凍融循環條件下低液限黏土路基強度衰減的影響因素研究

楊興然

摘要：為研究季凍區低液限黏土強度衰減的影響因素，以張家口地區公路路基填土為研究對象，進行凍融試驗和靜三軸試驗，并運用灰色關聯分析法對試驗結果進行分析。結果表明：三軸實驗中，發現影響土體的強度衰減的4種因素關聯性從大到小排序為：壓實度>含水率>凍結負溫>凍融循環次數。

Abstract： In order to study the main influencing factors of low liquid limit clay strength in seasonal freezing region， freeze-thaw test and static triaxial test were carried out on highway subgrade filling soil in Zhangjiakou area， and the test results were analyzed with gray correlation analysis method. The results show that in freeze-thaw test， the quality of specimen decreases with the increase of freeze-thaw times， the height of specimen shows an opposite trend， and the diameter of specimen fluctuates with the increase of freeze-thaw cycles. In the static triaxial experiment， It was found that the correlation of four factors affecting the strength of soil was ranked from the largest to the smallest： degree of compaction， moisture content， negative temperature of freezing， and number of freeze-thaw cycles times.

關鍵詞：路基;灰色關聯;強度衰減;凍融循環

Key words： grey correlation;cohesion;freeze-thaw cycle

中圖分類號：U416.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0179-02

0? 引言

路基是路面基層以下部分一定范圍的土體，作為道路工程的重要組成部分，承受交通荷載的作用，路基的強度直接影響到公路的使用和壽命。一些學者對路基的強度進行了研究，張云龍[1]等選用不同塑性指數的三種土，研究了高含水率狀態下，凍融循環對路基邊坡強度及穩定性的影響。蔣慎[2]等研究了不同含水率的粉質粘土在不同凍融循環次數下的抗剪性能，得出凍融循環次數對土體抗剪性能的削弱規律。何靜科[3]等以3種典型的東北三省路基粘土作為研究對象，研究了土體歷經8次凍融循環后土的力學指標變化規律。劉寒冰[4]等分析了凍融次數和含水率對壓實黏質土試樣力學特性的影響規律，并探討了其影響機制。正交試驗設計和灰色關聯度法是研究多因素試驗比較科學的方法，且可以對影響因素的主次關系做出排序[5-7]。

本文選取壓實度、含水率、凍結負溫及凍融循環次數為影響因素進行正交試驗設計，研究季凍區路基土的強度以及粘聚力的變化，并通過灰色關聯分析各個因素的關聯性，為工程設計、施工提供參考依據。

1? 試驗概況

1.1 土樣物理性質

試樣土樣取自張承高速某路段，對所取土樣進行了基本物理性質實驗，由篩分試驗所得到的顆粒級配曲線如圖1所示。

根據《公路土工試驗規程》[8]對土樣進行界限含水率試驗，根據土工試驗規程可判定該土樣為低液限黏土，基本物理參數如表1所示。

1.2 凍融循環試驗方案

根據土的基本性質指標，配置最優含水率附近的試驗用土，本試驗選取的含水率為11%和13%，隨后分5層制作成壓實度分別為94%和97%的試件，其中試件的高度為80mm，直徑為39.1mm。制作完成后先測量試樣的初始質量、高度以及直徑，再把試樣放到高低溫交變箱中進行凍融循環。為了更好地模擬實際的凍融過程，將制作好的試件用保鮮膜包裹后放入帶孔的聚乙烯泡沫板中分別進行環境負溫-5℃和-10℃融化溫度為20℃的凍融循環試驗。對經歷凍融循環后不同壓實度以及不同凍結負溫的部分試樣的質量m、平均高度h和平均直徑d進行了測量。

1.3 靜三軸試驗方案

本試驗所使用的儀器為南京寧曦土壤儀器有限分公司生產的TSZ系列應變控制式三軸儀，采用正交試驗方法考慮了為壓實度、凍結負溫、凍融循環次數以及含水率4個影響因素，具體的試驗方案如表2所示。

2? 灰色關聯分析

試驗結果運用初值化對低液限黏土強度衰減的影響因素進行分析，三軸試驗結果統計見表3，灰色關聯分析結果見表4。灰色關聯分析法彌補了采用數理統計方法進行系統分析所導致的缺憾，它對樣本量沒有過多的要求，計算簡便，極少出現定量與定性分析結果不符的情況。其本質是通過線性內插的方法將系統因素的離散行為觀測值轉化為分段連續的曲線，進而根據序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯系是否緊密，曲線越接近，相應序列之間的關聯度就越大，反之就越小[9]。

利用灰色關聯分析法，分析了4種影響因素對強度以及粘聚力的相關性。由表4和表5可得，4種影響因素對于強度的關聯性從大到小依次為壓實度，含水率，凍結負溫和凍融次數;通過對強度進行搭配效應計算，確定對強度的最不利工況，通過計算得出這一組合形式為A2B3C4D3，即凍融1次、壓實度94%、含水率11%、凍結負溫-5℃。

3? 結論

①正交試驗可以科學地分析多因素試驗，灰色關聯度分析方法可以對各因素的影響程度進行排序。結果表明，影響土體強度的因素中壓實度對強度的影響程度最大，其次為含水率、環境負溫及凍融循環次數。

②經灰色關聯分析，試驗范圍內對土體強度損傷影響程度最大的工況為：凍融1次、壓實度94%、含水率11%、凍結負溫-5℃。證明并非最多的凍融循環次數和最低的負溫對土體的強度影響最大。

③壓實度94%的試件比壓實度97%試件的孔隙率大，經歷凍融作用后土體的強度損失較顯著;不同含水率下土體的強度均發生了衰減，土樣經歷一次凍融循環后強度的衰減最為明顯，3次凍融循環以后，強度基本趨于平穩;凍結負溫-5℃的強度衰減大于凍結負溫-10℃的強度損失。

參考文獻：

[1]張云龍，劉琳，王靜，呂翔，孫昆陽.凍融循環對高含水率路基邊坡穩定性影響分析[J].四川水泥，2018（08）：43.

[2]蔣慎.凍融循環作用對路基粉質粘土抗剪強度的影響分析[J].湖南交通科技，2017，43（02）：59-62.

[3]何靜科，牛彥峰，劉寒冰.凍融循環對路基土物理力學性質影響分析[J].工程與試驗，2013，53（03）：49-52，68.

[4]趙永利，吳震，黃曉明.瀝青混合料水穩定性的試驗研究[J]. 東南大學學報（自然科學版），2001，31（3）：99-102.

[5]劉寒冰，張互助，王靜.凍融及含水率對壓實黏質土力學性質的影響[J].巖土力學，2018，39（01）：158-164.

[6]鮑俊安，楊平，陳成.基于灰色關聯優勢分析凍脹融沉影響因素研究[J].66路基工程，2012（1）：21-23.

[7]于春海，賈文君，楊有海.蘭新線路基凍害影響因素的灰關聯分析[J].低溫建筑技術，2009，31（3）：86-87.

[8]交通部公路科學研究院.公路土工試驗規程：JTGE40-2007[S].北京：人民交通出版社，2007.

[9]劉思峰.灰色系統理論及其應用[M].五版.科學出版社， 2010.