青藏高原季凍區(qū)砂礫土凍脹特性試驗

岑國平， 龍小勇， 洪　剛， 劉垍熒， 王新忠， 賈　勇

(1.空軍工程大學 航空航天工程學院，710038 西安；2.中國民航機場建設集團公司，710075 西安)

?

岑國平1， 龍小勇1， 洪剛1， 劉垍熒1， 王新忠2， 賈勇2

(1.空軍工程大學 航空航天工程學院，710038 西安；2.中國民航機場建設集團公司，710075 西安)

摘要:為探索青藏高原季凍區(qū)砂礫土的凍脹特性，為機場工程防凍脹設計提供依據(jù)，首先進行顆粒分析實驗、擊實實驗等砂礫土的基本特性實驗，為凍脹率室內(nèi)實驗提供相應依據(jù)，然后在傳統(tǒng)凍脹率室內(nèi)實驗裝置的基礎上針對砂礫土粒徑大的特點進行改進，利用改進后裝置進行一系列正交試驗，研究含水率、含泥量、壓實度、上覆荷載、補水對凍脹率的影響規(guī)律. 試驗結(jié)果表明：在封閉條件下，凍脹率隨含水率的增大而線性增大；隨含泥量的增大呈非線性關(guān)系遞增；隨壓實度的增大呈先增大后減小的趨勢，在壓實度為95%的狀態(tài)下達到最大值；隨上覆荷載的增大呈線性關(guān)系平緩遞減. 在外界補水條件下，凍脹率增大3倍以上. 經(jīng)多元回歸分析，得到了多因素綜合影響下的回歸預報公式. 各個因素對凍脹率的影響從大到小依次為：補水，含水率，含泥量，壓實度，上覆荷載. 在工程實際中，控制補水、含水率、含泥量是防凍脹設計的關(guān)鍵.

關(guān)鍵詞:機場土基；砂礫土；凍脹；含水率；含泥量；多元回歸分析

機場土基不均勻凍脹變形是機場工程破壞的重要原因之一. 因此，在進行機場工程建設之前，必須對機場土基作出凍脹性評價，以便采取有效的防凍脹措施，確保機場工程的安全可靠. 土體的凍脹特性一直是國內(nèi)外研究的焦點，國外學者Everett[1]首先提出毛細理論，對凍脹和凍脹力進行了定量解釋和估計，但卻不能解釋不連續(xù)冰透鏡的形成原因且低估了細顆粒土中的凍脹壓力. 認識到了毛細理論的不足，Miller[2]提出在凍結(jié)鋒面和最暖冰透鏡底面存在一個低含水量、低導濕率和無凍脹的帶，稱為凍結(jié)緣. 凍結(jié)緣理論在一定程度上克服了毛細理論的不足，得到廣大學者的認可. 這兩大凍脹理論的提出為凍脹研究奠定了基礎. 國內(nèi)學者吳紫汪[3]對土的凍脹機制、動力及變化規(guī)律進行了研究，為道路工程的凍脹成因、分類和病害防治措施的制定提供了理論依據(jù). 陳肖柏[4]提出飽水砂礫料凍結(jié)時的凍脹敏感性主要受細粒土含量及凍結(jié)條件的影響. 王天亮等[5]通過葡氏擊實和凍脹試驗，研究了不同細粒土含量、不同干密度條件下細圓礫土填料的凍脹特性. 巨娟麗[6]通過室內(nèi)試驗對白砂巖土的凍脹率凍脹特性進行了研究. 程佳等[7]研究了青藏鐵路多年凍土區(qū)典型土樣的凍脹特性. 劉新華等[8]研究了季節(jié)凍土凍脹和融沉與土質(zhì)、密度、含水率等性質(zhì)的關(guān)系. 高志華[9]選取了21組土樣進行分析，從顆粒組成、毛細水上升高度等分析青藏鐵路凍脹出現(xiàn)的可能性. 張以晨等[10]對5種粗粒土13種不同含泥量土料在不同含水率、飽和度和密實度狀態(tài)下進行了一系列封閉系統(tǒng)下的凍脹模擬試驗. 研究了各種粗粒土的η-w關(guān)系，并對其進行線性分析，揭示了粗粒土的凍脹規(guī)律. 徐洪坤等[11]建立了考慮水熱耦合遷移的Clausius-Clapeyron方程，推導了機場道基一維垂直向凍脹位移的積分表達式，建立了寒區(qū)機場道基凍脹預測模型. 楊銳等[12]從能量平衡角度，推導了作用在基層底面的凍脹應力解析式，并在某機場改造工程中作了驗算. 李博等[13]分析了造成機場凍脹的各種因素，提出了機場工程凍土土基處理的措施. 閆永剛等[14]分析了西北壁灘機場道面凍脹產(chǎn)生的原因，提出了消除凍脹的方法. 沈哲等[15]指出高寒地區(qū)機場土基的凍脹受降溫速率、土樣的含水率、上覆荷載等因素的影響，并存在復雜的函數(shù)關(guān)系.

