不同因素對土壤凍脹率影響的正交試驗(yàn)研究

李佳瑞 熊 峰 呂婷婷

（1中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 311122；2廣西自然資源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西崇左 532100）

在季節(jié)性凍土地區(qū)修建各類建筑物，必須重點(diǎn)考慮防凍脹措施[1-2]。目前，關(guān)于凍脹的研究集中于3個(gè)方面，即凍脹機(jī)理研究[3-4]、凍脹影響因素研究[5-6]、凍脹預(yù)測模型研究。為了分析凍脹影響因素的重要性排序，選取土壤類型、土壤含水率、環(huán)境溫度、土壤鹽分含量等4個(gè)典型凍脹影響因素進(jìn)行室內(nèi)封閉系統(tǒng)正交試驗(yàn)。通過測定各試驗(yàn)組的凍脹量，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，探討各因素對凍脹的影響大小，從而為季節(jié)性凍土地區(qū)的建筑施工提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)方法

1.1 正交試驗(yàn)

本研究選取4個(gè)影響因素，即土壤類型（A）、含水率（B）、環(huán)境溫度（C）、鹽分含量（D），每個(gè)因素選取3個(gè)水平進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，如表1所示。

表1 土壤凍脹率L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析是通過確定參考序列和若干比較序列的幾何形狀相似程度判斷其關(guān)聯(lián)程度，越相似則關(guān)聯(lián)度越大。以凍脹率為參考序列，以因素A（土壤類型）、因素 B（含水率）、因素 C（環(huán)境溫度）、因素D（鹽分含量）作為比較序列，對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算。首先做初值化處理：

然后計(jì)算接近度（Δi）、關(guān)聯(lián)系數(shù)（ξi）和關(guān)聯(lián)度（γi），計(jì)算公式如下：

式中：ξi（k）為凍脹率與各因素在 k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)；Δmin為最小接近度，Δmax為最大接近度；ρ為分辨系數(shù)，在此取0.5[1]。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍脹率

測量所有試驗(yàn)處理的平均凍脹量并計(jì)算出凍脹率，結(jié)果如表2所示。

為了便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析，土壤類型用細(xì)粒含量作為其量化數(shù)據(jù)。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，所有工況下均發(fā)生了不同程度的凍脹變形。在所有試驗(yàn)處理中，最大凍脹率為4.62%，最小凍脹率為0.06%，大多數(shù)工況下凍脹率大于0.5%。

表2 凍脹率測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.2 灰色關(guān)聯(lián)度

初值化處理、接近度、關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算結(jié)果分別如表 3、4、5 所示。

表4 接近度計(jì)算結(jié)果

由表 5 中可知，ξ1（k）max=0.84、ξ2（k）max=0.92、ξ3（k）max=0.98、ξ4（k）max=1.00，對應(yīng)的最優(yōu)因素組合為黏土、含水率10%、溫度-12℃、鹽分含量1.5%。

表5 關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

最后計(jì)算得到關(guān)聯(lián)度：γ1=0.699 8，γ2=0.699 3，γ3=0.698 1，γ4=0.665 3。 從 γi排序來看，各影響因素的主次排序?yàn)锳＞B＞C＞D，即土壤類型影響最大，其次為含水率、環(huán)境溫度和鹽分含量。其中，土壤類型和含水率的關(guān)聯(lián)度非常接近，而鹽分含量關(guān)聯(lián)度相對較低。

本試驗(yàn)均為封閉系統(tǒng)，若每個(gè)試樣中的水全部凍結(jié)，其體積膨脹按1/9計(jì)算。對理論凍脹量與實(shí)際凍脹量進(jìn)行對比，結(jié)果如圖1所示。

可以看出，實(shí)際的凍脹量均小于純水的凍脹。其原因在于土體界面張力與空隙半徑較小，當(dāng)溫度低于土體凍結(jié)溫度時(shí)，孔隙中存在一部分未凍水[3]，其含量會(huì)隨著溫度的降低而減小。同時(shí)，土壤中細(xì)顆粒比例越大，土壤的比表面積越大，未凍含水量也越大[3]。這也是土壤類型對凍脹率影響最大的主要原因。本研究采用的是封閉式系統(tǒng)，未考慮地下水補(bǔ)充的問題。在有充足地下水補(bǔ)充的條件下，土壤類型和水的影響則需要進(jìn)一步研究和討論。

3 結(jié)論與討論

在本試驗(yàn)條件下，所有試驗(yàn)處理均會(huì)發(fā)生不同程度的凍脹，最大凍脹率為4.62%，最小凍脹率為0.06%，大多數(shù)工況下凍脹率大于0.5%。正交試驗(yàn)方法能夠科學(xué)安排與分析多因素試驗(yàn)，灰色關(guān)聯(lián)度分析可以對各個(gè)因素的影響程度進(jìn)行排序。結(jié)果表明，在影響凍脹率的各個(gè)因素中，土壤類型的影響程度最大，其次為含水率、環(huán)境溫度和鹽分含量?；疑P(guān)聯(lián)度分析結(jié)果表明，雖然土壤類型對凍脹率影響最大，但其他因素的關(guān)聯(lián)度均與其較為接近，尤其是含水率關(guān)聯(lián)度與其非常接近。在進(jìn)行實(shí)際凍脹分析時(shí)，應(yīng)綜合考慮各個(gè)因素的影響。

其他學(xué)者對凍脹率影響因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)含水率對級(jí)配碎石凍脹率影響最大，細(xì)顆粒含量的影響次之。結(jié)合本研究結(jié)果，認(rèn)為在同一大類土中，含水率對凍脹率影響最大；對于不同性質(zhì)的土，土壤類型對凍脹率影響更大。