岑國(guó)平， 龍小勇， 洪　剛， 劉垍熒， 王新忠， 賈　勇

(1.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，710038 西安；2.中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)公司，710075 西安)

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岑國(guó)平1， 龍小勇1， 洪剛1， 劉垍熒1， 王新忠2， 賈勇2

(1.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，710038 西安；2.中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)公司，710075 西安)

摘要:為探索青藏高原季凍區(qū)砂礫土的凍脹特性，為機(jī)場(chǎng)工程防凍脹設(shè)計(jì)提供依據(jù)，首先進(jìn)行顆粒分析實(shí)驗(yàn)、擊實(shí)實(shí)驗(yàn)等砂礫土的基本特性實(shí)驗(yàn)，為凍脹率室內(nèi)實(shí)驗(yàn)提供相應(yīng)依據(jù)，然后在傳統(tǒng)凍脹率室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上針對(duì)砂礫土粒徑大的特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，利用改進(jìn)后裝置進(jìn)行一系列正交試驗(yàn)，研究含水率、含泥量、壓實(shí)度、上覆荷載、補(bǔ)水對(duì)凍脹率的影響規(guī)律. 試驗(yàn)結(jié)果表明：在封閉條件下，凍脹率隨含水率的增大而線性增大；隨含泥量的增大呈非線性關(guān)系遞增；隨壓實(shí)度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，在壓實(shí)度為95%的狀態(tài)下達(dá)到最大值；隨上覆荷載的增大呈線性關(guān)系平緩遞減. 在外界補(bǔ)水條件下，凍脹率增大3倍以上. 經(jīng)多元回歸分析，得到了多因素綜合影響下的回歸預(yù)報(bào)公式. 各個(gè)因素對(duì)凍脹率的影響從大到小依次為：補(bǔ)水，含水率，含泥量，壓實(shí)度，上覆荷載. 在工程實(shí)際中，控制補(bǔ)水、含水率、含泥量是防凍脹設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.