綜上研究成果，關(guān)于季凍區(qū)土基凍脹影響因素和工程實踐方面的研究比較少；關(guān)于機場凍脹的研究也僅有零星報道，且研究成果比較零散，不成系統(tǒng)，缺乏有效的工程實際價值；而關(guān)于砂礫土較多青藏高原季凍區(qū)機場凍脹的研究更是未見報道. 因此，有必要結(jié)合青藏高原季凍區(qū)獨特的氣候和土壤特點，對砂礫土進行凍脹室內(nèi)試驗，研究其凍脹特性并總結(jié)規(guī)律，結(jié)合工程實際提出建議，為青藏高原季凍區(qū)機場工程凍害防治提供理論依據(jù).

1概況

1.1顆粒級配及土樣制備

試驗所用土樣取自果洛自治州大武機場現(xiàn)場段，將土樣裝袋并用貨車運送至西安，在實驗室內(nèi)進行過濾雜質(zhì)、風干等處理. 試驗土樣包括天然砂礫土和表層粉土，天然砂礫土為主要試驗對象，表層粉土為對照試驗對象. 通過篩分試驗，測得天然砂礫土中直徑小于0.075 mm的顆粒的質(zhì)量分數(shù)(以下簡稱含泥量)為6.9%，表層粉土的含泥量為50%，將這兩種土樣按不同的比例摻合均勻，即可得到試驗所需的含泥量為10%、15%、20%、25%、45%的土樣. 已有研究表明，土樣顆粒級配對土樣的凍脹有明顯的影響[10]. 按公路土工試驗規(guī)程[16]規(guī)定的方法，通過顆粒分析試驗得到兩種土樣的顆粒級配曲線如圖1所示. 由圖1可知，天然砂礫土和表層粉土級配良好，屬于凍脹敏感性土類.

圖1　顆粒級配曲線

1.2擊實試驗

對含泥量為10%、15%、20%、25%、45%的砂礫土進行標準擊實試驗，得到不同含泥量下的砂礫土的標準最大干密度和最優(yōu)含水率如表1所示. 由表可知，砂礫土的最優(yōu)含水率隨著含泥量的增大而增大. 然而，砂礫土的標準最大干密度卻隨著含泥量的增大而減小.

表1　擊實試驗結(jié)果

1.3試驗方法及裝置

土體的凍脹特性主要用土體的凍脹量和凍脹率表示. 凍脹量是地表由于土體凍結(jié)而引起的豎向位移，土體在無側(cè)向變形的前提下，經(jīng)單向凍結(jié)，其縱向高度的增量與試樣原始高度的比值稱為凍脹率(也稱凍脹強度或凍脹系數(shù))，通常用高度比表示，計算公式為

(1)

式中：η為凍脹率%；Δh為凍脹量，mm；Hf為凍結(jié)土層的厚度[16].

