凍融循環作用下粉質砂土的融化壓縮試驗研究

武 寧 溫艷紅

（1.浙江愛麗智能檢測技術集團有限公司，浙江 杭州 311700；2.昆山遠通建筑咨詢有限公司，江蘇 昆山 215300）

青藏鐵路那曲物流中心地處海拔4500m的青藏高原，是世界上海拔最高的物流中心，場地內最大土壤凍結深度為2.81m，為深季節性凍土區。有關季節凍土區地基病害防治的研究，多限于凍脹問題的探討，對融沉指標(融沉系數和融化壓縮系數)的考慮一般較少，但近年來的凍害調查研究發現，融沉性在季節凍土地區的建筑物穩定性方面的應用仍然具有積極的意義。反復的凍融循環作用是影響融沉變形的主要因素，而土體的融化壓縮系數是與此密切相關的參數指標。因此，研究土體在凍融前后壓縮參數的變化對于深刻理解融沉變形的實質是很有意義的。

早在20世紀30年代，國外專家Tsytovich就研制了專門的隔熱壓縮儀，研究了凍土融化壓密的過程。Graham等[1]對原狀土在一維壓縮條件下進行了凍融試驗，發現經過5次凍融循環后，土體的結構性嚴重減弱。Konrad等[2]通過試驗，認為土體經過反復的凍融循環后，孔隙比趨于穩定。國內，張貴生等[3]發現，土體的壓縮系數在遭受凍融作用后明顯增大，尤其是施加第一級荷載時更明顯。何平等[4]通過試驗發現，土體的反復凍融過程可以造成土體的密度降低。朱元林等[5]認為，凍土區地基壓縮變形是建筑物地基沉降預報設計考慮的必要因素。童長江等[6]通過研究發現，季節凍土和多年凍土之間的融化壓縮特性具有共性亦有差異。胡莫珍等[7]認為，多次凍融循環使凍土的壓縮性能逐漸劣化。王天亮等[8]和嚴晗等[9]研究了凍融循環條件下粉砂土的融沉性質。師華強等[10]通過試驗發現，凍融循環作用使土的壓縮系數增大，壓縮模量減小。

綜上所述，正確預報凍土區建筑物下地基融化壓縮沉降的重要性，是不言而喻的。因此，本文通過深季節凍土區粉質砂土在經歷不同凍融循環后試驗，闡述了融化壓縮系數與含水率、壓實度、冷卻溫度以及凍融循環次數之間的變化規律，為進一步深化對凍土區融化壓縮特性的研究提供了參考。

1 試驗內容及方法

1.1 試驗制備及試驗方案

試驗土樣取自青藏鐵路那曲物流中心的粉質砂土，主要物理參數：土樣顆粒密度為2.70g/cm3，滲透系數為5.87×10-6cm/s，最大干密度為1.95g/cm3，最優含水率為11.2%，含鹽量測試結果為0.15%(測試的離子主要包括SO42-、CO32-、Na+、K+)。

試驗設計含水率W為9%、11%、13%、15%，壓實度K為90%、93%、95%、97%。為保證試驗的可比性與準確性，相同凍融循環次數的試件采用標準批量制備。首先按試驗設計所需含水率配制土樣——將粉砂土在限制水分蒸發條件下悶料24h，以使水分遷移均勻，并測定土樣的含水率，以保證其含水率誤差在準許誤差范圍內(準許誤差±1%)。然后按照設計壓實度控制干密度，分3層裝模，層與層之間刮毛，防止出現分層現象。制樣時為防止水分揮發，在試樣底部放一塑料薄膜，制樣完成后用塑料袋包裹好試樣筒，放入高低溫交變試驗箱進行凍融循環。所制備的試樣高度H=100mm，直徑D=100mm。表1給出了粉砂土的融化壓縮試驗方案。

表1凍融試驗方案設計

1.2 凍融循環過程設計

本試驗采取先融化后壓縮的試驗方法。凍融循環的溫度確定參照那曲深季節凍土區的溫度變化，冷凍溫度TF確定為-20℃、-15℃、-10℃、-5℃和-3℃共5種，融化溫度TT為12℃。凍結和融化過程在高低溫交變試驗箱中進行，在凍融過程中無水源補給(封閉條件下的凍融試驗)。凍結和融化持續時間均為12h，此為一個凍融循環周期。凍融循環次數FT為0、1、3、6和10次。將經歷設定凍融次數的試樣取出，安裝于壓縮儀上預加1kPa荷載進行融沉，經過24h土樣完全融化，融沉達到穩定狀態，然后逐級施加荷載進行融化壓縮試驗。

2 試驗結果及分析

本試驗引用融化壓縮系數(ai)分析各影響因素對粉砂土融化壓縮特性的影響規律。其中，融化壓縮系數：

式中ai-融化壓縮系數，MPa-1；

pi-第i級壓力值，MPa；

Si-第i級荷載作用下的變形量。

2.1 凍融循環對融化壓縮系數的影響

凍融過程的冷生作用改變了土的結構，導致了土樣的壓縮特性也與凍融前不盡相同。因此，考察凍融前后土樣融化壓縮系數的變化對于寒區巖土工程來說是必不可少的，融化壓縮系數與凍融循環次數的關系曲線如圖1所示。