關(guān)鍵詞:機(jī)場(chǎng)土基；砂礫土；凍脹；含水率；含泥量；多元回歸分析

機(jī)場(chǎng)土基不均勻凍脹變形是機(jī)場(chǎng)工程破壞的重要原因之一. 因此，在進(jìn)行機(jī)場(chǎng)工程建設(shè)之前，必須對(duì)機(jī)場(chǎng)土基作出凍脹性評(píng)價(jià)，以便采取有效的防凍脹措施，確保機(jī)場(chǎng)工程的安全可靠. 土體的凍脹特性一直是國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)，國(guó)外學(xué)者Everett[1]首先提出毛細(xì)理論，對(duì)凍脹和凍脹力進(jìn)行了定量解釋和估計(jì)，但卻不能解釋不連續(xù)冰透鏡的形成原因且低估了細(xì)顆粒土中的凍脹壓力. 認(rèn)識(shí)到了毛細(xì)理論的不足，Miller[2]提出在凍結(jié)鋒面和最暖冰透鏡底面存在一個(gè)低含水量、低導(dǎo)濕率和無(wú)凍脹的帶，稱為凍結(jié)緣. 凍結(jié)緣理論在一定程度上克服了毛細(xì)理論的不足，得到廣大學(xué)者的認(rèn)可. 這兩大凍脹理論的提出為凍脹研究奠定了基礎(chǔ). 國(guó)內(nèi)學(xué)者吳紫汪[3]對(duì)土的凍脹機(jī)制、動(dòng)力及變化規(guī)律進(jìn)行了研究，為道路工程的凍脹成因、分類和病害防治措施的制定提供了理論依據(jù). 陳肖柏[4]提出飽水砂礫料凍結(jié)時(shí)的凍脹敏感性主要受細(xì)粒土含量及凍結(jié)條件的影響. 王天亮等[5]通過(guò)葡氏擊實(shí)和凍脹試驗(yàn)，研究了不同細(xì)粒土含量、不同干密度條件下細(xì)圓礫土填料的凍脹特性. 巨娟麗[6]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)白砂巖土的凍脹率凍脹特性進(jìn)行了研究. 程佳等[7]研究了青藏鐵路多年凍土區(qū)典型土樣的凍脹特性. 劉新華等[8]研究了季節(jié)凍土凍脹和融沉與土質(zhì)、密度、含水率等性質(zhì)的關(guān)系. 高志華[9]選取了21組土樣進(jìn)行分析，從顆粒組成、毛細(xì)水上升高度等分析青藏鐵路凍脹出現(xiàn)的可能性. 張以晨等[10]對(duì)5種粗粒土13種不同含泥量土料在不同含水率、飽和度和密實(shí)度狀態(tài)下進(jìn)行了一系列封閉系統(tǒng)下的凍脹模擬試驗(yàn). 研究了各種粗粒土的η-w關(guān)系，并對(duì)其進(jìn)行線性分析，揭示了粗粒土的凍脹規(guī)律. 徐洪坤等[11]建立了考慮水熱耦合遷移的Clausius-Clapeyron方程，推導(dǎo)了機(jī)場(chǎng)道基一維垂直向凍脹位移的積分表達(dá)式，建立了寒區(qū)機(jī)場(chǎng)道基凍脹預(yù)測(cè)模型. 楊銳等[12]從能量平衡角度，推導(dǎo)了作用在基層底面的凍脹應(yīng)力解析式，并在某機(jī)場(chǎng)改造工程中作了驗(yàn)算. 李博等[13]分析了造成機(jī)場(chǎng)凍脹的各種因素，提出了機(jī)場(chǎng)工程凍土土基處理的措施. 閆永剛等[14]分析了西北壁灘機(jī)場(chǎng)道面凍脹產(chǎn)生的原因，提出了消除凍脹的方法. 沈哲等[15]指出高寒地區(qū)機(jī)場(chǎng)土基的凍脹受降溫速率、土樣的含水率、上覆荷載等因素的影響，并存在復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系.

綜上研究成果，關(guān)于季凍區(qū)土基凍脹影響因素和工程實(shí)踐方面的研究比較少；關(guān)于機(jī)場(chǎng)凍脹的研究也僅有零星報(bào)道，且研究成果比較零散，不成系統(tǒng)，缺乏有效的工程實(shí)際價(jià)值；而關(guān)于砂礫土較多青藏高原季凍區(qū)機(jī)場(chǎng)凍脹的研究更是未見(jiàn)報(bào)道. 因此，有必要結(jié)合青藏高原季凍區(qū)獨(dú)特的氣候和土壤特點(diǎn)，對(duì)砂礫土進(jìn)行凍脹室內(nèi)試驗(yàn)，研究其凍脹特性并總結(jié)規(guī)律，結(jié)合工程實(shí)際提出建議，為青藏高原季凍區(qū)機(jī)場(chǎng)工程凍害防治提供理論依據(jù).

1概況

1.1顆粒級(jí)配及土樣制備

試驗(yàn)所用土樣取自果洛自治州大武機(jī)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)段，將土樣裝袋并用貨車運(yùn)送至西安，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行過(guò)濾雜質(zhì)、風(fēng)干等處理. 試驗(yàn)土樣包括天然砂礫土和表層粉土，天然砂礫土為主要試驗(yàn)對(duì)象，表層粉土為對(duì)照試驗(yàn)對(duì)象. 通過(guò)篩分試驗(yàn)，測(cè)得天然砂礫土中直徑小于0.075 mm的顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以下簡(jiǎn)稱含泥量)為6.9%，表層粉土的含泥量為50%，將這兩種土樣按不同的比例摻合均勻，即可得到試驗(yàn)所需的含泥量為10%、15%、20%、25%、45%的土樣. 已有研究表明，土樣顆粒級(jí)配對(duì)土樣的凍脹有明顯的影響[10]. 按公路土工試驗(yàn)規(guī)程[16]規(guī)定的方法，通過(guò)顆粒分析試驗(yàn)得到兩種土樣的顆粒級(jí)配曲線如圖1所示. 由圖1可知，天然砂礫土和表層粉土級(jí)配良好，屬于凍脹敏感性土類.

