凍融對銀川平原壓實(shí)砂土壓縮性的影響

劉 艷, 崔自治, 韓 莉

(銀川能源學(xué)院 土木建筑學(xué)院, 寧夏 銀川 750100)

粉細(xì)砂在銀川平原廣泛分布[1]，形成的土層厚.這些土層冬季含水率高、凍脹和融沉變形大，其上工程受凍害影響嚴(yán)重[2].土的類別、組成、孔隙結(jié)構(gòu)、密實(shí)度和含水率是影響土凍融變形的內(nèi)因，補(bǔ)水情況、凍融溫度、速率、凍融循環(huán)次數(shù)和凍融方式是影響凍融變形的外因[3-5].土的含水率高，凍融變形大，含水率小于某一值時表現(xiàn)為凍縮，與凍融循環(huán)次數(shù)呈雙曲線關(guān)系，數(shù)次凍融循環(huán)后趨于穩(wěn)定[6-8].土松散時表現(xiàn)為凍縮，密實(shí)時表現(xiàn)為凍脹[7-8].密實(shí)度不同的土經(jīng)多次循環(huán)凍融后孔隙比趨于界限孔隙比[4].封閉系統(tǒng)條件下，土的凍融變形隨密實(shí)度的增大而減小[9-10].開放系統(tǒng)條件下，凍融變形在某凍融循環(huán)之前隨干密度的增大逐漸減小，之后隨干密度的增大逐漸增大[11].影響土凍融變形的因素多，且作用規(guī)律千差萬別.土在受凍融作用后的變形和力學(xué)性能有明顯的區(qū)域特性[12].目前關(guān)于銀川平原粉細(xì)砂土的凍融變形和凍融后的力學(xué)性能研究還很少，難以滿足該地區(qū)工程凍害評價和防治的需要.結(jié)合銀川平原粉細(xì)砂土層所處的氣候和水文地質(zhì)特點(diǎn)，研究其在多個因素共同作用下凍融后的壓縮性變化規(guī)律，分析作用機(jī)制，探索主要的控制因素，對冬灌條件下銀川平原砂土地基上工程的凍害評價與防治具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自銀川某建設(shè)工程場地，含水率為6.8%，密度為1.76 g/cm3，土粒相對密度為2.68，粒徑級配見表1.大于0.075 mm的顆粒含量超過85%，依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，應(yīng)為細(xì)砂.不均勻系數(shù)為2.64，小于5，級配不良.最大干密度為1.81 g/cm3.

1.2 試驗(yàn)方案

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results

2) 試樣制備.將土樣風(fēng)干，碾散，測定含水率.按設(shè)計方案加水充分拌勻，密封潤濕不少于24 h.試樣采用分層壓樣法制備27組，每組2個,分別用于基準(zhǔn)壓縮試驗(yàn)，補(bǔ)水和非補(bǔ)水凍融后的壓縮試驗(yàn).試樣上加套環(huán)，下放不吸水的玻璃圓片，用不透水的塑料薄膜密封[10].在冷凍箱中分別采用封閉系統(tǒng)凍融和定飽和度法[11]凍融.達(dá)到方案中設(shè)定的凍融循環(huán)后，將試樣表面削平.

3) 壓縮試驗(yàn).依照GB 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對凍融后的試樣應(yīng)用全自動氣壓固結(jié)儀，分別在0.05、0.10、0.20、0.40 MPa 壓力下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，以壓縮變形速率不大于0.01 mm/h為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn).按0.10～0.20 MPa壓力之間的壓縮系數(shù)α評價凍融對壓縮性的影響.

4) 數(shù)據(jù)分析.按正交試驗(yàn)的分析理論計算各因素作用的極差和顯著性評價參數(shù)F，評價因素作用的顯著性.

2 結(jié)果與分析

壓縮試驗(yàn)結(jié)果列于表2，其中e1和e2為誤差列.應(yīng)用正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析理論，分析各因素對壓縮性的作用規(guī)律和影響程度.

