蘭新鐵路第二雙線鹽漬土溶陷特性研究

袁雅賢，魏亞輝，馮懷平，常建梅

( 1．石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊　050043; 2．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京　100081)

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蘭新鐵路第二雙線鹽漬土溶陷特性研究

袁雅賢1，魏亞輝2，馮懷平1，常建梅1

( 1．石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊050043; 2．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100081)

摘要:結(jié)合蘭新鐵路第二雙線建設(shè)期間出現(xiàn)的溶陷病害，將該地分布較為廣泛的氯鹽漬土和硫酸鹽漬土作為研究對象，采用自行研制的新型裝置進(jìn)行了室內(nèi)溶陷試驗(yàn)，以確定初始含水量、初始含鹽量、壓實(shí)度及軸向壓力對鹽漬土溶陷特性的影響。結(jié)果表明:試樣首先在軸向壓力作用下達(dá)到變形穩(wěn)定，受水浸濕后在很短的時間內(nèi)有明顯溶陷變形，并逐漸趨于穩(wěn)定;從總體來看，當(dāng)初始含鹽量、軸向壓力增大時，鹽漬土的溶陷系數(shù)隨之增大，而當(dāng)初始含水量、壓實(shí)度增大時，溶陷系數(shù)卻呈現(xiàn)減小的趨勢;溶陷系數(shù)隨壓力的變化曲線呈拋物線形，但在壓力較小和較大時，溶陷曲線變化較平緩;當(dāng)壓力達(dá)到200 kPa時，溶陷系數(shù)增量最大。

關(guān)鍵詞:鹽漬土路基溶陷特性氯鹽漬土硫酸鹽漬土試驗(yàn)研究

蘭新第二雙線跨越戈壁地區(qū)，有大面積的鹽漬土分布，融雪或地下輸水管道破裂等原因引起了鹽漬土的溶陷變形，導(dǎo)致路基道床板線型明顯不平順，道床板外側(cè)底部與支承層頂面之間出現(xiàn)懸空現(xiàn)象，且附近的路基和橋梁都發(fā)生不同程度的下沉，嚴(yán)重影響著高速鐵路的行車安全。

目前，鹽漬土的溶陷特性所帶來的危害已漸漸得到國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。宋通海［1］對新疆地區(qū)的氯鹽漬土進(jìn)行了溶陷試驗(yàn)，結(jié)果顯示，溶陷系數(shù)隨著含鹽量的增加而增加，隨著初始含水量的增加而減小;程東幸等［2］對河西走廊西段的典型粗粒鹽漬土進(jìn)行了分析，認(rèn)為影響粗粒鹽漬土溶陷特性的因素不僅包括含鹽量和含水量，還包括粗顆粒的含量、密實(shí)度及滲透系數(shù);魏進(jìn)等［3］通過室內(nèi)溶陷試驗(yàn)確定了初始含水量、含鹽量及上覆荷載對濱海氯鹽漬土溶陷特性具有重要影響;楊曉華等［4］則從離心模擬的角度得到了鹽漬土的溶陷系數(shù)在最佳含水量、不同含鹽量情況下的變化規(guī)律。

國外學(xué)者對于土體濕陷變形的研究已較為成熟，但多體現(xiàn)在其他類土上，如黃土［5］、紅土［6］;但關(guān)于鹽漬土溶陷特性的研究卻不多，文獻(xiàn)［7-8］通過改進(jìn)的固結(jié)儀對鹽漬土試樣的溶陷性進(jìn)行了測試，認(rèn)為鹽漬土具有高溶陷性的原因是土中氯化物的溶解、帶電離子之間的相互作用和土顆粒的變位。

鑒于國內(nèi)外對鹽漬土溶陷特性的研究尚不成熟，且鹽漬土的工程性質(zhì)具有明顯的地區(qū)差異性，本文對蘭新第二雙線地區(qū)大量存在的氯鹽漬土和硫酸鹽漬土進(jìn)行了室內(nèi)溶陷特性試驗(yàn)，以全面掌握鹽漬土路基變形規(guī)律，為鹽漬土地區(qū)高速鐵路設(shè)計(jì)提供支持。