圖1　顆粒級(jí)配曲線

1.2擊實(shí)試驗(yàn)

對(duì)含泥量為10%、15%、20%、25%、45%的砂礫土進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，得到不同含泥量下的砂礫土的標(biāo)準(zhǔn)最大干密度和最優(yōu)含水率如表1所示. 由表可知，砂礫土的最優(yōu)含水率隨著含泥量的增大而增大. 然而，砂礫土的標(biāo)準(zhǔn)最大干密度卻隨著含泥量的增大而減小.

表1　擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

1.3試驗(yàn)方法及裝置

土體的凍脹特性主要用土體的凍脹量和凍脹率表示. 凍脹量是地表由于土體凍結(jié)而引起的豎向位移，土體在無(wú)側(cè)向變形的前提下，經(jīng)單向凍結(jié)，其縱向高度的增量與試樣原始高度的比值稱為凍脹率(也稱凍脹強(qiáng)度或凍脹系數(shù))，通常用高度比表示，計(jì)算公式為

(1)

式中：η為凍脹率%；Δh為凍脹量，mm；Hf為凍結(jié)土層的厚度[16].

試樣制備過(guò)程嚴(yán)格按照中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[16]進(jìn)行. 由于原狀土樣的采取、運(yùn)輸、保存等存在一定的困難，室內(nèi)試驗(yàn)中采用重塑擾動(dòng)土樣進(jìn)行凍脹率試驗(yàn). 試驗(yàn)具體方案如表2所示.

表2　凍脹試驗(yàn)方案

注：表中含水率為含水質(zhì)量比; 壓實(shí)度為95%，上覆荷載為20 kPa，初始凍結(jié)溫度為-2 ℃; 飽和度為土體中孔隙水體積與孔隙體積之的比值.

結(jié)合砂礫土的特點(diǎn)，本文采用改進(jìn)的凍脹室內(nèi)試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn). 試驗(yàn)裝置由試樣筒、恒溫箱和溫控系統(tǒng)、溫度檢測(cè)系統(tǒng)、位移檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集終端、補(bǔ)水系統(tǒng)和氣動(dòng)平衡裝置組成，系統(tǒng)圖及各組成部分照片分別見(jiàn)圖2、3所示.

圖2　凍脹試驗(yàn)裝置系統(tǒng)

圖3　凍脹試驗(yàn)裝置系統(tǒng)各組成部分照片

由于砂礫土的粒徑較大，經(jīng)過(guò)改裝后，試樣筒由內(nèi)徑15 cm，高16 cm，壁厚1 cm的有機(jī)玻璃筒制作，沿高度每隔2 cm設(shè)溫度傳感器插入孔. 底板為中空結(jié)構(gòu)，有負(fù)溫循環(huán)液進(jìn)出口. 頂板有外界水源補(bǔ)充通道.

