加筋作用对冻融后土体性质变化规律的影响

赵荣飞 ，何 巾 ，高 微 ，金 丹 ，张舒宁 ，张 峰 ，谢立群 ，南 波

(1.沈阳农业大学 a.水利学院，b.工程学院，沈阳 110161；2.广东省科源工程监理咨询公司，广州 510170)

由于昼夜温度变化，季节性冻土地区土体会冻结和融化，导致土体内部水分分布不平衡，从而影响其土体强度，是引起工程冻害的重要原因[1-4]。研究发现土体中液态水的含量对土体强度影响较大。当冻结温度较高时，土体冻结不充分，会有较多的液态水，将会削弱土颗粒间的连接作用，降低其强度[5-6]。融化过程中，水分受重力作用发生迁移，因其土颗粒间孔隙较小阻碍液态水下渗，从而导致土体内水分重分布[7-9]，并且在冻融初期有水分排出现象，当施加外部荷载时现象更明显[10]。关于冻融作用对土体抗剪强度和含水率的影响，MARVIN等[11]研究表明冻融后土体抗剪强度降幅高达50%。毛云程等[12]研究表明，土体含水量的变化量为5%～29%，并且随着土体所在高度的增加，土体温度和含水率的变幅也增加。在一定含水率范围内，多次冻融后土体含水量增大，但也有下部含水量增大不明显现象[13-15]。现有关于温度对土体含水率影响分析表明，随着土体温度的降低，液态水含量的增幅逐渐增大，土体内水分相变过程逐渐加剧[16]。赵显波等[17]一致认为，冻融后的各层土体含水量均大于冻结前，阴坡土壤含水量明显比阳坡整体偏低。原因在于当冻结温度为负温时，土体内仍有未冻水存在，呈现出冰水共存的现象[18]。由此可知，冻结温度也是影响冻融后土体含水率的一项重要因素。我国季节性冻土占地面积为514万km2，约占国土总面积的53．5%[19-20]，因此，季节性冻土区的冻害问题成为了研究关键。目前，已有很多针对季冻区冻融作用下土体含水率随不同影响因素变化的试验研究，其中初始含水率、冻结温度、冻融次数等对冻融后土体含水率影响显著[21-23]。随着加筋技术的发展，已逐渐被应用到季冻区工程中。赵荣飞等[24-25]研究表明，在多次冻融后土体融化时，加筋材料有利于融化水的均匀下渗，可有效降低土体不均匀沉降。然而，针对加筋后季冻区土体冻融后含水率变化规律研究还较少。因此，本研究对加筋后冻融对土体含水率变化规律进行室内研究，以沈阳地区粉质黏土为对象，着重分析不同影响因素对冻融后土体内各高度处的含水率的变化规律，并在室内试验的基础之上进行回归分析，探讨加筋对冻融后土体各高度处的含水率的影响，并提出相应的工程措施。

1 材料与方法

1.1 材料

试验土样取自沈阳农业大学北山科研基地，取土深度为天然地表下0．5～1．5m，土样经预处理后，按照规范[26]进行常温状态下基本物理力学性质参数试验，测得土的基本物理性质见表1，该土样为低液限粉质黏土。

表1 土的基本物理性质Table 1 Basic physical properties of soil

加筋材料为TGSG30-30型双向拉伸塑料土工格栅，加入土体内格栅尺寸为160mm×300mm的矩形，水平成层铺设于土体中。冻融前，用自制的长×宽×高=200mm×300mm×450mm，且顶部开口的白钢箱体制备加筋黏土试件。制备不同初始含水率试件时，所需加水质量mw计算公式为：

式中：ω0为试件土体设定的初始含水率(%)；m0．09为含水率为9%的土体质量(g)。

控制试件初始压实度时，所需加土质量m计算公式为：

式中：K为试件土体设定的初始压实度(%)；ω为待压实土料的含水率(%)；V为试验箱的装土体积(cm3)，其取值为 2．4×104cm3；ρdmax为制样土料的最大干密度，其取值为 1．69 g·cm-3。

根据试验所需制备不同初始条件的试件，并根据试验要求在不同高度处放置格栅。

1.2 设备

设备主要有改装的冰柜 （内部温度控制范围为-35～20℃，控制精度为±0．1℃，工作室尺寸为长×宽×高=800mm×450mm×600mm）、TSZ30-2．0 型台式三轴仪（数控围压为 0～2MPa，体积变化范围为 0～50mL，精度为0．1mL）、101-2 型电热鼓风干燥箱（温度范围为 50～300℃，温度均匀度为±7．5℃，温度偏差≤±1℃）、YP802N 型电子天平（最大量程为800g，精度为0．01g）、LG-100D型数显式土壤液塑限联合测定仪（最大量程为22mm，精度为 0．1mm）。

1.3 方法

按照规范[26]进行冻融后土体各高度处的含水率测定。同时，通过试件冻融后下部与上部和中部含水率的差值来分析不同加筋层数对土体冻融后液态水分布的影响，差值Δω和Δω′计算公式为：

式中：Δω、Δω′分别为冻融后下部与上部含水率的差值、下部与中部含水率的差值(%)；ω上、ω中、ω下分别为冻融循环结束后，上部、中部和下部土体含水率(%)。

1.4 试验设计

本研究选择含水率（x1）、压实度（x2）、加筋间距（x3）、冻融次数（x4）、冻结温度（x5）和上部荷载（x6）6 个影响冻融后土体粘聚力和含水率因素，6个影响因素按5个室内可控水平进行正交试验设计，共25组室内冻融循环正交试验，各影响因素及设定水平如表2。

