值应力后再逐步降低。峰值应力即为试样无侧限抗压强度。

图 2 冻融前后混合土的应力-应变曲线 Fig. 2 Stress-strain curves of mixed soil before and after freeze-thaw cycles

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图 3给出了混合土无侧限抗压强度与粗颗粒掺量及冻融次数间的关系。从图 3可知当粗颗粒掺量低于某一临界值时，试样的抗压强度缓慢增加，当粗颗粒掺量超过临界值时，抗压强度增加很迅速。针对低于或超过临界值的试验数据点(抗压强度vs粗颗粒含量)，本研究分别计算了它们的平均斜率，斜率线段相交点对应的横坐标数值(即粗颗粒掺量临界值)为27.5%。

图 3 冻融前后混合土的抗压强度 Fig. 3 Compressive strengths of mixed soil before and after freeze-thaw cycles

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图 3还表明当粗颗粒掺量小于27.5%时随着冻融次数增加，试样抗压强度明显降低，然而当粗颗粒掺量超过27.5%时冻融对混合土的强度影响不明显。

图 4给出了试样破坏应变数值。从图 4可知破坏应变与粗颗粒掺量之间存在临界值：当粗颗粒掺量从0%增加至27.5%时，试样破坏应变快速降低且随着冻融次数增加，破坏应变增加很迅速。当粗颗粒掺量超过27.5%时，试样破坏应变降低不明显且冻融对试样破坏应变影响不大。

图 4 冻融前后试样破坏应变 Fig. 4 Failure strains of samples before and after freeze-thaw cycles

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图 5给出了CT扫描结果。从图 5可知当粗颗粒掺量低于27.5%时(图中10%和20%粗颗粒掺量)，粗颗粒悬浮于细颗粒中，粗颗粒彼此之间未接触，此时混合土抗压强度由细颗粒控制。当粗颗粒掺量超过27.5%时(图 5中30%和50%粗颗粒掺量)，粗颗粒之间相互接触，形成了骨架，此时混合土强度由粗颗粒骨架控制。

图 5 CT扫描结果 Fig. 5 CT scan result

图选项

以上接触结构导致了混合试样抗压强度突变：粗颗粒掺量小于27.5%时，混合土强度由细颗粒控制(表现出细颗粒材料的强度属性)，此时混合土抗压强度的整体数值较小同时破坏应变较大，且随着粗颗粒掺量增加，抗压强度增加很缓慢，但破坏应变却变化迅速; 当粗颗粒掺量超过27.5%时混合土强度由粗颗粒骨架控制(表现出粗颗粒骨架的强度属性、脆性破坏)，此时混合土抗压强度的整体数值较大同时破坏应变较小，且随着粗颗粒掺量增加，抗压强度增加很迅速，但破坏应变变化较慢。

图 6给出了冻融前后混合试样核磁共振结果。从图 6可知在0次冻融次数下，当粗颗粒掺量低于27.5%时(图 6中0%和10%掺量)，试样内部始终未出现大孔隙(对应的豫驰时间为25 ms)，表明未形成粗颗粒骨架，其强度一直由细颗粒控制。但在该范围内随着粗颗粒掺量增加，豫驰时间为0.7 ms时对应的信号幅值逐渐降低，表明试样内部小孔数量减小，因而试样强度会增加但增长速率却很缓慢。

图 6 核磁共振试验结果 Fig. 6 Result of nuclear magnetic resonance test

图选项

当粗颗粒掺量超过27.5%时(图 6中3%和50%掺量)，试样内部出现了大孔隙(对应的豫驰时间为25 ms)，意味着粗颗粒骨架形成。与此同时，随着粗颗粒掺量增加，豫驰时间为0.7 ms时对应的幅值亦逐渐降低，即小孔数量逐渐减小。以上两者共同作用(小孔数量减少和粗颗粒骨架形成)导致试样无侧限抗压强度迅速增加。

从图 6还可看出当粗颗粒掺量低于27.5%时，冻融作用诱发混合试样内部小孔数量逐渐增加(对应的信号幅值增加)，因而冻融作用下混合土的无侧限抗压强度降低很明显。然而当粗颗粒掺量超过27.5%时，冻融作用对混合试样内部孔隙的影响不明显，因此抗压强度未发生较大变化。

本研究开展了一系列室内宏微观试验，以研究粗细颗粒混合土的压实特性、冻融作用下混合土抗压强度劣化规律和微观机理。

(1) 随着粗颗粒掺量增加，混合土水分敏感性逐渐降低，有利于现场碾压施工。同时混合土最大干密度逐步变大，表明密实性愈发良好。但最优含水率却逐步减小，这是由于粗颗粒不易吸水所导致的。

(2) 当粗颗粒掺量位于0%~27.5%范围内时，随着粗颗粒掺量增加，混合土无侧限抗压强度增加很缓慢，但在冻融作用下混合土抗压强度却快速衰减。

(3) 当粗颗粒掺量超过27.5%时，随着粗颗粒掺量增加，混合土无侧限抗压强度增加迅速，同时冻融作用对抗压强度衰减影响不明显。因此工程实践中如将粗细颗粒混合土用作路基填料时，建议将粗颗粒掺量提高至27.5%以上。