試驗(yàn)步驟如下：1)首先進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定最大干密度和最優(yōu)含水率，見(jiàn)表1. 2)凍脹試件成型：在有機(jī)玻璃內(nèi)成型，試樣直徑15 cm、高13.5 cm. 首先按一定的含泥量、含水率配料、悶料24 h，以保證試樣的含水率均勻一致，根據(jù)壓實(shí)度稱取一定質(zhì)量，于試樣筒中分5層進(jìn)行擊實(shí)，靜壓成型. 3)為防止試驗(yàn)過(guò)程中水分流失，在試樣頂面和底面各放一張濾紙，然后放上頂板，并稍加力，使土樣與頂、底板接觸緊密. 將兩個(gè)試樣盒放入恒溫箱內(nèi)，試樣周側(cè)、底板內(nèi)放入溫度傳感器，周側(cè)包裹厚5 cm橡塑海綿保溫材料. 連接底板冷凍液循環(huán)管路及頂板補(bǔ)水管路，供水并排除頂板內(nèi)氣泡，調(diào)節(jié)供水裝置水位. 安裝位移傳感器. 將溫度和位移傳感器與數(shù)據(jù)采集終端連接. 4)開(kāi)啟加壓裝置，并調(diào)節(jié)到所需壓力；開(kāi)啟恒溫箱及底板冷浴，設(shè)定恒溫箱為1 ℃，底板冷浴為-15 ℃. 5)試樣恒溫6 h，并監(jiān)測(cè)溫度和變形，待試樣初始溫度均勻達(dá)到1 ℃左右以后，開(kāi)始凍結(jié). 6)低溫恒溫循環(huán)器調(diào)節(jié)到-15 ℃并持續(xù)0.5 h，讓試件迅速?gòu)牡酌鎯鼋Y(jié)，然后底板溫度調(diào)節(jié)到-2 ℃，并以0.2 ℃/h速度下降，保持箱溫和頂板溫度均為1 ℃. 打開(kāi)電腦上的阿爾泰測(cè)控系統(tǒng)讀取、保存數(shù)據(jù). 試驗(yàn)持續(xù)至位移量讀數(shù)恒定不變方可結(jié)束(約72 h). 7)試驗(yàn)結(jié)束后，迅速?gòu)脑嚇雍兄腥〕鲈嚇?，量測(cè)試樣高度并測(cè)定凍結(jié)深度，讀取數(shù)據(jù)并計(jì)算結(jié)果.

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1典型凍脹過(guò)程分析

取一組(含水率14%、含泥量45%、壓實(shí)度95%、上覆荷載20 kPa)試驗(yàn)結(jié)果為典型，繪制不同高度處溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖4所示.

圖4　不同高度處溫度隨時(shí)間變化曲線

從圖4中可以看出，不同高度處，土樣降溫的速率是不同的，其中4 cm處降溫速度最快，12 cm處降溫速度最慢. 同理，繪制凍脹量隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖5所示.

由圖5可知，土樣凍脹基本可以分為4個(gè)階段：1) 凍縮階段. 這一階段內(nèi)，凍脹率為負(fù)值，即土樣發(fā)生凍縮現(xiàn)象，約4～8 h后土樣體積增大，凍脹開(kāi)始. 由于土樣顆粒受冷收縮，孔隙水結(jié)冰后增大的體積，不足以抵消土樣顆粒收縮的體積；水在4 ℃時(shí)密度最大，土樣所含水分的體積最小，這對(duì)于土樣的凍縮有一定的影響. 此外，給土樣加載的20 kPa的上覆荷載，也抑制了土樣體積的增長(zhǎng). 因此，在起始階段，土樣體積不但不會(huì)增大反而會(huì)減小. 隨著溫度繼續(xù)降低，土樣開(kāi)始持續(xù)凍脹，當(dāng)凍脹引起的體積增量超過(guò)土樣顆粒收縮導(dǎo)致的體積減量時(shí)，才能觀測(cè)到凍脹現(xiàn)象. 2)快速凍脹階段. 這一階段凍脹量快速增長(zhǎng)，是由于此時(shí)冰析作用非常強(qiáng)烈，聚集在凍結(jié)鋒面處的水分凍結(jié)成冰時(shí)，將擠開(kāi)土顆粒而形成零散的細(xì)小冰透鏡體，出現(xiàn)冰分凝現(xiàn)象，因此體積快速增大. 3)緩慢凍脹階段. 這一階段冰分凝已經(jīng)比較充分，凍結(jié)鋒面附近形成的冰透鏡的厚度及連續(xù)程度加大，使得凍脹量增長(zhǎng)的幅度慢慢減小. 4)穩(wěn)定階段. 這一階段凍結(jié)鋒面基本穩(wěn)定，冰透鏡體停止生長(zhǎng)，凍脹率幾乎停止增長(zhǎng)，保持不變狀態(tài).

