冻融对银川平原压实砂土压缩性的影响

刘 艳, 崔自治, 韩 莉

(银川能源学院 土木建筑学院, 宁夏 银川 750100)

粉细砂在银川平原广泛分布[1]，形成的土层厚.这些土层冬季含水率高、冻胀和融沉变形大，其上工程受冻害影响严重[2].土的类别、组成、孔隙结构、密实度和含水率是影响土冻融变形的内因，补水情况、冻融温度、速率、冻融循环次数和冻融方式是影响冻融变形的外因[3-5].土的含水率高，冻融变形大，含水率小于某一值时表现为冻缩，与冻融循环次数呈双曲线关系，数次冻融循环后趋于稳定[6-8].土松散时表现为冻缩，密实时表现为冻胀[7-8].密实度不同的土经多次循环冻融后孔隙比趋于界限孔隙比[4].封闭系统条件下，土的冻融变形随密实度的增大而减小[9-10].开放系统条件下，冻融变形在某冻融循环之前随干密度的增大逐渐减小，之后随干密度的增大逐渐增大[11].影响土冻融变形的因素多，且作用规律千差万别.土在受冻融作用后的变形和力学性能有明显的区域特性[12].目前关于银川平原粉细砂土的冻融变形和冻融后的力学性能研究还很少，难以满足该地区工程冻害评价和防治的需要.结合银川平原粉细砂土层所处的气候和水文地质特点，研究其在多个因素共同作用下冻融后的压缩性变化规律，分析作用机制，探索主要的控制因素，对冬灌条件下银川平原砂土地基上工程的冻害评价与防治具有重要的现实意义.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用土取自银川某建设工程场地，含水率为6.8%，密度为1.76 g/cm3，土粒相对密度为2.68，粒径级配见表1.大于0.075 mm的颗粒含量超过85%，依据《建筑地基基础设计规范》，应为细砂.不均匀系数为2.64，小于5，级配不良.最大干密度为1.81 g/cm3.

1.2 试验方案

表2 试验结果Tab.2 Test results

2) 试样制备.将土样风干，碾散，测定含水率.按设计方案加水充分拌匀，密封润湿不少于24 h.试样采用分层压样法制备27组，每组2个,分别用于基准压缩试验，补水和非补水冻融后的压缩试验.试样上加套环，下放不吸水的玻璃圆片，用不透水的塑料薄膜密封[10].在冷冻箱中分别采用封闭系统冻融和定饱和度法[11]冻融.达到方案中设定的冻融循环后，将试样表面削平.

3) 压缩试验.依照GB 50123—1999《土工试验方法标准》，对冻融后的试样应用全自动气压固结仪，分别在0.05、0.10、0.20、0.40 MPa 压力下进行压缩试验，以压缩变形速率不大于0.01 mm/h为稳定标准.按0.10～0.20 MPa压力之间的压缩系数α评价冻融对压缩性的影响.

4) 数据分析.按正交试验的分析理论计算各因素作用的极差和显著性评价参数F，评价因素作用的显著性.

2 结果与分析

压缩试验结果列于表2，其中e1和e2为误差列.应用正交试验的数据分析理论，分析各因素对压缩性的作用规律和影响程度.

由表2可知，1) 补水与非补水冻融各组试样压缩系数均大于基准试样的压缩系数，冻融使试样的压缩性增大；2) 补水冻融各组试样的压缩系数均大于非补水冻融试样的压缩系数，二者最大差值为0.039，平均值为0.024.补水冻融对压缩性的影响明显大于非补水冻融对压缩性的影响.

2.1 趋势分析

压缩系数及其增量随压实度、饱和度的变化趋势分别绘于图1、图2.

图1 压缩系数变化趋势Fig.1 Trend of compression coefficient

图2 压缩系数增量变化趋势Fig.2 Incremental trend of compression coefficient

由图1可知，基准试样及经20次循环冻融后的试样，其压缩系数均随压实度的增大呈非线性减小，压实度从0.88增大到0.93时压缩系数的减小量明显大于压实度从0.93增大到0.98时压缩系数的减小量，当压实度较低时压实度的变化对压缩性影响较为显著.冻融后的压缩系数随压实度变化的规律表明，压实度越大冻融对压缩性的影响越小.基准试样及经20次循环冻融后的试样，其压缩系数均随饱和度的增大呈非线性增大，与饱和度为50%～70%相比，饱和度为30%～50%对压缩性的影响较大.冻融后的压缩系数随饱和度变化的规律表明，饱和度越大冻融对压缩性的影响越高.补水冻融较非补水冻融，试样压缩性明显增加，尤其是压实度大的试样，其压缩性的增加更为明显，补水条件对冻融后试样的压缩性影响很大.阻断水的补给是减轻冻融对压缩性影响的有效措施.

