凍融循環(huán)作用下粉質(zhì)砂土的融化壓縮試驗(yàn)研究

武 寧 溫艷紅

（1.浙江愛(ài)麗智能檢測(cè)技術(shù)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311700；2.昆山遠(yuǎn)通建筑咨詢(xún)有限公司，江蘇 昆山 215300）

青藏鐵路那曲物流中心地處海拔4500m的青藏高原，是世界上海拔最高的物流中心，場(chǎng)地內(nèi)最大土壤凍結(jié)深度為2.81m，為深季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)。有關(guān)季節(jié)凍土區(qū)地基病害防治的研究，多限于凍脹問(wèn)題的探討，對(duì)融沉指標(biāo)(融沉系數(shù)和融化壓縮系數(shù))的考慮一般較少，但近年來(lái)的凍害調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，融沉性在季節(jié)凍土地區(qū)的建筑物穩(wěn)定性方面的應(yīng)用仍然具有積極的意義。反復(fù)的凍融循環(huán)作用是影響融沉變形的主要因素，而土體的融化壓縮系數(shù)是與此密切相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)。因此，研究土體在凍融前后壓縮參數(shù)的變化對(duì)于深刻理解融沉變形的實(shí)質(zhì)是很有意義的。

早在20世紀(jì)30年代，國(guó)外專(zhuān)家Tsytovich就研制了專(zhuān)門(mén)的隔熱壓縮儀，研究了凍土融化壓密的過(guò)程。Graham等[1]對(duì)原狀土在一維壓縮條件下進(jìn)行了凍融試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)5次凍融循環(huán)后，土體的結(jié)構(gòu)性嚴(yán)重減弱。Konrad等[2]通過(guò)試驗(yàn)，認(rèn)為土體經(jīng)過(guò)反復(fù)的凍融循環(huán)后，孔隙比趨于穩(wěn)定。國(guó)內(nèi)，張貴生等[3]發(fā)現(xiàn)，土體的壓縮系數(shù)在遭受凍融作用后明顯增大，尤其是施加第一級(jí)荷載時(shí)更明顯。何平等[4]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土體的反復(fù)凍融過(guò)程可以造成土體的密度降低。朱元林等[5]認(rèn)為，凍土區(qū)地基壓縮變形是建筑物地基沉降預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)考慮的必要因素。童長(zhǎng)江等[6]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，季節(jié)凍土和多年凍土之間的融化壓縮特性具有共性亦有差異。胡莫珍等[7]認(rèn)為，多次凍融循環(huán)使凍土的壓縮性能逐漸劣化。王天亮等[8]和嚴(yán)晗等[9]研究了凍融循環(huán)條件下粉砂土的融沉性質(zhì)。師華強(qiáng)等[10]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)作用使土的壓縮系數(shù)增大，壓縮模量減小。

綜上所述，正確預(yù)報(bào)凍土區(qū)建筑物下地基融化壓縮沉降的重要性，是不言而喻的。因此，本文通過(guò)深季節(jié)凍土區(qū)粉質(zhì)砂土在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)后試驗(yàn)，闡述了融化壓縮系數(shù)與含水率、壓實(shí)度、冷卻溫度以及凍融循環(huán)次數(shù)之間的變化規(guī)律，為進(jìn)一步深化對(duì)凍土區(qū)融化壓縮特性的研究提供了參考。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.1 試驗(yàn)制備及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土樣取自青藏鐵路那曲物流中心的粉質(zhì)砂土，主要物理參數(shù)：土樣顆粒密度為2.70g/cm3，滲透系數(shù)為5.87×10-6cm/s，最大干密度為1.95g/cm3，最優(yōu)含水率為11.2%，含鹽量測(cè)試結(jié)果為0.15%(測(cè)試的離子主要包括SO42-、CO32-、Na+、K+)。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)含水率W為9%、11%、13%、15%，壓實(shí)度K為90%、93%、95%、97%。為保證試驗(yàn)的可比性與準(zhǔn)確性，相同凍融循環(huán)次數(shù)的試件采用標(biāo)準(zhǔn)批量制備。首先按試驗(yàn)設(shè)計(jì)所需含水率配制土樣——將粉砂土在限制水分蒸發(fā)條件下悶料24h，以使水分遷移均勻，并測(cè)定土樣的含水率，以保證其含水率誤差在準(zhǔn)許誤差范圍內(nèi)(準(zhǔn)許誤差±1%)。然后按照設(shè)計(jì)壓實(shí)度控制干密度，分3層裝模，層與層之間刮毛，防止出現(xiàn)分層現(xiàn)象。制樣時(shí)為防止水分揮發(fā)，在試樣底部放一塑料薄膜，制樣完成后用塑料袋包裹好試樣筒，放入高低溫交變?cè)囼?yàn)箱進(jìn)行凍融循環(huán)。所制備的試樣高度H=100mm，直徑D=100mm。表1給出了粉砂土的融化壓縮試驗(yàn)方案。