圖5　凍脹量隨時(shí)間變化曲線

2.2單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1含水率對(duì)凍脹率的影響

圖6為不同含水率與凍脹率的關(guān)系曲線，可以看出，在含泥量一定的情況下，土體的凍脹率隨著含水率的增大而增大. 其原因分析如下：含泥量一定，則干密度一定，在干密度一定的情況下，土體的飽和度隨著含水率的增大相應(yīng)增大，孔隙中的水分黏結(jié)更為緊密，水分連續(xù)遷移更加明顯，凍結(jié)時(shí)孔隙冰體積增加，因而產(chǎn)生的總的凍脹量增大. 對(duì)3組數(shù)據(jù)擬合可知：土體凍脹率與含水率呈現(xiàn)一元線性關(guān)系，3條擬合直線的斜率關(guān)系為k0.25>k0.45>k0.15，這是因?yàn)楹嗔繛?5%的土樣的干密度在3種土樣當(dāng)中最小(見(jiàn)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果)，土體也最疏松，土體有比較大的孔隙，能夠容納更多的凍結(jié)冰，不容易使得土粒之間的空間變大從而引起凍脹. 此時(shí)，隨著含水率的增大，凍脹率增大的幅度較小. 隨著含泥量減小到25%，土樣的干密度也相應(yīng)增大，導(dǎo)致土體顆粒之間的距離相應(yīng)減小. 在這種情況下，薄膜水就會(huì)在土體凍結(jié)過(guò)程中有相對(duì)比較活躍的水分遷移. 由此凍結(jié)的冰能夠使得土粒之間的距離明顯增大. 此時(shí)，隨著含水率的增大，凍脹率增大的幅度較大. 然而這種增幅并非隨著干密度的增大一直增大，當(dāng)含泥量減小到15%時(shí)，土體的干密度繼續(xù)增大，此時(shí)凍脹率的增幅反而減小，這是由于此時(shí)土體的骨架連結(jié)力比較大，這樣就會(huì)使得存在相互重疊在一起的結(jié)合水膜，水膜重疊在一起就會(huì)使得這種結(jié)合水膜變得比較厚，從而使得水膜的滲透性會(huì)相應(yīng)的降低，最終使得水分遷移的通道也就相對(duì)變小了. 所以凍脹率的增幅也相應(yīng)減小.

圖6　含水率與凍脹率的關(guān)系曲線

2.2.2含泥量對(duì)凍脹率的影響

圖7為不同含泥量與凍脹率的關(guān)系曲線，可以看出，在飽和度一定的情況下，土體的凍脹率隨著含泥量的增大而增大. 含泥量為10%時(shí)，土體的凍脹率較小. 分析其原因：土顆粒越細(xì)，其比表面積越大，表面能越高，與水相互作用的能量也越高. 具體來(lái)講，土顆粒表面都會(huì)吸附一定厚度的水膜，細(xì)顆粒較高的表面能可將水膜緊緊吸附在土粒周圍，土粒間的相互連接構(gòu)成利于水分連續(xù)遷移的薄膜通道, 因此，凍脹率更大.

圖7　含泥量與凍脹率的關(guān)系曲線

由上圖的擬合曲線斜率的變化可知，凍脹率的增幅隨著含泥量的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這是由于，隨著含泥量的增加，土樣當(dāng)中的細(xì)顆粒的含量也在逐漸增加，顆粒直徑特別小時(shí)，巨大的表面能使得土粒與未凍水的結(jié)合作用增大，從而使土粒表面吸附水膜的厚度增大，減小了供水分遷移的薄膜通道，降低了土體的水分滲透性能，甚至土顆粒外圍水膜過(guò)厚造成疊加完全阻塞遷移通道，從而導(dǎo)致水分遷移能力大大減弱，對(duì)凍脹率產(chǎn)生抑制作用.