由表2可知，1) 補(bǔ)水與非補(bǔ)水凍融各組試樣壓縮系數(shù)均大于基準(zhǔn)試樣的壓縮系數(shù)，凍融使試樣的壓縮性增大；2) 補(bǔ)水凍融各組試樣的壓縮系數(shù)均大于非補(bǔ)水凍融試樣的壓縮系數(shù)，二者最大差值為0.039，平均值為0.024.補(bǔ)水凍融對壓縮性的影響明顯大于非補(bǔ)水凍融對壓縮性的影響.

2.1 趨勢分析

壓縮系數(shù)及其增量隨壓實(shí)度、飽和度的變化趨勢分別繪于圖1、圖2.

圖1 壓縮系數(shù)變化趨勢Fig.1 Trend of compression coefficient

圖2 壓縮系數(shù)增量變化趨勢Fig.2 Incremental trend of compression coefficient

由圖1可知，基準(zhǔn)試樣及經(jīng)20次循環(huán)凍融后的試樣，其壓縮系數(shù)均隨壓實(shí)度的增大呈非線性減小，壓實(shí)度從0.88增大到0.93時壓縮系數(shù)的減小量明顯大于壓實(shí)度從0.93增大到0.98時壓縮系數(shù)的減小量，當(dāng)壓實(shí)度較低時壓實(shí)度的變化對壓縮性影響較為顯著.凍融后的壓縮系數(shù)隨壓實(shí)度變化的規(guī)律表明，壓實(shí)度越大凍融對壓縮性的影響越小.基準(zhǔn)試樣及經(jīng)20次循環(huán)凍融后的試樣，其壓縮系數(shù)均隨飽和度的增大呈非線性增大，與飽和度為50%～70%相比，飽和度為30%～50%對壓縮性的影響較大.凍融后的壓縮系數(shù)隨飽和度變化的規(guī)律表明，飽和度越大凍融對壓縮性的影響越高.補(bǔ)水凍融較非補(bǔ)水凍融，試樣壓縮性明顯增加，尤其是壓實(shí)度大的試樣，其壓縮性的增加更為明顯，補(bǔ)水條件對凍融后試樣的壓縮性影響很大.阻斷水的補(bǔ)給是減輕凍融對壓縮性影響的有效措施.

壓縮系數(shù)增量為凍融后試樣的壓縮系數(shù)與基準(zhǔn)試樣壓縮系數(shù)的差.由圖2可見，壓實(shí)度不斷增大，試樣在非補(bǔ)水條件下凍融后的壓縮系數(shù)增量逐漸減小，而在補(bǔ)水條件下凍融后的壓縮系數(shù)增量逐漸增大.不同的補(bǔ)水條件，壓縮系數(shù)增量隨壓實(shí)度變化的規(guī)律恰恰相反.非補(bǔ)水條件下凍融后的壓縮系數(shù)增量隨壓實(shí)度變化的規(guī)律表明，壓實(shí)度越大凍融對壓縮性的影響越小.補(bǔ)水條件下凍融后的壓縮系數(shù)增量隨壓實(shí)度變化的規(guī)律表明，壓實(shí)度越大凍融對壓縮性的影響越高.僅在非補(bǔ)水條件下，提高壓實(shí)度可減輕凍融對壓縮性的不利影響.飽和度不斷增大，兩種補(bǔ)水條件下凍融的壓縮系數(shù)增量均隨之逐漸增大，壓縮系數(shù)增量與飽和度近似呈線性增長關(guān)系.降低飽和度可減輕凍融對壓縮性的不利影響.

補(bǔ)水條件下土凍融后的壓縮系數(shù)增量隨壓實(shí)度變化的規(guī)律與壓縮系數(shù)隨壓實(shí)度變化的規(guī)律恰恰相反.壓實(shí)度對土凍融后壓縮性能的影響，用不同的參數(shù)表征，反映出不同的規(guī)律.壓縮系數(shù)增量反映了土凍融前后壓縮性的變化，用其評價各因素對土凍融后壓縮性的影響較為合理.