表2 正交试验因素水平Table 2 Factor level setting table for orthogonal test

2 结果与分析

2.1 冻融作用对土体含水率的影响

由表 3 可知，上、中、下部含水率变化范围分别为 19．91%～27．27%、19．85%～27．31%、19．98%～28．08%。 通过对比表3中Δω值可知，当冻融循环为1次、冻结温度分别为-5，-10，-15℃或冻融循环为3次冻结温度分别为-5，-10，-15，-20，-25℃时，Δω＜0，即土体下部含水率小于上部含水率，造成此现象的原因是土体经历冻融循环时间较短，底部未能及时补水，故上部含水率较大。其余情况下均Δω＞0，即下部含水率大于上部含水率。其中，加筋间距为150mm和200mm时，ω下＞ω中＞ω上，造成此现象的原因是加筋间距较小，液态水下渗到下部测点需经过两层格栅且下中部含水率差值Δω′较大，其余加筋方式下液态水下渗仅经过一层格栅且Δω′值较小。同时，随着加筋间距的减小，Δω值呈增加趋势。由此可得，格栅有利于液态水的下渗。当初始含水率相同时，随冻融次数的增加，冻融后土体各高度处的含水率均呈上升趋势。初始含水率较大时，其冻融后土体各高度处的含水率整体下降。初始含水率较小时，随冻融次数的增加，冻融后各高度处的含水率随之增加。其中，当初始含水率为24%、冻融次数为7和9次时，冻融后土体各高度处的含水率增加，原因在于冻融次数较多，从底部自动补水装置吸水量多。

2.2 土体含水率回归分析

根据表3中数据，进行回归方程的拟合，得到冻融后土体各高度处的含水率回归方程如表4。由表4可知，土体中下部与上部含水率回归方程中压实度前系数相反，原因在于随着冻融时间的增加，中下部土体较上部密实度更大，压实度较高不利于水分的吸收，从而导致含水率升高。

由表5可知，冻融循环后土体各高度处的含水率回归模型的p值小于0．01，F值大于2，说明回归分析达到了极显著水平，该回归方程具有统计学意义。为了更好的解释各影响因素间的交互作用，根据试验所得数据，以冻融后土体上、中、下含水率ω上、ω中、ω下分别为因变量，以土体初始含水率、初始压实度、加筋间距、冻融循环次数、冻结温度和上部荷载作为自变量，采用多元二次线性回归分析，建立不同冻融循环条件下土体各高度处的含水率的回归方程，分析结果见表 5。 其中，“*”表示 p＜0．05为显著水平；“**”表示 p＜0．01 为极显著水平；冻融后含水率模型的F值分别为23．286，36．195和33．902。以上各模型的p值均小于0．01，F值均大于2。

表3 正交试验结果Table 3 Orthogonal test results

表4 融化后土体含水率由各影响因素表示的回归方程Table 4 Regression equation of moisture content of melted soil expressed by various factors

统计分析证实，初始含水率和冻融循环次数对土体上部含水率有着极其显著的影响，加筋间距对中部和下部含水率有着极显著影响，因p值在其模型中均最小，表明该因素对该高度处含水率影响最大。其中，压实度和冻结温度的交互作用（x2x5）对上部含水率有着极显著影响，其系数项＜0，说明其交互作用是抑制作用。加筋间距和冻融次数的交互作用（x3x4）对中部含水率有着显著影响，压实度和冻融循环次数的交互作用（x2x4）对下部含水率有着显著影响，系数项＞0，说明其交互作用是促进作用。同时，初始含水率对土体中部和下部含水率也有着显著影响。压实度、冻融循环次数和冻结温度对土体下部含水率均有着显著。

表5 各因素对融化后土体含水率影响的显著性分析Table 5 Significant analysis of the influence of various factors on moisture content of melted soils

3 讨论与结论

VIKLANDER等[27]研究表明，含水率随着冻融循环次数的增加而增加，与本研究分析结果一致。回归分析可知，土体上中部与下部含水率回归方程中冻融次数和上部荷载前系数相反，原因在于冻融过程中，随着冻融次数的增加，冻融过程较长，上部荷载的增大使其下部土体压实度增加，不利于土体吸收水分，最终导致含水率降低，这与MARVIN等[11]研究结果一致，故其回归方程中表现为冻融次数和上部荷载前系数呈负数。根据回归方程中加筋间距前系数呈负数可以得出，随着加筋间距的增加，冻融后土体含水率降低，由此可以得出格栅有利于液态水下渗。回归方程中初始含水率前系数呈正数说明，土体冻融后各高度处的含水率均随初始含水率的增加而增加。通过显著性分析可知，初始含水率和冻融循环次数在上部含水率模型中p值最小，加筋间距在中部和下部含水率模型中p值最小，表明其因素对该部位土体含水率影响最大。

通过6因素的室内冻融循环正交试验和回归分析系统研究了冻融后土体内含水率变化，本研究结果表明，在冻融过程中，格栅有利于冻融后液态水的下渗，导致部分因素组合下土体下部含水率较大。加筋间距对冻融后中部和下部土体含水率影响极显著，与冻融循环次数的交互作用对中部含水率有着显著影响。除上部荷载因素外，其余因素均对冻融后下部土体含水率影响显著。其中，初始含水率还对上部和中部含水率影响显著，冻融循环次数对上部含水率影响显著。