飽和度越大，凍脹率越大. 一是由于飽和度越大，含水率越大，因而凍脹率越大；二是由于飽和度越大，土體當(dāng)中的孔隙體積占土體總體積的比例就越小，凍結(jié)期間更容易被凍結(jié)冰填充，從而更容易引起土顆粒位移，產(chǎn)生更大的凍脹. 同時(shí)觀察3條曲線的斜率可得，凍脹率的增幅隨著飽和度的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)槲达柡蜁r(shí)，水分的遷移和聚集作用比飽和時(shí)更加明顯，因而對(duì)于凍脹增幅的抑制作用小.

2.2.3壓實(shí)度對(duì)凍脹率的影響

圖8為不同壓實(shí)度與凍脹率的關(guān)系曲線，可以看出，在土體含水率和含泥量相同的條件下，土體的凍脹率隨著壓實(shí)度的增大呈現(xiàn)增大后減小的趨勢(shì). 其原因分析如下：在壓實(shí)度較低時(shí)，隨著壓實(shí)度的增大，土中未凍水膜的連續(xù)性比疏松時(shí)未凍水膜的連續(xù)性增強(qiáng)，有利于水分遷移與聚冰，因而凍脹強(qiáng)度增大；當(dāng)壓實(shí)度增大到一個(gè)臨界值時(shí)使薄膜通道減到最小，此時(shí)土體的凍脹強(qiáng)度最大，而隨著壓實(shí)度繼續(xù)增大超過(guò)這一臨界值時(shí)，土體的凍脹強(qiáng)度減小，這是由于土中孔隙體積縮小，使得土顆粒間的有效接觸面積增加，造成外圍水膜相互疊加，導(dǎo)致凍結(jié)時(shí)水分遷移受阻.

圖8　壓實(shí)度與凍脹率的關(guān)系曲線

在工程實(shí)際中，一般將壓實(shí)度控制在95%～98%的范圍內(nèi)，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壓實(shí)度為95%左右時(shí)，凍脹率達(dá)到最大值，因此在實(shí)際施工時(shí)，對(duì)壓實(shí)度的控制應(yīng)予以注意.

2.2.4上覆荷載對(duì)凍脹率的影響

圖9為不同上覆荷載與凍脹率的關(guān)系曲線，可以看出，上覆荷載對(duì)土樣的凍脹具有抑制作用，凍脹率隨上覆荷載的增大而減小. 但是從擬合曲線的變化率來(lái)看，這種抑制作用影響不大，這是由于土體內(nèi)部?jī)雒洉r(shí)所產(chǎn)生的凍脹力是非常大的，外加荷載相對(duì)來(lái)說(shuō)所起的作用就比較小了.

圖9　上覆荷載與凍脹率的關(guān)系曲線

2.2.5補(bǔ)水狀況對(duì)凍脹率的影響

圖10為是否補(bǔ)水與凍脹率的關(guān)系曲線，可以看出，是否補(bǔ)水對(duì)土樣的凍脹率影響較大，補(bǔ)水能使凍脹率增大3倍以上，這是由于土體內(nèi)部水分遷移聚集形成孔隙負(fù)壓，使得外界水分源源不斷地向凍結(jié)封面遷移和聚集，并形成冰透鏡體，導(dǎo)致凍脹率急劇增大，這說(shuō)明外界補(bǔ)水是引起及土基凍脹的主要因素.