試樣制備過程嚴格按照中華人民共和國行業(yè)標準[16]進行. 由于原狀土樣的采取、運輸、保存等存在一定的困難，室內(nèi)試驗中采用重塑擾動土樣進行凍脹率試驗. 試驗具體方案如表2所示.

表2　凍脹試驗方案

注：表中含水率為含水質(zhì)量比; 壓實度為95%，上覆荷載為20 kPa，初始凍結(jié)溫度為-2 ℃; 飽和度為土體中孔隙水體積與孔隙體積之的比值.

結(jié)合砂礫土的特點，本文采用改進的凍脹室內(nèi)試驗裝置進行試驗. 試驗裝置由試樣筒、恒溫箱和溫控系統(tǒng)、溫度檢測系統(tǒng)、位移檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集終端、補水系統(tǒng)和氣動平衡裝置組成，系統(tǒng)圖及各組成部分照片分別見圖2、3所示.

圖2　凍脹試驗裝置系統(tǒng)

圖3　凍脹試驗裝置系統(tǒng)各組成部分照片

由于砂礫土的粒徑較大，經(jīng)過改裝后，試樣筒由內(nèi)徑15 cm，高16 cm，壁厚1 cm的有機玻璃筒制作，沿高度每隔2 cm設溫度傳感器插入孔. 底板為中空結(jié)構(gòu)，有負溫循環(huán)液進出口. 頂板有外界水源補充通道.

試驗步驟如下：1)首先進行擊實試驗，確定最大干密度和最優(yōu)含水率，見表1. 2)凍脹試件成型：在有機玻璃內(nèi)成型，試樣直徑15 cm、高13.5 cm. 首先按一定的含泥量、含水率配料、悶料24 h，以保證試樣的含水率均勻一致，根據(jù)壓實度稱取一定質(zhì)量，于試樣筒中分5層進行擊實，靜壓成型. 3)為防止試驗過程中水分流失，在試樣頂面和底面各放一張濾紙，然后放上頂板，并稍加力，使土樣與頂、底板接觸緊密. 將兩個試樣盒放入恒溫箱內(nèi)，試樣周側(cè)、底板內(nèi)放入溫度傳感器，周側(cè)包裹厚5 cm橡塑海綿保溫材料. 連接底板冷凍液循環(huán)管路及頂板補水管路，供水并排除頂板內(nèi)氣泡，調(diào)節(jié)供水裝置水位. 安裝位移傳感器. 將溫度和位移傳感器與數(shù)據(jù)采集終端連接. 4)開啟加壓裝置，并調(diào)節(jié)到所需壓力；開啟恒溫箱及底板冷浴，設定恒溫箱為1 ℃，底板冷浴為-15 ℃. 5)試樣恒溫6 h，并監(jiān)測溫度和變形，待試樣初始溫度均勻達到1 ℃左右以后，開始凍結(jié). 6)低溫恒溫循環(huán)器調(diào)節(jié)到-15 ℃并持續(xù)0.5 h，讓試件迅速從底面凍結(jié)，然后底板溫度調(diào)節(jié)到-2 ℃，并以0.2 ℃/h速度下降，保持箱溫和頂板溫度均為1 ℃. 打開電腦上的阿爾泰測控系統(tǒng)讀取、保存數(shù)據(jù). 試驗持續(xù)至位移量讀數(shù)恒定不變方可結(jié)束(約72 h). 7)試驗結(jié)束后，迅速從試樣盒中取出試樣，量測試樣高度并測定凍結(jié)深度，讀取數(shù)據(jù)并計算結(jié)果.

2試驗結(jié)果及分析

2.1典型凍脹過程分析

取一組(含水率14%、含泥量45%、壓實度95%、上覆荷載20 kPa)試驗結(jié)果為典型，繪制不同高度處溫度隨時間的變化關(guān)系，如圖4所示.

