冻融循环作用下粉质砂土的融化压缩试验研究

武 宁 温艳红

（1.浙江爱丽智能检测技术集团有限公司，浙江 杭州 311700；2.昆山远通建筑咨询有限公司，江苏 昆山 215300）

青藏铁路那曲物流中心地处海拔4500m的青藏高原，是世界上海拔最高的物流中心，场地内最大土壤冻结深度为2.81m，为深季节性冻土区。有关季节冻土区地基病害防治的研究，多限于冻胀问题的探讨，对融沉指标(融沉系数和融化压缩系数)的考虑一般较少，但近年来的冻害调查研究发现，融沉性在季节冻土地区的建筑物稳定性方面的应用仍然具有积极的意义。反复的冻融循环作用是影响融沉变形的主要因素，而土体的融化压缩系数是与此密切相关的参数指标。因此，研究土体在冻融前后压缩参数的变化对于深刻理解融沉变形的实质是很有意义的。

早在20世纪30年代，国外专家Tsytovich就研制了专门的隔热压缩仪，研究了冻土融化压密的过程。Graham等[1]对原状土在一维压缩条件下进行了冻融试验，发现经过5次冻融循环后，土体的结构性严重减弱。Konrad等[2]通过试验，认为土体经过反复的冻融循环后，孔隙比趋于稳定。国内，张贵生等[3]发现，土体的压缩系数在遭受冻融作用后明显增大，尤其是施加第一级荷载时更明显。何平等[4]通过试验发现，土体的反复冻融过程可以造成土体的密度降低。朱元林等[5]认为，冻土区地基压缩变形是建筑物地基沉降预报设计考虑的必要因素。童长江等[6]通过研究发现，季节冻土和多年冻土之间的融化压缩特性具有共性亦有差异。胡莫珍等[7]认为，多次冻融循环使冻土的压缩性能逐渐劣化。王天亮等[8]和严晗等[9]研究了冻融循环条件下粉砂土的融沉性质。师华强等[10]通过试验发现，冻融循环作用使土的压缩系数增大，压缩模量减小。

综上所述，正确预报冻土区建筑物下地基融化压缩沉降的重要性，是不言而喻的。因此，本文通过深季节冻土区粉质砂土在经历不同冻融循环后试验，阐述了融化压缩系数与含水率、压实度、冷却温度以及冻融循环次数之间的变化规律，为进一步深化对冻土区融化压缩特性的研究提供了参考。

1 试验内容及方法

1.1 试验制备及试验方案

试验土样取自青藏铁路那曲物流中心的粉质砂土，主要物理参数：土样颗粒密度为2.70g/cm3，渗透系数为5.87×10-6cm/s，最大干密度为1.95g/cm3，最优含水率为11.2%，含盐量测试结果为0.15%(测试的离子主要包括SO42-、CO32-、Na+、K+)。

试验设计含水率W为9%、11%、13%、15%，压实度K为90%、93%、95%、97%。为保证试验的可比性与准确性，相同冻融循环次数的试件采用标准批量制备。首先按试验设计所需含水率配制土样——将粉砂土在限制水分蒸发条件下闷料24h，以使水分迁移均匀，并测定土样的含水率，以保证其含水率误差在准许误差范围内(准许误差±1%)。然后按照设计压实度控制干密度，分3层装模，层与层之间刮毛，防止出现分层现象。制样时为防止水分挥发，在试样底部放一塑料薄膜，制样完成后用塑料袋包裹好试样筒，放入高低温交变试验箱进行冻融循环。所制备的试样高度H=100mm，直径D=100mm。表1给出了粉砂土的融化压缩试验方案。

表1冻融试验方案设计

1.2 冻融循环过程设计

本试验采取先融化后压缩的试验方法。冻融循环的温度确定参照那曲深季节冻土区的温度变化，冷冻温度TF确定为-20℃、-15℃、-10℃、-5℃和-3℃共5种，融化温度TT为12℃。冻结和融化过程在高低温交变试验箱中进行，在冻融过程中无水源补给(封闭条件下的冻融试验)。冻结和融化持续时间均为12h，此为一个冻融循环周期。冻融循环次数FT为0、1、3、6和10次。将经历设定冻融次数的试样取出，安装于压缩仪上预加1kPa荷载进行融沉，经过24h土样完全融化，融沉达到稳定状态，然后逐级施加荷载进行融化压缩试验。

2 试验结果及分析

本试验引用融化压缩系数(ai)分析各影响因素对粉砂土融化压缩特性的影响规律。其中，融化压缩系数：

式中ai-融化压缩系数，MPa-1；

pi-第i级压力值，MPa；

Si-第i级荷载作用下的变形量。

2.1 冻融循环对融化压缩系数的影响

冻融过程的冷生作用改变了土的结构，导致了土样的压缩特性也与冻融前不尽相同。因此，考察冻融前后土样融化压缩系数的变化对于寒区岩土工程来说是必不可少的，融化压缩系数与冻融循环次数的关系曲线如图1所示。