圖10　是否補(bǔ)水與凍脹率的關(guān)系曲線

3多因素回歸分析

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果整理如表3所示，以含水率ωm、含泥量ωs、壓實(shí)度k、上覆荷載p為自變量，以凍脹率η為因變量. 利用MATLAB編程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸分析，得到含水率、含泥量、壓實(shí)度、上覆荷載綜合影響下的凍脹率的回歸模型為

η=0.147 651ωm+0.121 521ωs-0.002 08ωs2-

0.048 18k+0.000 323k2-0.002 74p.

修正擬合系數(shù)R2=0.990 872，F(xiàn)=542.758 6>F0.05(4，36)=2.65，顯著性非常好，反映該回歸模型擬合情況良好，可信度較高，說(shuō)明以上幾個(gè)因素對(duì)土體凍脹率有顯著性影響，故該回歸模型合理有效. 由各個(gè)因素回歸系數(shù)的可知，對(duì)凍脹率的影響由大到小的順序: 含水率、含泥量、壓實(shí)度、上覆荷載. 為了檢驗(yàn)該公式的正確性和有效性，本文將初始條件代入公式，得到凍脹率擬合值，將其與試驗(yàn)值對(duì)比分析如圖11所示.

表3　凍脹試驗(yàn)結(jié)果匯總

由圖11可知，計(jì)算值與試驗(yàn)值擬合情況良好，說(shuō)明該公式具有較高的準(zhǔn)確性和一定的有效性. 應(yīng)用該回歸模型可以預(yù)測(cè)不同因素綜合影響下的凍脹率，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值. 由于該公式只是考慮到了壓實(shí)度、含水率、含泥量、上覆荷載等幾種主要因素對(duì)于凍脹率的影響，并未將其他所有因素考慮在內(nèi)，因此還具有一定的局限性，這一點(diǎn)有待進(jìn)一步改進(jìn).

圖11　試驗(yàn)值與擬合值對(duì)比

4結(jié)論

1)在封閉條件下，凍脹率隨含水率的增大而線性增大；隨含泥量的增大呈非線性關(guān)系遞增；隨壓實(shí)度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，在壓實(shí)度為95%的狀態(tài)下達(dá)到最大值；隨上覆荷載的增大呈線性關(guān)系平緩遞減.

2)經(jīng)多元回歸分析，得到了多因素綜合影響下的回歸模型為η=0.147 651ωm+0.121 521ωs-0.002 08ωs2-0.048 18k+0.000 323k2-0.002 74p. 可見(jiàn)含水率ωm和含泥量ωs對(duì)凍脹的影響較大. 應(yīng)用該回歸模型可以預(yù)測(cè)不同因素綜合影響下的凍脹率，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值.

3)外界補(bǔ)水條件下，土體凍脹率顯著增大，通常能夠增大3倍以上.

4)各個(gè)因素對(duì)凍脹率的影響由大到小順序: 補(bǔ)水、含水率、含泥量、壓實(shí)度、上覆荷載. 因此，在工程實(shí)際中，控制補(bǔ)水、含水率、含泥量是防凍設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.

參考文獻(xiàn)

[1] EVERETT D H. The thermodynamics of frost damage to porous solids[J]. Transaction Faraday Society, 1961, 57: 1541-1551.

[2] MILLER R D. Lens initiation in secondary frost heaving[R]. Lulea, Sweden: Int Symp on Frost Action in Soils, 1977.

[3] 吳紫汪. 土的凍脹性試驗(yàn)研究[M]//蘭州冰川凍土所集刊第2號(hào). 北京: 科學(xué)出版社, 1981: 82-96.

[4] 陳肖柏. 砂礫料之凍脹敏感性[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，1988 (3): 23- 29.

[5] 王天亮, 岳祖潤(rùn).細(xì)粒含量對(duì)粗粒土凍脹特性影響的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2013,34(2): 359-365，388.

[6] 巨娟麗. 白砂巖土的凍脹率試驗(yàn)研究[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2004, 2(2): 51-54.

[7] 程佳, 趙相卿, 楊曉明. 青藏鐵路多年凍土區(qū)典型土樣凍脹率特性研究[J].冰川凍土, 2011, 33(4): 863- 866.