圖4　不同高度處溫度隨時間變化曲線

從圖4中可以看出，不同高度處，土樣降溫的速率是不同的，其中4 cm處降溫速度最快，12 cm處降溫速度最慢. 同理，繪制凍脹量隨時間的變化關(guān)系，如圖5所示.

由圖5可知，土樣凍脹基本可以分為4個階段：1) 凍縮階段. 這一階段內(nèi)，凍脹率為負值，即土樣發(fā)生凍縮現(xiàn)象，約4～8 h后土樣體積增大，凍脹開始. 由于土樣顆粒受冷收縮，孔隙水結(jié)冰后增大的體積，不足以抵消土樣顆粒收縮的體積；水在4 ℃時密度最大，土樣所含水分的體積最小，這對于土樣的凍縮有一定的影響. 此外，給土樣加載的20 kPa的上覆荷載，也抑制了土樣體積的增長. 因此，在起始階段，土樣體積不但不會增大反而會減小. 隨著溫度繼續(xù)降低，土樣開始持續(xù)凍脹，當凍脹引起的體積增量超過土樣顆粒收縮導致的體積減量時，才能觀測到凍脹現(xiàn)象. 2)快速凍脹階段. 這一階段凍脹量快速增長，是由于此時冰析作用非常強烈，聚集在凍結(jié)鋒面處的水分凍結(jié)成冰時，將擠開土顆粒而形成零散的細小冰透鏡體，出現(xiàn)冰分凝現(xiàn)象，因此體積快速增大. 3)緩慢凍脹階段. 這一階段冰分凝已經(jīng)比較充分，凍結(jié)鋒面附近形成的冰透鏡的厚度及連續(xù)程度加大，使得凍脹量增長的幅度慢慢減小. 4)穩(wěn)定階段. 這一階段凍結(jié)鋒面基本穩(wěn)定，冰透鏡體停止生長，凍脹率幾乎停止增長，保持不變狀態(tài).

圖5　凍脹量隨時間變化曲線

2.2單因素試驗結(jié)果與分析

2.2.1含水率對凍脹率的影響

圖6為不同含水率與凍脹率的關(guān)系曲線，可以看出，在含泥量一定的情況下，土體的凍脹率隨著含水率的增大而增大. 其原因分析如下：含泥量一定，則干密度一定，在干密度一定的情況下，土體的飽和度隨著含水率的增大相應增大，孔隙中的水分黏結(jié)更為緊密，水分連續(xù)遷移更加明顯，凍結(jié)時孔隙冰體積增加，因而產(chǎn)生的總的凍脹量增大. 對3組數(shù)據(jù)擬合可知：土體凍脹率與含水率呈現(xiàn)一元線性關(guān)系，3條擬合直線的斜率關(guān)系為k0.25>k0.45>k0.15，這是因為含泥量為45%的土樣的干密度在3種土樣當中最小(見擊實試驗結(jié)果)，土體也最疏松，土體有比較大的孔隙，能夠容納更多的凍結(jié)冰，不容易使得土粒之間的空間變大從而引起凍脹. 此時，隨著含水率的增大，凍脹率增大的幅度較小. 隨著含泥量減小到25%，土樣的干密度也相應增大，導致土體顆粒之間的距離相應減小. 在這種情況下，薄膜水就會在土體凍結(jié)過程中有相對比較活躍的水分遷移. 由此凍結(jié)的冰能夠使得土粒之間的距離明顯增大. 此時，隨著含水率的增大，凍脹率增大的幅度較大. 然而這種增幅并非隨著干密度的增大一直增大，當含泥量減小到15%時，土體的干密度繼續(xù)增大，此時凍脹率的增幅反而減小，這是由于此時土體的骨架連結(jié)力比較大，這樣就會使得存在相互重疊在一起的結(jié)合水膜，水膜重疊在一起就會使得這種結(jié)合水膜變得比較厚，從而使得水膜的滲透性會相應的降低，最終使得水分遷移的通道也就相對變小了. 所以凍脹率的增幅也相應減小.

