Factors Affecting the Strength Degradation of Low Liquid Limit Viscosity Roadbed
under Freezing and Thawing Cycles
杨兴然 YANG Xing-ran；张振寰 ZHANG Zhen-huan；何静云 HE Jing-yun；
王文涛 WANG Wen-tao；闫子麟 YAN Zi-lin
（河北建筑工程学院，张家口 075000）
（Hebei University of Architecture，Zhangjiakou 075000，China）
摘要：为研究季冻区低液限黏土强度衰减的影响因素，以张家口地区公路路基填土为研究对象，进行冻融试验和静三轴试验，并运用灰色关联分析法对试验结果进行分析。结果表明：三轴实验中，发现影响土体的强度衰减的4种因素关联性从大到小排序为：压实度＞含水率＞冻结负温＞冻融循环次数。
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.
关键词：路基；灰色关联；强度衰减；冻融循环
Key words: grey correlation；cohesion；freeze-thaw cycle
中图分类号：U416.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）24-0179-02
0 引言
路基是路面基层以下部分一定范围的土体，作为道路工程的重要组成部分，承受交通荷载的作用，路基的强度直接影响到公路的使用和寿命。一些学者对路基的强度进行了研究，张云龙[1]等选用不同塑性指数的三种土，研究了高含水率状态下，冻融循环对路基边坡强度及稳定性的影响。蒋慎[2]等研究了不同含水率的粉质粘土在不同冻融循环次数下的抗剪性能，得出冻融循环次数对土体抗剪性能的削弱规律。何静科[3]等以3种典型的东北三省路基粘土作为研究对象，研究了土体历经8次冻融循环后土的力学指标变化规律。刘寒冰[4]等分析了冻融次数和含水率对压实黏质土试样力学特性的影响规律，并探讨了其影响机制。正交试验设计和灰色关联度法是研究多因素试验比较科学的方法，且可以对影响因素的主次关系做出排序[5-7]。
本文选取压实度、含水率、冻结负温及冻融循环次数为影响因素进行正交试验设计，研究季冻区路基土的强度以及粘聚力的变化，并通过灰色关联分析各个因素的关联性，为工程设计、施工提供参考依据。
1 试验概况
1.1 土样物理性质
试样土样取自张承高速某路段，对所取土样进行了基本物理性质实验，由筛分试验所得到的颗粒级配曲线如图1所示。
根据《公路土工试验规程》[8]对土样进行界限含水率试验，根据土工试验规程可判定该土样为低液限黏土，基本物理参数如表1所示。
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1.2 冻融循环试验方案
根据土的基本性质指标，配置最优含水率附近的试验用土，本试验选取的含水率为11％和13％，随后分5层制作成压实度分别为94％和97％的试件，其中试件的高度为80mm，直径为39.1mm。制作完成后先测量试样的初始质量、高度以及直径，再把试样放到高低温交变箱中进行冻融循环。为了更好地模拟实际的冻融过程，将制作好的试件用保鲜膜包裹后放入带孔的聚乙烯泡沫板中分别进行环境负温-5℃和-10℃融化温度为20℃的冻融循环试验。对经历冻融循环后不同压实度以及不同冻结负温的部分试样的质量m、平均高度h和平均直径d进行了测量。
1.3 静三轴试验方案
本试验所使用的仪器为南京宁曦土壤仪器有限分公司生产的TSZ系列应变控制式三轴仪，采用正交试验方法考虑了为压实度、冻结负温、冻融循环次数以及含水率4个影响因素，具体的试验方案如表2所示。
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2 灰色关联分析
试验结果运用初值化对低液限黏土强度衰减的影响因素进行分析，三轴试验结果统计见表3，灰色关联分析结果见表4。灰色关联分析法弥补了采用数理统计方法进行系统分析所导致的缺憾，它对样本量没有过多的要求，计算简便，极少出现定量与定性分析结果不符的情况。其本质是通过线性内插的方法将系统因素的离散行为观测值转化为分段连续的曲线，进而根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密，曲线越接近，相应序列之间的关联度就越大，反之就越小[9]。
利用灰色关联分析法，分析了4种影响因素对强度以及粘聚力的相关性。由表4和表5可得，4种影响因素对于强度的关联性从大到小依次为压实度，含水率，冻结负温和冻融次数；通过对强度进行搭配效应计算，确定对强度的最不利工况，通过计算得出这一组合形式为A2B3C4D3，即冻融1次、压实度94%、含水率11%、冻结负温-5℃。
3 结论
①正交试验可以科学地分析多因素试验，灰色关联度分析方法可以对各因素的影响程度进行排序。结果表明，影响土体强度的因素中压实度对强度的影响程度最大，其次为含水率、环境负温及冻融循环次数。
②经灰色关联分析，试验范围内对土体强度损伤影响程度最大的工况为：冻融1次、压实度94%、含水率11%、冻结负温-5℃。证明并非最多的冻融循环次数和最低的负温对土体的强度影响最大。
③压实度94％的试件比压实度97％试件的孔隙率大，经历冻融作用后土体的强度损失较显著；不同含水率下土体的强度均发生了衰减，土样经历一次冻融循环后强度的衰减最为明显，3次冻融循环以后，强度基本趋于平稳；冻结负温-5℃的强度衰减大于冻结负温-10℃的强度损失。
参考文献：
[1]张云龙，刘琳，王静，吕翔，孙昆阳.冻融循环对高含水率路基边坡稳定性影响分析[J].四川水泥，2018（08）：43.
[2]蒋慎.冻融循环作用对路基粉质粘土抗剪强度的影响分析[J].湖南交通科技，2017，43（02）：59-62.
[3]何静科，牛彦峰，刘寒冰.冻融循环对路基土物理力学性质影响分析[J].工程与试验，2013，53（03）：49-52，68.
[4]赵永利，吴震，黄晓明.沥青混合料水稳定性的试验研究[J]. 东南大学学报（自然科学版），2001，31（3）：99-102.
[5]刘寒冰，张互助，王静.冻融及含水率对压实黏质土力学性质的影响[J].岩土力学，2018，39（01）：158-164.
[6]鲍俊安，杨平，陈成.基于灰色关联优势分析冻胀融沉影响因素研究[J].66路基工程，2012（1）：21－23.
[7]于春海，贾文君，杨有海.兰新线路基冻害影响因素的灰关联分析[J].低温建筑技术，2009，31（3）：86－87.
[8]交通部公路科学研究院.公路土工试验规程：JTGE40-2007[S].北京：人民交通出版社，2007.
[9]刘思峰.灰色系统理论及其应用[M].五版.科学出版社， 2010. |