表1凍融試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.2 凍融循環(huán)過(guò)程設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采取先融化后壓縮的試驗(yàn)方法。凍融循環(huán)的溫度確定參照那曲深季節(jié)凍土區(qū)的溫度變化，冷凍溫度TF確定為-20℃、-15℃、-10℃、-5℃和-3℃共5種，融化溫度TT為12℃。凍結(jié)和融化過(guò)程在高低溫交變?cè)囼?yàn)箱中進(jìn)行，在凍融過(guò)程中無(wú)水源補(bǔ)給(封閉條件下的凍融試驗(yàn))。凍結(jié)和融化持續(xù)時(shí)間均為12h，此為一個(gè)凍融循環(huán)周期。凍融循環(huán)次數(shù)FT為0、1、3、6和10次。將經(jīng)歷設(shè)定凍融次數(shù)的試樣取出，安裝于壓縮儀上預(yù)加1kPa荷載進(jìn)行融沉，經(jīng)過(guò)24h土樣完全融化，融沉達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后逐級(jí)施加荷載進(jìn)行融化壓縮試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)引用融化壓縮系數(shù)(ai)分析各影響因素對(duì)粉砂土融化壓縮特性的影響規(guī)律。其中，融化壓縮系數(shù)：

式中ai-融化壓縮系數(shù)，MPa-1；

pi-第i級(jí)壓力值，MPa；

Si-第i級(jí)荷載作用下的變形量。

2.1 凍融循環(huán)對(duì)融化壓縮系數(shù)的影響

凍融過(guò)程的冷生作用改變了土的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了土樣的壓縮特性也與凍融前不盡相同。因此，考察凍融前后土樣融化壓縮系數(shù)的變化對(duì)于寒區(qū)巖土工程來(lái)說(shuō)是必不可少的，融化壓縮系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 融化壓縮系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

圖1為不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)粉砂土融化壓縮系數(shù)的影響變化分析。當(dāng)含水率或壓實(shí)度一定時(shí)，在各級(jí)荷載的作用下，粉砂土的融化壓縮系數(shù)隨凍融循環(huán)的影響規(guī)律為：未經(jīng)歷凍融循環(huán)的粉砂土，壓縮系數(shù)均較低，但在經(jīng)歷凍融循環(huán)1、3、6、10次后，其融化壓縮系數(shù)均出現(xiàn)一定幅度的增加。具體表現(xiàn)為經(jīng)歷1次凍融循環(huán)的粉砂土的壓縮系數(shù)略有增大，但不是很明顯。但土體經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的凍結(jié)、融化作用后，粉砂土融化壓縮量在逐漸增加，并且在經(jīng)歷第3次的凍融循環(huán)后融化壓縮量增加較為明顯，但第6次凍融循環(huán)后融化壓縮系數(shù)趨于穩(wěn)定，第10次凍融循環(huán)后粉砂土的融化壓縮系數(shù)與第6次凍融循環(huán)后相差甚微。這也說(shuō)明，土體經(jīng)過(guò)反復(fù)的凍融循環(huán)，使得土顆粒間改變了原來(lái)的位置關(guān)系，由動(dòng)態(tài)的不平衡狀態(tài)向新的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)發(fā)展，最終達(dá)到穩(wěn)定。

2.2 含水率對(duì)融化壓縮系數(shù)的影響

在季節(jié)冰凍區(qū)，含水率的大小直接影響融化壓縮系數(shù)，融化壓縮系數(shù)與含水率的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 融化壓縮系數(shù)與含水率的關(guān)系曲線

