徐韓寶 崔自治 沈素平

(銀川能源學(xué)院，寧夏銀川 750100)

0 引言

隨著西部大開(kāi)發(fā)的不斷深入，寧夏基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資加大，道路、渠道、蓄水建筑的地基凍脹、融沉問(wèn)題越來(lái)越得到人們的重視，尤其是對(duì)地基變形控制嚴(yán)格的高速鐵路。粉細(xì)砂地層在銀川平原廣泛分布[1]，層厚超過(guò)80～100 m，主要為沖、洪積層。因入冬前農(nóng)田灌溉，地下水上升，凍深范圍內(nèi)的砂土含水率高、凍脹量大，工程凍害嚴(yán)重[2]。已有研究表明土的類型、組成、密實(shí)度和含水率是影響土凍融變形的內(nèi)在因素，補(bǔ)水條件、凍融溫度、速度和凍融循環(huán)次數(shù)是影響土凍融變形的外在因素[3-5]。土的凍融變形隨含水率的增大而增大，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大呈雙曲線增加，一定凍融循環(huán)后趨于穩(wěn)定[6-8]。松散的土凍縮，密實(shí)的土凍脹[7-8]。封閉系統(tǒng)凍融，壓實(shí)土的凍融變形隨密實(shí)度的增大而減小[9-10]。開(kāi)放系統(tǒng)凍融，壓實(shí)土的凍融變形在某凍融循環(huán)內(nèi)隨干密度的增大而減小，之后隨干密度的增大而增大[11]?？梢?jiàn)，影響土凍融變形的因素多，且千差萬(wàn)別，土的凍融變形具有明顯的區(qū)域特性[12]。關(guān)于銀川平原粉細(xì)砂的凍融變形研究還很少，嚴(yán)重缺乏工程凍害評(píng)價(jià)和防治的參考資料。結(jié)合銀川平原地區(qū)粉細(xì)砂的組成、當(dāng)?shù)貧夂蚝退牡刭|(zhì)特點(diǎn)，研究多因素共同作用下粉細(xì)砂的凍融變形規(guī)律，分析因素影響的顯著性，探索主控因素，對(duì)銀川平原冬灌區(qū)砂土地基工程凍害評(píng)價(jià)與防治具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

砂土取自銀川市某工程場(chǎng)地地表下約2.5 m處，密度1.76 g/cm3，含水率6.8%，土粒相對(duì)密度2.68，粒徑分布如圖1所示，大于0.075 mm的顆粒達(dá)98.06%，為細(xì)砂，黏粒含量很低，不到1.0%。不均勻系數(shù)2.64，曲率系數(shù)0.91，級(jí)配曲線陡，粒徑分布范圍窄，級(jí)配不良。

圖1 細(xì)砂的粒徑分布

1.2 試驗(yàn)方案

(1)因素設(shè)計(jì)：以壓實(shí)銀川平原粉細(xì)砂為研究對(duì)象，考慮壓實(shí)土的凍融變形主要受壓實(shí)度和飽和度的影響，以壓實(shí)度λc和飽和度Sr為因素，設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn)方案，研究銀川平原粉細(xì)砂在壓實(shí)度、飽和度和凍融循環(huán)等因素共同作用下的凍融變形特性，探索主控因素。依據(jù)工程對(duì)回填土壓實(shí)度的要求，及填土實(shí)際壓實(shí)度的不確定性，設(shè)置壓實(shí)度水平。依據(jù)飽和度隨埋深變化的實(shí)際，設(shè)置飽和度的水平。參照文獻(xiàn)[9]，設(shè)置凍融循環(huán)次數(shù)為20次，分別測(cè)定凍融1、3、7、12和20次時(shí)的凍融變形量。依據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄杲y(tǒng)計(jì)的最低氣溫，設(shè)定凍結(jié)溫度為-18.0℃，融化溫度為20.0℃，每個(gè)循環(huán)凍24 h，融24 h。L9(34)方案的因素及其水平列于表1，其中e1、e2為誤差列。

表1 正交試驗(yàn)方案的因素與水平

(2)試樣制備：將土樣風(fēng)干，碾散，拌均，測(cè)含水率。按方案加水拌均，密封潤(rùn)濕24 h。采用壓樣法成樣，成樣后立即密封以防失水。

(3)凍融試驗(yàn)：試樣直徑61.8 mm，高40.0 mm，側(cè)面和底部均用5 cm厚的保溫材料緊密封裹。將制備好的試樣放入可控溫度的低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行封閉系統(tǒng)單向凍融，在設(shè)定的凍融循環(huán)后，用百分表測(cè)定試件在凍結(jié)和融化后的高度，計(jì)算凍脹率η和融沉系數(shù)δ。