压缩系数增量为冻融后试样的压缩系数与基准试样压缩系数的差.由图2可见，压实度不断增大，试样在非补水条件下冻融后的压缩系数增量逐渐减小，而在补水条件下冻融后的压缩系数增量逐渐增大.不同的补水条件，压缩系数增量随压实度变化的规律恰恰相反.非补水条件下冻融后的压缩系数增量随压实度变化的规律表明，压实度越大冻融对压缩性的影响越小.补水条件下冻融后的压缩系数增量随压实度变化的规律表明，压实度越大冻融对压缩性的影响越高.仅在非补水条件下，提高压实度可减轻冻融对压缩性的不利影响.饱和度不断增大，两种补水条件下冻融的压缩系数增量均随之逐渐增大，压缩系数增量与饱和度近似呈线性增长关系.降低饱和度可减轻冻融对压缩性的不利影响.

补水条件下土冻融后的压缩系数增量随压实度变化的规律与压缩系数随压实度变化的规律恰恰相反.压实度对土冻融后压缩性能的影响，用不同的参数表征，反映出不同的规律.压缩系数增量反映了土冻融前后压缩性的变化，用其评价各因素对土冻融后压缩性的影响较为合理.

2.2 因素的重要性分析

2.2.1极差分析

压实度、饱和度的作用极差绘于图3.由图3可知:1) 关于压缩系数，压实度的影响极差最大，饱和度的影响极差较小，误差列e1和e2的极差最小，压实度的影响程度大于饱和度的影响程度；2) 关于压缩系数增量，非补水冻融条件下，压实度的影响程度大于饱和度的影响程度；补水冻融条件下，饱和度的影响程度大于压实度的影响程度，饱和度为更重要的影响因素.

图3 极差分析Fig.3 Analysis of extreme difference

2.2.2方差分析

正交试验的方差分析结果列于表3.由表3可见，非补水冻融条件下，压实度对压缩系数及其增量的影响很显著.饱和度对压缩系数及其增量的影响很显著.补水冻融条件下，压实度和饱和度对压缩系数及其增量的影响均很显著，压实度和饱和度都是影响砂土冻融后压缩性的主导因素，在施工和运营过程中应严格控制.

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis

2.3 相关分析

压缩系数增量与冻融体积变形率的关系如图4所示.由图4可见，压缩系数增量与冻融体积变形率间存在一定的线性相关性，拟合得Δα=0.046 9ε-0.00 9，相关系数R2= 0.930 5.二者的线性相关性很好.可用冻融体积变形率计算压缩系数增量，以减少试验工作量.

图4 压缩系数增量与冻融体积变形率的关系Fig.4 Correlation between compression coefficient increment and freeze-thaw deformation rate

3 结论

综合上述分析，关于银川平原地区压实砂土冻融后的压缩性，得出如下结论：

1) 关于压实砂土冻融后的压缩性，补水的影响明显的大于非补水的影响，两种补水条件下冻融后试样的压缩系数差最大值达0.039，平均为0.024，补水条件是影响压实砂土冻融后压缩性的重要因素.阻断水的补给是减轻冻融对压缩性影响的有效措施.

2) 试样的压实系数由0.88增加到0.98，冻融后其压缩系数增量在非补水条件下减小了0.015，在补水条件下增大了0.010.非补水条件下增大压实度可减轻冻融对压缩性的不利影响，补水条件下增大压实度将加剧冻融对压缩性的不利影响.

3) 压实度和饱和度对冻融后压缩性的影响均为显著或很显著，二者都是主导因素，在施工和运营过程中应严格控制.

4) 压缩系数增量与冻融体积变形率间存在很好的线性相关性，可用冻融体积变形率计算压缩系数增量，以减少试验工作量.

致谢：本文得到银川能源学院科研项目(2018-KY-J-03)及银川能源学院本科教学工程项目(2018-TD-X-03)的资助，在此表示感谢.