封闭系统条件下银川平原压实砂土的冻融变形

徐韩宝 崔自治 沈素平

(银川能源学院，宁夏银川 750100)

0 引言

随着西部大开发的不断深入，宁夏基础设施建设投资加大，道路、渠道、蓄水建筑的地基冻胀、融沉问题越来越得到人们的重视，尤其是对地基变形控制严格的高速铁路。粉细砂地层在银川平原广泛分布[1]，层厚超过80～100 m，主要为冲、洪积层。因入冬前农田灌溉，地下水上升，冻深范围内的砂土含水率高、冻胀量大，工程冻害严重[2]。已有研究表明土的类型、组成、密实度和含水率是影响土冻融变形的内在因素，补水条件、冻融温度、速度和冻融循环次数是影响土冻融变形的外在因素[3-5]。土的冻融变形随含水率的增大而增大，随冻融循环次数的增大呈双曲线增加，一定冻融循环后趋于稳定[6-8]。松散的土冻缩，密实的土冻胀[7-8]。封闭系统冻融，压实土的冻融变形随密实度的增大而减小[9-10]。开放系统冻融，压实土的冻融变形在某冻融循环内随干密度的增大而减小，之后随干密度的增大而增大[11]。可见，影响土冻融变形的因素多，且千差万别，土的冻融变形具有明显的区域特性[12]。关于银川平原粉细砂的冻融变形研究还很少，严重缺乏工程冻害评价和防治的参考资料。结合银川平原地区粉细砂的组成、当地气候和水文地质特点，研究多因素共同作用下粉细砂的冻融变形规律，分析因素影响的显著性，探索主控因素，对银川平原冬灌区砂土地基工程冻害评价与防治具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

砂土取自银川市某工程场地地表下约2.5 m处，密度1.76 g/cm3，含水率6.8%，土粒相对密度2.68，粒径分布如图1所示，大于0.075 mm的颗粒达98.06%，为细砂，黏粒含量很低，不到1.0%。不均匀系数2.64，曲率系数0.91，级配曲线陡，粒径分布范围窄，级配不良。

图1 细砂的粒径分布

1.2 试验方案

(1)因素设计：以压实银川平原粉细砂为研究对象，考虑压实土的冻融变形主要受压实度和饱和度的影响，以压实度λc和饱和度Sr为因素，设计L9(34)正交试验方案，研究银川平原粉细砂在压实度、饱和度和冻融循环等因素共同作用下的冻融变形特性，探索主控因素。依据工程对回填土压实度的要求，及填土实际压实度的不确定性，设置压实度水平。依据饱和度随埋深变化的实际，设置饱和度的水平。参照文献[9]，设置冻融循环次数为20次，分别测定冻融1、3、7、12和20次时的冻融变形量。依据当地多年统计的最低气温，设定冻结温度为-18.0℃，融化温度为20.0℃，每个循环冻24 h，融24 h。L9(34)方案的因素及其水平列于表1，其中e1、e2为误差列。

表1 正交试验方案的因素与水平

(2)试样制备：将土样风干，碾散，拌均，测含水率。按方案加水拌均，密封润湿24 h。采用压样法成样，成样后立即密封以防失水。

(3)冻融试验：试样直径61.8 mm，高40.0 mm，侧面和底部均用5 cm厚的保温材料紧密封裹。将制备好的试样放入可控温度的低温试验箱中进行封闭系统单向冻融，在设定的冻融循环后，用百分表测定试件在冻结和融化后的高度，计算冻胀率η和融沉系数δ。

2 结果与分析

试验结果列于表2，由表2可以看出：①9组试样的冻胀率都为正，表现为冻胀；②冻胀率和融沉系数均随冻融循环次数的增加而增加，7次内增加较快，之后增加缓慢，12次基本达到稳定；③融沉系数与冻胀率的比值较大，在80%左右；④冻胀率最大的试样为压实度最小、饱和度最大的G3，冻胀率最小的试样为压实度最大、饱和度最小的G7，最大值与最小值的差为2.18。压实度相同组的极差最大值为1.53，饱和度相同组的极差最大值为1.33。饱和度和压实度的共同影响明显大于单因素的影响，不是两种因素单独作用结果的简单相加。融沉系数与冻胀率具有类似的表现。

试样冻融后的高度增量Δh与冻融循环次数N的关系曲线示于图2，图2表明：①试样冻融后，高度增大，结构变得疏松；②饱和度相同时，试样的压实度大，冻融后的变形小；③压实度相同时，试样的饱和度高，冻融后的变形大；④冻融后的试样高度增量随冻融循环次数的增加而增加。

图2 冻融变形时程曲线

表2 试验结果

2.1 趋势与极差分析

按正交试验理论分别计算出压实度和饱和度相同水平组的冻胀率与融沉系数的平均值及其极差。冻胀率与融沉系数的平均值随压实度、饱和度变化的趋势分别示于图3、图4，极差示于图5。

图3 冻胀率变化趋势

由图3、图4可见：封闭系统条件下，随压实度的增大，试样的冻胀率、融沉系数和趋势线的斜率均减小，冻胀率和融沉系数与压实度呈非线性关系，压实度的影响逐渐减小。随饱和度的增大，冻胀率、融沉系数和趋势线斜率均增大，冻胀率和融沉系数与饱和度呈非线性关系，饱和度的影响逐渐增大。

图4 融沉系数变化趋势

冻结过程，土中水和溶解于其中的部分盐因结晶产生体积膨胀，土粒和孔隙中的气体体积收缩。融化过程，土中水、盐、气体和土粒的体积变化则相反。通常水的结冰膨胀效应起主导作用，土体表现为冻胀，土粒增加冻胀性减弱，水增加冻胀性增强。压实银川砂土的封闭系统冻融变形是以水结冰膨胀效应为主导的结果。

由图5可见：封闭系统条件下，20次冻融循环过程中，不论是对冻胀率，还是对融沉系数，饱和度的作用极差始终最大，压实度的作用极差次之，误差列e1和e2的极差均很小。说明饱和度的影响大于压实度的影响，试验误差在容许范围内。饱和度的重要性大于压实度的重要性。

图5 极差分析

2.2 方差分析

正交试验的方差分析结果列于表3，显著性水平为90%、95%和99%时，对应的F临界值分别为4.32、6.94和18.00。由表3可见，20次冻融循环过程中，不论是对冻胀率，还是对融沉系数，饱和度影响的显著性参数F始终大于压实度影响的显著性参数F，饱和度的显著性大于压实度的显著性；饱和度和压实度的影响均非常显著，二者都是影响压实砂土冻融变形的主控因素，施工时应严格控制砂土的压实度，设计和运营过程应做好防水排水措施，严防饱和度的增加，以减小冻融对工程的不利影响。

表3 方差分析

3 结论

综合上述分析，关于银川平原地区压实砂土的封闭系统冻融，得出如下结论：

(1)饱和度不小于30%的压实砂土，以水的结冰膨胀效应为主导，表现为冻胀，冻融后体积增大。冻融变形随压实度的增大而减小，随饱和度的增大而增大，随冻融循环次数的增加呈双曲线关系增大。

(2)饱和度和压实度的共同影响明显大于其中任何一个因素的影响，但也不等于两种因素单独作用结果的简单相加。

(3)饱和度和压实度对压实砂土的冻融变形影响都非常显著，二者均是影响压实砂土冻融变形的主控因素，施工时严格控制压实度，运营中注意防水排水，对减小冻融危害可获得显著效果。