圖6　含水率與凍脹率的關(guān)系曲線

2.2.2含泥量對凍脹率的影響

圖7為不同含泥量與凍脹率的關(guān)系曲線，可以看出，在飽和度一定的情況下，土體的凍脹率隨著含泥量的增大而增大. 含泥量為10%時，土體的凍脹率較小. 分析其原因：土顆粒越細，其比表面積越大，表面能越高，與水相互作用的能量也越高. 具體來講，土顆粒表面都會吸附一定厚度的水膜，細顆粒較高的表面能可將水膜緊緊吸附在土粒周圍，土粒間的相互連接構(gòu)成利于水分連續(xù)遷移的薄膜通道, 因此，凍脹率更大.

圖7　含泥量與凍脹率的關(guān)系曲線

由上圖的擬合曲線斜率的變化可知，凍脹率的增幅隨著含泥量的增大呈現(xiàn)減小的趨勢，這是由于，隨著含泥量的增加，土樣當中的細顆粒的含量也在逐漸增加，顆粒直徑特別小時，巨大的表面能使得土粒與未凍水的結(jié)合作用增大，從而使土粒表面吸附水膜的厚度增大，減小了供水分遷移的薄膜通道，降低了土體的水分滲透性能，甚至土顆粒外圍水膜過厚造成疊加完全阻塞遷移通道，從而導致水分遷移能力大大減弱，對凍脹率產(chǎn)生抑制作用.

飽和度越大，凍脹率越大. 一是由于飽和度越大，含水率越大，因而凍脹率越大；二是由于飽和度越大，土體當中的孔隙體積占土體總體積的比例就越小，凍結(jié)期間更容易被凍結(jié)冰填充，從而更容易引起土顆粒位移，產(chǎn)生更大的凍脹. 同時觀察3條曲線的斜率可得，凍脹率的增幅隨著飽和度的增大呈現(xiàn)減小的趨勢，這是因為未飽和時，水分的遷移和聚集作用比飽和時更加明顯，因而對于凍脹增幅的抑制作用小.

2.2.3壓實度對凍脹率的影響

圖8為不同壓實度與凍脹率的關(guān)系曲線，可以看出，在土體含水率和含泥量相同的條件下，土體的凍脹率隨著壓實度的增大呈現(xiàn)增大后減小的趨勢. 其原因分析如下：在壓實度較低時，隨著壓實度的增大，土中未凍水膜的連續(xù)性比疏松時未凍水膜的連續(xù)性增強，有利于水分遷移與聚冰，因而凍脹強度增大；當壓實度增大到一個臨界值時使薄膜通道減到最小，此時土體的凍脹強度最大，而隨著壓實度繼續(xù)增大超過這一臨界值時，土體的凍脹強度減小，這是由于土中孔隙體積縮小，使得土顆粒間的有效接觸面積增加，造成外圍水膜相互疊加，導致凍結(jié)時水分遷移受阻.

圖8　壓實度與凍脹率的關(guān)系曲線

在工程實際中，一般將壓實度控制在95%～98%的范圍內(nèi)，而實驗結(jié)果表明，壓實度為95%左右時，凍脹率達到最大值，因此在實際施工時，對壓實度的控制應予以注意.

2.2.4上覆荷載對凍脹率的影響

圖9為不同上覆荷載與凍脹率的關(guān)系曲線，可以看出，上覆荷載對土樣的凍脹具有抑制作用，凍脹率隨上覆荷載的增大而減小. 但是從擬合曲線的變化率來看，這種抑制作用影響不大，這是由于土體內(nèi)部凍脹時所產(chǎn)生的凍脹力是非常大的，外加荷載相對來說所起的作用就比較小了.

