不同因素對土壤凍脹率影響的正交試驗研究

李佳瑞 熊 峰 呂婷婷

（1中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州 311122；2廣西自然資源職業技術學院，廣西崇左 532100）

在季節性凍土地區修建各類建筑物，必須重點考慮防凍脹措施[1-2]。目前，關于凍脹的研究集中于3個方面，即凍脹機理研究[3-4]、凍脹影響因素研究[5-6]、凍脹預測模型研究。為了分析凍脹影響因素的重要性排序，選取土壤類型、土壤含水率、環境溫度、土壤鹽分含量等4個典型凍脹影響因素進行室內封閉系統正交試驗。通過測定各試驗組的凍脹量，并對試驗結果進行灰色關聯度分析，探討各因素對凍脹的影響大小，從而為季節性凍土地區的建筑施工提供數據支持。

1 試驗方法

1.1 正交試驗

本研究選取4個影響因素，即土壤類型（A）、含水率（B）、環境溫度（C）、鹽分含量（D），每個因素選取3個水平進行L9（34）正交試驗設計，如表1所示。

表1 土壤凍脹率L9（34）正交試驗設計

1.2 灰色關聯度分析

灰色關聯度分析是通過確定參考序列和若干比較序列的幾何形狀相似程度判斷其關聯程度，越相似則關聯度越大。以凍脹率為參考序列，以因素A（土壤類型）、因素 B（含水率）、因素 C（環境溫度）、因素D（鹽分含量）作為比較序列，對正交試驗結果進行灰色關聯度計算。首先做初值化處理：

然后計算接近度（Δi）、關聯系數（ξi）和關聯度（γi），計算公式如下：

式中：ξi（k）為凍脹率與各因素在 k點的關聯系數；Δmin為最小接近度，Δmax為最大接近度；ρ為分辨系數，在此取0.5[1]。

2 結果與分析

2.1 凍脹率

測量所有試驗處理的平均凍脹量并計算出凍脹率，結果如表2所示。

為了便于后續數據分析，土壤類型用細粒含量作為其量化數據。從表2中數據可以看出，所有工況下均發生了不同程度的凍脹變形。在所有試驗處理中，最大凍脹率為4.62%，最小凍脹率為0.06%，大多數工況下凍脹率大于0.5%。

表2 凍脹率測量結果統計

2.2 灰色關聯度

初值化處理、接近度、關聯系數計算結果分別如表 3、4、5 所示。

表4 接近度計算結果

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，對應的最優因素組合為黏土、含水率10%、溫度-12℃、鹽分含量1.5%。

表5 關聯系數計算結果

最后計算得到關聯度：γ1=0.699 8，γ2=0.699 3，γ3=0.698 1，γ4=0.665 3。 從 γi排序來看，各影響因素的主次排序為A＞B＞C＞D，即土壤類型影響最大，其次為含水率、環境溫度和鹽分含量。其中，土壤類型和含水率的關聯度非常接近，而鹽分含量關聯度相對較低。

本試驗均為封閉系統，若每個試樣中的水全部凍結，其體積膨脹按1/9計算。對理論凍脹量與實際凍脹量進行對比，結果如圖1所示。

可以看出，實際的凍脹量均小于純水的凍脹。其原因在于土體界面張力與空隙半徑較小，當溫度低于土體凍結溫度時，孔隙中存在一部分未凍水[3]，其含量會隨著溫度的降低而減小。同時，土壤中細顆粒比例越大，土壤的比表面積越大，未凍含水量也越大[3]。這也是土壤類型對凍脹率影響最大的主要原因。本研究采用的是封閉式系統，未考慮地下水補充的問題。在有充足地下水補充的條件下，土壤類型和水的影響則需要進一步研究和討論。

3 結論與討論

在本試驗條件下，所有試驗處理均會發生不同程度的凍脹，最大凍脹率為4.62%，最小凍脹率為0.06%，大多數工況下凍脹率大于0.5%。正交試驗方法能夠科學安排與分析多因素試驗，灰色關聯度分析可以對各個因素的影響程度進行排序。結果表明，在影響凍脹率的各個因素中，土壤類型的影響程度最大，其次為含水率、環境溫度和鹽分含量。灰色關聯度分析結果表明，雖然土壤類型對凍脹率影響最大，但其他因素的關聯度均與其較為接近，尤其是含水率關聯度與其非常接近。在進行實際凍脹分析時，應綜合考慮各個因素的影響。

其他學者對凍脹率影響因素進行分析，發現含水率對級配碎石凍脹率影響最大，細顆粒含量的影響次之。結合本研究結果，認為在同一大類土中，含水率對凍脹率影響最大；對于不同性質的土，土壤類型對凍脹率影響更大。