2.2 因素的重要性分析

2.2.1極差分析

壓實(shí)度、飽和度的作用極差繪于圖3.由圖3可知:1) 關(guān)于壓縮系數(shù)，壓實(shí)度的影響極差最大，飽和度的影響極差較小，誤差列e1和e2的極差最小，壓實(shí)度的影響程度大于飽和度的影響程度；2) 關(guān)于壓縮系數(shù)增量，非補(bǔ)水凍融條件下，壓實(shí)度的影響程度大于飽和度的影響程度；補(bǔ)水凍融條件下，飽和度的影響程度大于壓實(shí)度的影響程度，飽和度為更重要的影響因素.

圖3 極差分析Fig.3 Analysis of extreme difference

2.2.2方差分析

正交試驗(yàn)的方差分析結(jié)果列于表3.由表3可見，非補(bǔ)水凍融條件下，壓實(shí)度對壓縮系數(shù)及其增量的影響很顯著.飽和度對壓縮系數(shù)及其增量的影響很顯著.補(bǔ)水凍融條件下，壓實(shí)度和飽和度對壓縮系數(shù)及其增量的影響均很顯著，壓實(shí)度和飽和度都是影響砂土凍融后壓縮性的主導(dǎo)因素，在施工和運(yùn)營過程中應(yīng)嚴(yán)格控制.

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis

2.3 相關(guān)分析

壓縮系數(shù)增量與凍融體積變形率的關(guān)系如圖4所示.由圖4可見，壓縮系數(shù)增量與凍融體積變形率間存在一定的線性相關(guān)性，擬合得Δα=0.046 9ε-0.00 9，相關(guān)系數(shù)R2= 0.930 5.二者的線性相關(guān)性很好.可用凍融體積變形率計算壓縮系數(shù)增量，以減少試驗(yàn)工作量.

圖4 壓縮系數(shù)增量與凍融體積變形率的關(guān)系Fig.4 Correlation between compression coefficient increment and freeze-thaw deformation rate

3 結(jié)論

綜合上述分析，關(guān)于銀川平原地區(qū)壓實(shí)砂土凍融后的壓縮性，得出如下結(jié)論：

1) 關(guān)于壓實(shí)砂土凍融后的壓縮性，補(bǔ)水的影響明顯的大于非補(bǔ)水的影響，兩種補(bǔ)水條件下凍融后試樣的壓縮系數(shù)差最大值達(dá)0.039，平均為0.024，補(bǔ)水條件是影響壓實(shí)砂土凍融后壓縮性的重要因素.阻斷水的補(bǔ)給是減輕凍融對壓縮性影響的有效措施.

2) 試樣的壓實(shí)系數(shù)由0.88增加到0.98，凍融后其壓縮系數(shù)增量在非補(bǔ)水條件下減小了0.015，在補(bǔ)水條件下增大了0.010.非補(bǔ)水條件下增大壓實(shí)度可減輕凍融對壓縮性的不利影響，補(bǔ)水條件下增大壓實(shí)度將加劇凍融對壓縮性的不利影響.

3) 壓實(shí)度和飽和度對凍融后壓縮性的影響均為顯著或很顯著，二者都是主導(dǎo)因素，在施工和運(yùn)營過程中應(yīng)嚴(yán)格控制.

4) 壓縮系數(shù)增量與凍融體積變形率間存在很好的線性相關(guān)性，可用凍融體積變形率計算壓縮系數(shù)增量，以減少試驗(yàn)工作量.

致謝：本文得到銀川能源學(xué)院科研項(xiàng)目(2018-KY-J-03)及銀川能源學(xué)院本科教學(xué)工程項(xiàng)目(2018-TD-X-03)的資助，在此表示感謝.