圖9　上覆荷載與凍脹率的關(guān)系曲線

2.2.5補水狀況對凍脹率的影響

圖10為是否補水與凍脹率的關(guān)系曲線，可以看出，是否補水對土樣的凍脹率影響較大，補水能使凍脹率增大3倍以上，這是由于土體內(nèi)部水分遷移聚集形成孔隙負壓，使得外界水分源源不斷地向凍結(jié)封面遷移和聚集，并形成冰透鏡體，導致凍脹率急劇增大，這說明外界補水是引起及土基凍脹的主要因素.

圖10　是否補水與凍脹率的關(guān)系曲線

3多因素回歸分析

將試驗數(shù)據(jù)結(jié)果整理如表3所示，以含水率ωm、含泥量ωs、壓實度k、上覆荷載p為自變量，以凍脹率η為因變量. 利用MATLAB編程對試驗結(jié)果進行多元回歸分析，得到含水率、含泥量、壓實度、上覆荷載綜合影響下的凍脹率的回歸模型為

η=0.147 651ωm+0.121 521ωs-0.002 08ωs2-

0.048 18k+0.000 323k2-0.002 74p.

修正擬合系數(shù)R2=0.990 872，F(xiàn)=542.758 6>F0.05(4，36)=2.65，顯著性非常好，反映該回歸模型擬合情況良好，可信度較高，說明以上幾個因素對土體凍脹率有顯著性影響，故該回歸模型合理有效. 由各個因素回歸系數(shù)的可知，對凍脹率的影響由大到小的順序: 含水率、含泥量、壓實度、上覆荷載. 為了檢驗該公式的正確性和有效性，本文將初始條件代入公式，得到凍脹率擬合值，將其與試驗值對比分析如圖11所示.

表3　凍脹試驗結(jié)果匯總

由圖11可知，計算值與試驗值擬合情況良好，說明該公式具有較高的準確性和一定的有效性. 應用該回歸模型可以預測不同因素綜合影響下的凍脹率，具有一定的工程應用價值. 由于該公式只是考慮到了壓實度、含水率、含泥量、上覆荷載等幾種主要因素對于凍脹率的影響，并未將其他所有因素考慮在內(nèi)，因此還具有一定的局限性，這一點有待進一步改進.

圖11　試驗值與擬合值對比

4結(jié)論

1)在封閉條件下，凍脹率隨含水率的增大而線性增大；隨含泥量的增大呈非線性關(guān)系遞增；隨壓實度的增大呈先增大后減小的趨勢，在壓實度為95%的狀態(tài)下達到最大值；隨上覆荷載的增大呈線性關(guān)系平緩遞減.

2)經(jīng)多元回歸分析，得到了多因素綜合影響下的回歸模型為η=0.147 651ωm+0.121 521ωs-0.002 08ωs2-0.048 18k+0.000 323k2-0.002 74p. 可見含水率ωm和含泥量ωs對凍脹的影響較大. 應用該回歸模型可以預測不同因素綜合影響下的凍脹率，具有一定的工程應用價值.

3)外界補水條件下，土體凍脹率顯著增大，通常能夠增大3倍以上.

4)各個因素對凍脹率的影響由大到小順序: 補水、含水率、含泥量、壓實度、上覆荷載. 因此，在工程實際中，控制補水、含水率、含泥量是防凍設計的關(guān)鍵.

參考文獻

[1] EVERETT D H. The thermodynamics of frost damage to porous solids[J]. Transaction Faraday Society, 1961, 57: 1541-1551.

[2] MILLER R D. Lens initiation in secondary frost heaving[R]. Lulea, Sweden: Int Symp on Frost Action in Soils, 1977.

[3] 吳紫汪. 土的凍脹性試驗研究[M]//蘭州冰川凍土所集刊第2號. 北京: 科學出版社, 1981: 82-96.

[4] 陳肖柏. 砂礫料之凍脹敏感性[J]. 巖土工程學報，1988 (3): 23- 29.

[5] 王天亮, 岳祖潤.細粒含量對粗粒土凍脹特性影響的試驗研究[J].巖土力學,2013,34(2): 359-365，388.