图1 融化压缩系数与冻融循环次数的关系曲线

图1为不同冻融循环次数对粉砂土融化压缩系数的影响变化分析。当含水率或压实度一定时，在各级荷载的作用下，粉砂土的融化压缩系数随冻融循环的影响规律为：未经历冻融循环的粉砂土，压缩系数均较低，但在经历冻融循环1、3、6、10次后，其融化压缩系数均出现一定幅度的增加。具体表现为经历1次冻融循环的粉砂土的压缩系数略有增大，但不是很明显。但土体经过多次反复的冻结、融化作用后，粉砂土融化压缩量在逐渐增加，并且在经历第3次的冻融循环后融化压缩量增加较为明显，但第6次冻融循环后融化压缩系数趋于稳定，第10次冻融循环后粉砂土的融化压缩系数与第6次冻融循环后相差甚微。这也说明，土体经过反复的冻融循环，使得土颗粒间改变了原来的位置关系，由动态的不平衡状态向新的动态平衡状态发展，最终达到稳定。

2.2 含水率对融化压缩系数的影响

在季节冰冻区，含水率的大小直接影响融化压缩系数，融化压缩系数与含水率的关系曲线如图2所示。

图2 融化压缩系数与含水率的关系曲线

从图2可知，FT=0时，试样在未受到冻结、融化作用的影响时，随着含水率增大，其压缩系数也相应增加，说明土样含水率越高，压缩性能越差。在经历多次冻融循环后，试样的融化压缩系数随含水率的增大也呈递增的趋势，1次冻融循环后含水率15%的土样的压缩系数增幅最明显。这主要是冻结过程中不同含水率粉砂土体内水相转变为冰，导致土体膨胀，含水率越大膨胀量越大；当温度升高，冰融化为水，土颗粒重新排列，水被排出，与之对应含水率越高被排出的水越多，可压缩性也越大。冰水间的转化破坏了土颗粒之间的原始胶结，导致其压缩性能也越来越差。含水率和冻胀作用都会对试验的融化压缩系数产生减益影响。

2.3 压实度对融化压缩系数的影响

土体产生融化压缩下沉的根本原因是冻土融化后孔隙体积的变化，融化压缩系数与压实度的关系曲线如图3所示。

图3 融化压缩系数与压实度的关系曲线

与未冻土一样，对季节性冻土来说，压实度提高后土体密度增大，密实度提高，土中孔隙减少，试样的可压缩性必然减小。如图3所示，粉砂土的压缩曲线也证实了压实度越大，土体的压缩系数越小，土体的压缩性也相应增强。在加载初期试样孔融化压缩系数减小很快，这时由于试样中水和空气的排出，土的孔隙比减小，体积被压缩，随着荷载的增加，土中孔隙越来越小，土颗粒和土中的水很难被压缩，所以曲线趋于平缓。由此也可得知提高压实度是减小路基压密沉降的有效措施。

2.4 冷冻温度对融化压缩系数的影响

本试验主要是通过研究在经历1次冻融循环后粉砂土冻土试样进行试验与观测，融化压缩系数与不同冷冻温度的关系曲线如图4所示。

图4 融化压缩系数与不同冷冻温度的关系曲线

土体在经历1个冻融循环后，粉砂土的融化压缩系数随着冷冻温度的降低而略增大，这表明冷冻温度对粉砂土融化压缩系数的影响不太明显。分析其原因：含水率和压实度一定的情况下，由于粉砂土的孔隙比较小，在一定的冷冻温度下水分容易充分冻结，在没有外界水分补给的情况下，土体体积膨胀较小，所以冷冻温度对融化压缩系数的影响不太明显。

3 结语

(1)反复的冻结融化作用对粉砂土的融化压缩特性有不同程度的影响，经历6次冻融循环后融化压缩系数才趋于稳定。1次冻融循环的影响微乎其微，但随着冻融循环次数的增加，融化压缩系数增大，第3次冻融循环后的变化较为明显。同时，粉砂土的融化压缩系数与含水率呈正相关性，与压实度呈负相关性，冷冻温度的影响则不太明显。

(2)无论是未冻土还是经历不同冻融循环次数的融化土，融化压缩系数与压力的大小密切相关。从整个压缩过程看，经历不同冻融循环的粉砂土的压缩系数均随压力的增大而减小，而且ai并不是一个常数，在刚开始受压固结阶段，融化压缩系数急剧减小，随着外荷载的不断增大，曲线趋于平缓，整体变化规律呈现显著的非线性特征。