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果列于表2，由表2可以看出：①9組試樣的凍脹率都為正，表現(xiàn)為凍脹；②凍脹率和融沉系數(shù)均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，7次內(nèi)增加較快，之后增加緩慢，12次基本達(dá)到穩(wěn)定；③融沉系數(shù)與凍脹率的比值較大，在80%左右；④凍脹率最大的試樣為壓實(shí)度最小、飽和度最大的G3，凍脹率最小的試樣為壓實(shí)度最大、飽和度最小的G7，最大值與最小值的差為2.18。壓實(shí)度相同組的極差最大值為1.53，飽和度相同組的極差最大值為1.33。飽和度和壓實(shí)度的共同影響明顯大于單因素的影響，不是兩種因素單獨(dú)作用結(jié)果的簡(jiǎn)單相加。融沉系數(shù)與凍脹率具有類似的表現(xiàn)。

試樣凍融后的高度增量Δh與凍融循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線示于圖2，圖2表明：①試樣凍融后，高度增大，結(jié)構(gòu)變得疏松；②飽和度相同時(shí)，試樣的壓實(shí)度大，凍融后的變形小；③壓實(shí)度相同時(shí)，試樣的飽和度高，凍融后的變形大；④凍融后的試樣高度增量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。

圖2 凍融變形時(shí)程曲線

表2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 趨勢(shì)與極差分析

按正交試驗(yàn)理論分別計(jì)算出壓實(shí)度和飽和度相同水平組的凍脹率與融沉系數(shù)的平均值及其極差。凍脹率與融沉系數(shù)的平均值隨壓實(shí)度、飽和度變化的趨勢(shì)分別示于圖3、圖4，極差示于圖5。

圖3 凍脹率變化趨勢(shì)

由圖3、圖4可見(jiàn)：封閉系統(tǒng)條件下，隨壓實(shí)度的增大，試樣的凍脹率、融沉系數(shù)和趨勢(shì)線的斜率均減小，凍脹率和融沉系數(shù)與壓實(shí)度呈非線性關(guān)系，壓實(shí)度的影響逐漸減小。隨飽和度的增大，凍脹率、融沉系數(shù)和趨勢(shì)線斜率均增大，凍脹率和融沉系數(shù)與飽和度呈非線性關(guān)系，飽和度的影響逐漸增大。

圖4 融沉系數(shù)變化趨勢(shì)

凍結(jié)過(guò)程，土中水和溶解于其中的部分鹽因結(jié)晶產(chǎn)生體積膨脹，土粒和孔隙中的氣體體積收縮。融化過(guò)程，土中水、鹽、氣體和土粒的體積變化則相反。通常水的結(jié)冰膨脹效應(yīng)起主導(dǎo)作用，土體表現(xiàn)為凍脹，土粒增加凍脹性減弱，水增加凍脹性增強(qiáng)。壓實(shí)銀川砂土的封閉系統(tǒng)凍融變形是以水結(jié)冰膨脹效應(yīng)為主導(dǎo)的結(jié)果。

由圖5可見(jiàn)：封閉系統(tǒng)條件下，20次凍融循環(huán)過(guò)程中，不論是對(duì)凍脹率，還是對(duì)融沉系數(shù)，飽和度的作用極差始終最大，壓實(shí)度的作用極差次之，誤差列e1和e2的極差均很小。說(shuō)明飽和度的影響大于壓實(shí)度的影響，試驗(yàn)誤差在容許范圍內(nèi)。飽和度的重要性大于壓實(shí)度的重要性。

圖5 極差分析

2.2 方差分析

正交試驗(yàn)的方差分析結(jié)果列于表3，顯著性水平為90%、95%和99%時(shí)，對(duì)應(yīng)的F臨界值分別為4.32、6.94和18.00。由表3可見(jiàn)，20次凍融循環(huán)過(guò)程中，不論是對(duì)凍脹率，還是對(duì)融沉系數(shù)，飽和度影響的顯著性參數(shù)F始終大于壓實(shí)度影響的顯著性參數(shù)F，飽和度的顯著性大于壓實(shí)度的顯著性；飽和度和壓實(shí)度的影響均非常顯著，二者都是影響壓實(shí)砂土凍融變形的主控因素，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制砂土的壓實(shí)度，設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程應(yīng)做好防水排水措施，嚴(yán)防飽和度的增加，以減小凍融對(duì)工程的不利影響。

表3 方差分析

3 結(jié)論

綜合上述分析，關(guān)于銀川平原地區(qū)壓實(shí)砂土的封閉系統(tǒng)凍融，得出如下結(jié)論：

(1)飽和度不小于30%的壓實(shí)砂土，以水的結(jié)冰膨脹效應(yīng)為主導(dǎo)，表現(xiàn)為凍脹，凍融后體積增大。凍融變形隨壓實(shí)度的增大而減小，隨飽和度的增大而增大，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈雙曲線關(guān)系增大。

(2)飽和度和壓實(shí)度的共同影響明顯大于其中任何一個(gè)因素的影響，但也不等于兩種因素單獨(dú)作用結(jié)果的簡(jiǎn)單相加。

(3)飽和度和壓實(shí)度對(duì)壓實(shí)砂土的凍融變形影響都非常顯著，二者均是影響壓實(shí)砂土凍融變形的主控因素，施工時(shí)嚴(yán)格控制壓實(shí)度，運(yùn)營(yíng)中注意防水排水，對(duì)減小凍融危害可獲得顯著效果。