[6] 巨娟麗. 白砂巖土的凍脹率試驗研究[J]. 水利與建筑工程學報，2004, 2(2): 51-54.

[7] 程佳, 趙相卿, 楊曉明. 青藏鐵路多年凍土區(qū)典型土樣凍脹率特性研究[J].冰川凍土, 2011, 33(4): 863- 866.

[8] 劉新華. 季節(jié)凍土凍脹和融沉的影響因素研究[D]. 西安：長安大學，2007.

[9] 高志華. 青藏鐵路路基凍脹變形特點研究[D]. 西安： 長安大學，2010.

[10]張以晨,李欣,張喜發(fā),等.季凍區(qū)公路路基粗粒土的凍脹敏感性及分類研究[J].巖土工程學報, 2007,29(10): 1522-1526.

[11]徐洪坤,楊祺,伍危.寒區(qū)機場道基凍脹預測模型[J]. 路基工程,2007 (5):17-19.

[12]楊銳,王肖戎,許金余.高寒地區(qū)機場道面基層底面凍脹應力的計算[J].空軍工程大學學報(自然科學版),2007,8(3): 16-18.

[13]李博,蔡良才,張羅利.機場工程土基處理分析[J].四川建筑科學研究,2010,36(6):104-106.

[14]閆永剛,劉文錄.西北戈壁灘機場水泥混凝土道面病害與對策研究[J].甘肅科技縱橫,2010, 39(3): 151- 154.

[15]沈哲,李永毅, 李澎, 等. 高寒地區(qū)機場土基凍脹特性試驗研究[J]. 施工技術(shù), 2010, 39(增刊): 8-11.

[16]交通部公路科學研究院.公路土工試驗規(guī)程：JTG E40—2007[S].北京:人民交通出版社,2007:345-349.

(編輯魏希柱)

Frost heaving properties of gravel soil in seasonal frozen region of Qinghai-Tibet Plateau

CEN Guoping1, LONG Xiaoyong1, HONG Gang1, LIU Jiying1, WANG Xinzhong2, JIA Yong2

(1.School of Aeronautics and Astronautics Engineering, Air Force Engineering University, 710075 Xi’an, China;2.China Civil Airport Construction Corporation, 710075 Xi’an, China)

Abstract:In order to explore frost heaving properties of gravel soil containing mud in seasonal frozen region of Qinghai-Tibet Plateau, and provide the foundation for airport engineering anti-freezing expansion design, Particle analysis experiment and compaction experiment were conducted to provide the basis indoor frost heaving rate experiment. Then it improved for gravel soil particle size characteristics of large heaving rate based on traditional means of laboratory experiments, following the improved apparatus a series of sets of orthogonal frost heave indoor tests were conducted to study the influence of factors including degree of compaction, moisture content, silt content, overlying load, water replenishing on frost heaving ratio by the improved experiment device. The test results show that frost heaving ratio of gravel soil containing mud in seasonal frozen region of Qinghai-Tibet Plateau showed a trend of decrease after the first increase with the increase of degree of compaction in a sealed environment, and approaches its maximum at the compaction degree of 95%; increases linearly with the increase of moisture content, increases with the increase of silt content corresponding to a polynomial function; Gently decreases at an exponential functional with the increase of overlying load. Frost heaving ratio increases over three times under the condition of the water replenishing. Multi-factor regression forecast formula is obtained by the multiple regression analysis. The influence of various factors on frost heaving ratio decreasing order: water replenishing, moisture content, silt content, degree of compaction, overlying load. Consequently, it is the key of anti-freezing expansion design to control water replenishing, moisture content, silt content.

Keywords:airport earth subgrade; gravel soil; frost heaving; moisture content; silt content; multiple regression analysis

中圖分類號:TU411.99

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)03-0053-07

通信作者:岑國平， cenguoping@163.com.

作者簡介:岑國平(1962—)，男，教授，博士生導師.

基金項目:民航科研專項資金(MHRD20140216).

收稿日期:2014-12-15.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.009