武 寧 溫艷紅

（1.浙江愛麗智能檢測技術(shù)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(nèi)最大土壤凍結(jié)深度為2.81m，為深季節(jié)性凍土區(qū)。有關(guān)季節(jié)凍土區(qū)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(shù)和融化壓縮系數(shù))的考慮一般較少，但近年來的凍害調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，融沉性在季節(jié)凍土地區(qū)的建筑物穩(wěn)定性方面的應(yīng)用仍然具有積極的意義。反復(fù)的凍融循環(huán)作用是影響融沉變形的主要因素，而土體的融化壓縮系數(shù)是與此密切相關(guān)的參數(shù)指標。因此，研究土體在凍融前后壓縮參數(shù)的變化對于深刻理解融沉變形的實質(zhì)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(fā)現(xiàn)經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，土體的結(jié)構(gòu)性嚴重減弱。Konrad等[2]通過試驗，認為土體經(jīng)過反復(fù)的凍融循環(huán)后，孔隙比趨于穩(wěn)定。國內(nèi)，張貴生等[3]發(fā)現(xiàn)，土體的壓縮系數(shù)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(fā)現(xiàn)，土體的反復(fù)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(qū)地基壓縮變形是建筑物地基沉降預(yù)報設(shè)計考慮的必要因素。童長江等[6]通過研究發(fā)現(xiàn)，季節(jié)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(huán)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(huán)條件下粉砂土的融沉性質(zhì)。師華強等[10]通過試驗發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)作用使土的壓縮系數(shù)增大，壓縮模量減小。

綜上所述，正確預(yù)報凍土區(qū)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(jié)凍土區(qū)粉質(zhì)砂土在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)后試驗，闡述了融化壓縮系數(shù)與含水率、壓實度、冷卻溫度以及凍融循環(huán)次數(shù)之間的變化規(guī)律，為進一步深化對凍土區(qū)融化壓縮特性的研究提供了參考。

1 試驗內(nèi)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(zhì)砂土，主要物理參數(shù)：土樣顆粒密度為2.70g/cm3，滲透系數(shù)為5.87×10-6cm/s，最大干密度為1.95g/cm3，最優(yōu)含水率為11.2%，含鹽量測試結(jié)果為0.15%(測試的離子主要包括SO42-、CO32-、Na+、K+)。

試驗設(shè)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(huán)次數(shù)的試件采用標準批量制備。首先按試驗設(shè)計所需含水率配制土樣——將粉砂土在限制水分蒸發(fā)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(nèi)(準許誤差±1%)。然后按照設(shè)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(xiàn)分層現(xiàn)象。制樣時為防止水分揮發(fā)，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(huán)。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(shè)計

1.2 凍融循環(huán)過程設(shè)計

本試驗采取先融化后壓縮的試驗方法。凍融循環(huán)的溫度確定參照那曲深季節(jié)凍土區(qū)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(jié)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(jié)和融化持續(xù)時間均為12h，此為一個凍融循環(huán)周期。凍融循環(huán)次數(shù)FT為0、1、3、6和10次。將經(jīng)歷設(shè)定凍融次數(shù)的試樣取出，安裝于壓縮儀上預(yù)加1kPa荷載進行融沉，經(jīng)過24h土樣完全融化，融沉達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后逐級施加荷載進行融化壓縮試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

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

式中ai-融化壓縮系數(shù)，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(huán)對融化壓縮系數(shù)的影響

凍融過程的冷生作用改變了土的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)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(shù)的變化對于寒區(qū)巖土工程來說是必不可少的，融化壓縮系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 融化壓縮系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

圖1為不同凍融循環(huán)次數(shù)對粉砂土融化壓縮系數(shù)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(shù)隨凍融循環(huán)的影響規(guī)律為：未經(jīng)歷凍融循環(huán)的粉砂土，壓縮系數(shù)均較低，但在經(jīng)歷凍融循環(huán)1、3、6、10次后，其融化壓縮系數(shù)均出現(xiàn)一定幅度的增加。具體表現(xiàn)為經(jīng)歷1次凍融循環(huán)的粉砂土的壓縮系數(shù)略有增大，但不是很明顯。但土體經(jīng)過多次反復(fù)的凍結(jié)、融化作用后，粉砂土融化壓縮量在逐漸增加，并且在經(jīng)歷第3次的凍融循環(huán)后融化壓縮量增加較為明顯，但第6次凍融循環(huán)后融化壓縮系數(shù)趨于穩(wěn)定，第10次凍融循環(huán)后粉砂土的融化壓縮系數(shù)與第6次凍融循環(huán)后相差甚微。這也說明，土體經(jīng)過反復(fù)的凍融循環(huán)，使得土顆粒間改變了原來的位置關(guān)系，由動態(tài)的不平衡狀態(tài)向新的動態(tài)平衡狀態(tài)發(fā)展，最終達到穩(wěn)定。

2.2 含水率對融化壓縮系數(shù)的影響

在季節(jié)冰凍區(qū)，含水率的大小直接影響融化壓縮系數(shù)，融化壓縮系數(shù)與含水率的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 融化壓縮系數(shù)與含水率的關(guān)系曲線

從圖2可知，F(xiàn)T=0時，試樣在未受到凍結(jié)、融化作用的影響時，隨著含水率增大，其壓縮系數(shù)也相應(yīng)增加，說明土樣含水率越高，壓縮性能越差。在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后，試樣的融化壓縮系數(shù)隨含水率的增大也呈遞增的趨勢，1次凍融循環(huán)后含水率15%的土樣的壓縮系數(shù)增幅最明顯。這主要是凍結(jié)過程中不同含水率粉砂土體內(nèi)水相轉(zhuǎn)變?yōu)楸瑢?dǎo)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(yīng)含水率越高被排出的水越多，可壓縮性也越大。冰水間的轉(zhuǎn)化破壞了土顆粒之間的原始膠結(jié)，導(dǎo)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(shù)產(chǎn)生減益影響。

2.3 壓實度對融化壓縮系數(shù)的影響

土體產(chǎn)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(shù)與壓實度的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 融化壓縮系數(shù)與壓實度的關(guān)系曲線

與未凍土一樣，對季節(jié)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(shù)越小，土體的壓縮性也相應(yīng)增強。在加載初期試樣孔融化壓縮系數(shù)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(shù)的影響

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

圖4 融化壓縮系數(shù)與不同冷凍溫度的關(guān)系曲線

土體在經(jīng)歷1個凍融循環(huán)后，粉砂土的融化壓縮系數(shù)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(shù)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(jié)，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(shù)的影響不太明顯。

3 結(jié)語

(1)反復(fù)的凍結(jié)融化作用對粉砂土的融化壓縮特性有不同程度的影響，經(jīng)歷6次凍融循環(huán)后融化壓縮系數(shù)才趨于穩(wěn)定。1次凍融循環(huán)的影響微乎其微，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，融化壓縮系數(shù)增大，第3次凍融循環(huán)后的變化較為明顯。同時，粉砂土的融化壓縮系數(shù)與含水率呈正相關(guān)性，與壓實度呈負相關(guān)性，冷凍溫度的影響則不太明顯。

(2)無論是未凍土還是經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的融化土，融化壓縮系數(shù)與壓力的大小密切相關(guān)。從整個壓縮過程看，經(jīng)歷不同凍融循環(huán)的粉砂土的壓縮系數(shù)均隨壓力的增大而減小，而且ai并不是一個常數(shù)，在剛開始受壓固結(jié)階段，融化壓縮系數(shù)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(guī)律呈現(xiàn)顯著的非線性特征。