不同因素对土壤冻胀率影响的正交试验研究

李佳瑞 熊 峰 吕婷婷

（1中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122；2广西自然资源职业技术学院，广西崇左 532100）

在季节性冻土地区修建各类建筑物，必须重点考虑防冻胀措施[1-2]。目前，关于冻胀的研究集中于3个方面，即冻胀机理研究[3-4]、冻胀影响因素研究[5-6]、冻胀预测模型研究。为了分析冻胀影响因素的重要性排序，选取土壤类型、土壤含水率、环境温度、土壤盐分含量等4个典型冻胀影响因素进行室内封闭系统正交试验。通过测定各试验组的冻胀量，并对试验结果进行灰色关联度分析，探讨各因素对冻胀的影响大小，从而为季节性冻土地区的建筑施工提供数据支持。

1 试验方法

1.1 正交试验

本研究选取4个影响因素，即土壤类型（A）、含水率（B）、环境温度（C）、盐分含量（D），每个因素选取3个水平进行L9（34）正交试验设计，如表1所示。

表1 土壤冻胀率L9（34）正交试验设计

1.2 灰色关联度分析

灰色关联度分析是通过确定参考序列和若干比较序列的几何形状相似程度判断其关联程度，越相似则关联度越大。以冻胀率为参考序列，以因素A（土壤类型）、因素 B（含水率）、因素 C（环境温度）、因素D（盐分含量）作为比较序列，对正交试验结果进行灰色关联度计算。首先做初值化处理：

然后计算接近度（Δi）、关联系数（ξi）和关联度（γi），计算公式如下：

式中：ξi（k）为冻胀率与各因素在 k点的关联系数；Δmin为最小接近度，Δmax为最大接近度；ρ为分辨系数，在此取0.5[1]。

2 结果与分析

2.1 冻胀率

测量所有试验处理的平均冻胀量并计算出冻胀率，结果如表2所示。

为了便于后续数据分析，土壤类型用细粒含量作为其量化数据。从表2中数据可以看出，所有工况下均发生了不同程度的冻胀变形。在所有试验处理中，最大冻胀率为4.62%，最小冻胀率为0.06%，大多数工况下冻胀率大于0.5%。

表2 冻胀率测量结果统计

2.2 灰色关联度

初值化处理、接近度、关联系数计算结果分别如表 3、4、5 所示。

表4 接近度计算结果

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，对应的最优因素组合为黏土、含水率10%、温度-12℃、盐分含量1.5%。

表5 关联系数计算结果

最后计算得到关联度：γ1=0.699 8，γ2=0.699 3，γ3=0.698 1，γ4=0.665 3。 从 γi排序来看，各影响因素的主次排序为A＞B＞C＞D，即土壤类型影响最大，其次为含水率、环境温度和盐分含量。其中，土壤类型和含水率的关联度非常接近，而盐分含量关联度相对较低。

本试验均为封闭系统，若每个试样中的水全部冻结，其体积膨胀按1/9计算。对理论冻胀量与实际冻胀量进行对比，结果如图1所示。

可以看出，实际的冻胀量均小于纯水的冻胀。其原因在于土体界面张力与空隙半径较小，当温度低于土体冻结温度时，孔隙中存在一部分未冻水[3]，其含量会随着温度的降低而减小。同时，土壤中细颗粒比例越大，土壤的比表面积越大，未冻含水量也越大[3]。这也是土壤类型对冻胀率影响最大的主要原因。本研究采用的是封闭式系统，未考虑地下水补充的问题。在有充足地下水补充的条件下，土壤类型和水的影响则需要进一步研究和讨论。

3 结论与讨论

在本试验条件下，所有试验处理均会发生不同程度的冻胀，最大冻胀率为4.62%，最小冻胀率为0.06%，大多数工况下冻胀率大于0.5%。正交试验方法能够科学安排与分析多因素试验，灰色关联度分析可以对各个因素的影响程度进行排序。结果表明，在影响冻胀率的各个因素中，土壤类型的影响程度最大，其次为含水率、环境温度和盐分含量。灰色关联度分析结果表明，虽然土壤类型对冻胀率影响最大，但其他因素的关联度均与其较为接近，尤其是含水率关联度与其非常接近。在进行实际冻胀分析时，应综合考虑各个因素的影响。

其他学者对冻胀率影响因素进行分析，发现含水率对级配碎石冻胀率影响最大，细颗粒含量的影响次之。结合本研究结果，认为在同一大类土中，含水率对冻胀率影响最大；对于不同性质的土，土壤类型对冻胀率影响更大。