從圖2可知，F(xiàn)T=0時(shí)，試樣在未受到凍結(jié)、融化作用的影響時(shí)，隨著含水率增大，其壓縮系數(shù)也相應(yīng)增加，說(shuō)明土樣含水率越高，壓縮性能越差。在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后，試樣的融化壓縮系數(shù)隨含水率的增大也呈遞增的趨勢(shì)，1次凍融循環(huán)后含水率15%的土樣的壓縮系數(shù)增幅最明顯。這主要是凍結(jié)過(guò)程中不同含水率粉砂土體內(nèi)水相轉(zhuǎn)變?yōu)楸瑢?dǎo)致土體膨脹，含水率越大膨脹量越大；當(dāng)溫度升高，冰融化為水，土顆粒重新排列，水被排出，與之對(duì)應(yīng)含水率越高被排出的水越多，可壓縮性也越大。冰水間的轉(zhuǎn)化破壞了土顆粒之間的原始膠結(jié)，導(dǎo)致其壓縮性能也越來(lái)越差。含水率和凍脹作用都會(huì)對(duì)試驗(yàn)的融化壓縮系數(shù)產(chǎn)生減益影響。

2.3 壓實(shí)度對(duì)融化壓縮系數(shù)的影響

土體產(chǎn)生融化壓縮下沉的根本原因是凍土融化后孔隙體積的變化，融化壓縮系數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 融化壓縮系數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系曲線

與未凍土一樣，對(duì)季節(jié)性?xún)鐾羴?lái)說(shuō)，壓實(shí)度提高后土體密度增大，密實(shí)度提高，土中孔隙減少，試樣的可壓縮性必然減小。如圖3所示，粉砂土的壓縮曲線也證實(shí)了壓實(shí)度越大，土體的壓縮系數(shù)越小，土體的壓縮性也相應(yīng)增強(qiáng)。在加載初期試樣孔融化壓縮系數(shù)減小很快，這時(shí)由于試樣中水和空氣的排出，土的孔隙比減小，體積被壓縮，隨著荷載的增加，土中孔隙越來(lái)越小，土顆粒和土中的水很難被壓縮，所以曲線趨于平緩。由此也可得知提高壓實(shí)度是減小路基壓密沉降的有效措施。

2.4 冷凍溫度對(duì)融化壓縮系數(shù)的影響

本試驗(yàn)主要是通過(guò)研究在經(jīng)歷1次凍融循環(huán)后粉砂土凍土試樣進(jìn)行試驗(yàn)與觀測(cè)，融化壓縮系數(shù)與不同冷凍溫度的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 融化壓縮系數(shù)與不同冷凍溫度的關(guān)系曲線

土體在經(jīng)歷1個(gè)凍融循環(huán)后，粉砂土的融化壓縮系數(shù)隨著冷凍溫度的降低而略增大，這表明冷凍溫度對(duì)粉砂土融化壓縮系數(shù)的影響不太明顯。分析其原因：含水率和壓實(shí)度一定的情況下，由于粉砂土的孔隙比較小，在一定的冷凍溫度下水分容易充分凍結(jié)，在沒(méi)有外界水分補(bǔ)給的情況下，土體體積膨脹較小，所以冷凍溫度對(duì)融化壓縮系數(shù)的影響不太明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)反復(fù)的凍結(jié)融化作用對(duì)粉砂土的融化壓縮特性有不同程度的影響，經(jīng)歷6次凍融循環(huán)后融化壓縮系數(shù)才趨于穩(wěn)定。1次凍融循環(huán)的影響微乎其微，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，融化壓縮系數(shù)增大，第3次凍融循環(huán)后的變化較為明顯。同時(shí)，粉砂土的融化壓縮系數(shù)與含水率呈正相關(guān)性，與壓實(shí)度呈負(fù)相關(guān)性，冷凍溫度的影響則不太明顯。

(2)無(wú)論是未凍土還是經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的融化土，融化壓縮系數(shù)與壓力的大小密切相關(guān)。從整個(gè)壓縮過(guò)程看，經(jīng)歷不同凍融循環(huán)的粉砂土的壓縮系數(shù)均隨壓力的增大而減小，而且ai并不是一個(gè)常數(shù)，在剛開(kāi)始受壓固結(jié)階段，融化壓縮系數(shù)急劇減小，隨著外荷載的不斷增大，曲線趨于平緩，整體變化規(guī)律呈現(xiàn)顯著的非線性特征。