圖1 融化壓縮系數與凍融循環次數的關系曲線

圖1為不同凍融循環次數對粉砂土融化壓縮系數的影響變化分析。當含水率或壓實度一定時，在各級荷載的作用下，粉砂土的融化壓縮系數隨凍融循環的影響規律為：未經歷凍融循環的粉砂土，壓縮系數均較低，但在經歷凍融循環1、3、6、10次后，其融化壓縮系數均出現一定幅度的增加。具體表現為經歷1次凍融循環的粉砂土的壓縮系數略有增大，但不是很明顯。但土體經過多次反復的凍結、融化作用后，粉砂土融化壓縮量在逐漸增加，并且在經歷第3次的凍融循環后融化壓縮量增加較為明顯，但第6次凍融循環后融化壓縮系數趨于穩定，第10次凍融循環后粉砂土的融化壓縮系數與第6次凍融循環后相差甚微。這也說明，土體經過反復的凍融循環，使得土顆粒間改變了原來的位置關系，由動態的不平衡狀態向新的動態平衡狀態發展，最終達到穩定。

2.2 含水率對融化壓縮系數的影響

在季節冰凍區，含水率的大小直接影響融化壓縮系數，融化壓縮系數與含水率的關系曲線如圖2所示。

圖2 融化壓縮系數與含水率的關系曲線

從圖2可知，FT=0時，試樣在未受到凍結、融化作用的影響時，隨著含水率增大，其壓縮系數也相應增加，說明土樣含水率越高，壓縮性能越差。在經歷多次凍融循環后，試樣的融化壓縮系數隨含水率的增大也呈遞增的趨勢，1次凍融循環后含水率15%的土樣的壓縮系數增幅最明顯。這主要是凍結過程中不同含水率粉砂土體內水相轉變為冰，導致土體膨脹，含水率越大膨脹量越大；當溫度升高，冰融化為水，土顆粒重新排列，水被排出，與之對應含水率越高被排出的水越多，可壓縮性也越大。冰水間的轉化破壞了土顆粒之間的原始膠結，導致其壓縮性能也越來越差。含水率和凍脹作用都會對試驗的融化壓縮系數產生減益影響。

2.3 壓實度對融化壓縮系數的影響

土體產生融化壓縮下沉的根本原因是凍土融化后孔隙體積的變化，融化壓縮系數與壓實度的關系曲線如圖3所示。

圖3 融化壓縮系數與壓實度的關系曲線

與未凍土一樣，對季節性凍土來說，壓實度提高后土體密度增大，密實度提高，土中孔隙減少，試樣的可壓縮性必然減小。如圖3所示，粉砂土的壓縮曲線也證實了壓實度越大，土體的壓縮系數越小，土體的壓縮性也相應增強。在加載初期試樣孔融化壓縮系數減小很快，這時由于試樣中水和空氣的排出，土的孔隙比減小，體積被壓縮，隨著荷載的增加，土中孔隙越來越小，土顆粒和土中的水很難被壓縮，所以曲線趨于平緩。由此也可得知提高壓實度是減小路基壓密沉降的有效措施。

2.4 冷凍溫度對融化壓縮系數的影響

本試驗主要是通過研究在經歷1次凍融循環后粉砂土凍土試樣進行試驗與觀測，融化壓縮系數與不同冷凍溫度的關系曲線如圖4所示。

圖4 融化壓縮系數與不同冷凍溫度的關系曲線

土體在經歷1個凍融循環后，粉砂土的融化壓縮系數隨著冷凍溫度的降低而略增大，這表明冷凍溫度對粉砂土融化壓縮系數的影響不太明顯。分析其原因：含水率和壓實度一定的情況下，由于粉砂土的孔隙比較小，在一定的冷凍溫度下水分容易充分凍結，在沒有外界水分補給的情況下，土體體積膨脹較小，所以冷凍溫度對融化壓縮系數的影響不太明顯。

3 結語

(1)反復的凍結融化作用對粉砂土的融化壓縮特性有不同程度的影響，經歷6次凍融循環后融化壓縮系數才趨于穩定。1次凍融循環的影響微乎其微，但隨著凍融循環次數的增加，融化壓縮系數增大，第3次凍融循環后的變化較為明顯。同時，粉砂土的融化壓縮系數與含水率呈正相關性，與壓實度呈負相關性，冷凍溫度的影響則不太明顯。

(2)無論是未凍土還是經歷不同凍融循環次數的融化土，融化壓縮系數與壓力的大小密切相關。從整個壓縮過程看，經歷不同凍融循環的粉砂土的壓縮系數均隨壓力的增大而減小，而且ai并不是一個常數，在剛開始受壓固結階段，融化壓縮系數急劇減小，隨著外荷載的不斷增大，曲線趨于平緩，整體變化規律呈現顯著的非線性特征。