[8] 劉新華. 季節(jié)凍土凍脹和融沉的影響因素研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2007.

[9] 高志華. 青藏鐵路路基凍脹變形特點(diǎn)研究[D]. 西安： 長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

[10]張以晨,李欣,張喜發(fā),等.季凍區(qū)公路路基粗粒土的凍脹敏感性及分類研究[J].巖土工程學(xué)報(bào), 2007,29(10): 1522-1526.

[11]徐洪坤,楊祺,伍危.寒區(qū)機(jī)場(chǎng)道基凍脹預(yù)測(cè)模型[J]. 路基工程,2007 (5):17-19.

[12]楊銳,王肖戎,許金余.高寒地區(qū)機(jī)場(chǎng)道面基層底面凍脹應(yīng)力的計(jì)算[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,8(3): 16-18.

[13]李博,蔡良才,張羅利.機(jī)場(chǎng)工程土基處理分析[J].四川建筑科學(xué)研究,2010,36(6):104-106.

[14]閆永剛,劉文錄.西北戈壁灘機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面病害與對(duì)策研究[J].甘肅科技縱橫,2010, 39(3): 151- 154.

[15]沈哲,李永毅, 李澎, 等. 高寒地區(qū)機(jī)場(chǎng)土基凍脹特性試驗(yàn)研究[J]. 施工技術(shù), 2010, 39(增刊): 8-11.

[16]交通部公路科學(xué)研究院.公路土工試驗(yàn)規(guī)程：JTG E40—2007[S].北京:人民交通出版社,2007:345-349.

(編輯魏希柱)

Frost heaving properties of gravel soil in seasonal frozen region of Qinghai-Tibet Plateau

CEN Guoping1, LONG Xiaoyong1, HONG Gang1, LIU Jiying1, WANG Xinzhong2, JIA Yong2

(1.School of Aeronautics and Astronautics Engineering, Air Force Engineering University, 710075 Xi’an, China;2.China Civil Airport Construction Corporation, 710075 Xi’an, China)

Abstract:In order to explore frost heaving properties of gravel soil containing mud in seasonal frozen region of Qinghai-Tibet Plateau, and provide the foundation for airport engineering anti-freezing expansion design, Particle analysis experiment and compaction experiment were conducted to provide the basis indoor frost heaving rate experiment. Then it improved for gravel soil particle size characteristics of large heaving rate based on traditional means of laboratory experiments, following the improved apparatus a series of sets of orthogonal frost heave indoor tests were conducted to study the influence of factors including degree of compaction, moisture content, silt content, overlying load, water replenishing on frost heaving ratio by the improved experiment device. The test results show that frost heaving ratio of gravel soil containing mud in seasonal frozen region of Qinghai-Tibet Plateau showed a trend of decrease after the first increase with the increase of degree of compaction in a sealed environment, and approaches its maximum at the compaction degree of 95%; increases linearly with the increase of moisture content, increases with the increase of silt content corresponding to a polynomial function; Gently decreases at an exponential functional with the increase of overlying load. Frost heaving ratio increases over three times under the condition of the water replenishing. Multi-factor regression forecast formula is obtained by the multiple regression analysis. The influence of various factors on frost heaving ratio decreasing order: water replenishing, moisture content, silt content, degree of compaction, overlying load. Consequently, it is the key of anti-freezing expansion design to control water replenishing, moisture content, silt content.

Keywords:airport earth subgrade; gravel soil; frost heaving; moisture content; silt content; multiple regression analysis

中圖分類號(hào):TU411.99

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367-6234(2016)03-0053-07

通信作者:岑國(guó)平， cenguoping@163.com.

作者簡(jiǎn)介:岑國(guó)平(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

基金項(xiàng)目:民航科研專項(xiàng)資金(MHRD20140216).

收稿日期:2014-12-15.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.009