1　工程概況

蘭新鐵路第二雙線的施工點(diǎn)位于天山南麓山前沖洪積平原中部，地面橫坡坡度為1°～3°，為典型的礫質(zhì)戈壁景觀。該地區(qū)常年晝夜溫差大，多發(fā)生集中性暴雨，之后伴隨強(qiáng)烈蒸發(fā)。鹽漬土主要分布在地勢較低處和河灘地帶，以氯鹽漬土和硫酸鹽漬土為主，含鹽量為1%～7%，含水量為4%～14%。

2　試樣工程性質(zhì)

試樣為粉砂類鹽漬土，取土深度為0. 2～1. 0 m，其工程性質(zhì)如表1所示。

表1試樣工程性質(zhì)

3溶陷特性試驗(yàn)方案

3. 1試驗(yàn)方案

3. 1. 1方案一

制備初始含鹽量為1. 5%，壓實(shí)度為0. 91，初始含水量分別為5%，8%，10%，12%和14%的5組氯鹽漬土試樣和5組硫酸鹽漬土試樣，分別在100，200，300，400，500 kPa 5種模擬道路荷載的軸向壓力作用下進(jìn)行溶陷試驗(yàn)，研究不同初始含水量條件下鹽漬土的溶陷特性。

3. 1. 2方案二

制備初始含水量為10%，壓實(shí)度為0. 91，初始含鹽量分別為1. 5%，3%，5%和7%的4組氯鹽漬土試樣和4組硫酸鹽漬土試樣，分別在100，200，300，400，500 kPa 5種模擬道路荷載的軸向壓力作用下進(jìn)行溶陷試驗(yàn)，研究不同初始含鹽量條件下鹽漬土的溶陷特性。

3. 1. 3方案三

制備初始含鹽量為1. 5%，初始含水量為10%，壓實(shí)度分別為0. 88，0. 91，0. 94和0. 96的4組氯鹽漬土試樣和4組硫酸鹽漬土試樣，分別在100，200，300，400，500 kPa 5種模擬道路荷載的軸向壓力作用下進(jìn)行溶陷試驗(yàn)，研究不同壓實(shí)度條件下鹽漬土的溶陷特性。

3. 2試驗(yàn)儀器

所用儀器為自行研制的新型溶陷特性測試儀，如圖1所示。該儀器由加壓設(shè)備、壓力室、傳壓桿、電位計(jì)、電腦和進(jìn)水裝置組成。在傳統(tǒng)儀器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn):變形量測系統(tǒng)由電位計(jì)及電腦構(gòu)成，能對變形數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集;進(jìn)水裝置由帶有控制閥門的滴定管代替了傳統(tǒng)的水槽，可靈活控制浸水量和浸水速度，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度。

圖1溶陷特性測試儀結(jié)構(gòu)示意

4　溶陷特性試驗(yàn)結(jié)果及分析

4. 1不同初始含水量下溶陷量與時間的關(guān)系

圖2為方案一中軸壓σ= 200 kPa時不同初始含水量下溶陷變形曲線。從圖中可以看出，鹽漬土試樣首先在軸向壓力的作用下達(dá)到變形穩(wěn)定，浸水后產(chǎn)生明顯的溶陷變形，但也逐漸趨于穩(wěn)定。在初始含鹽量、壓實(shí)度及軸向壓力相同的條件下，鹽漬土試樣的溶陷量及達(dá)到溶陷變形穩(wěn)定的時間均隨初始含水量的增大而減小。總體來說，硫酸鹽漬土的溶陷變形比氯鹽漬土更加明顯，且變形穩(wěn)定所需要的時間更短。分析認(rèn)為:初始含水量越小時，土樣內(nèi)未溶鹽的含量越高，受水浸濕后，未溶鹽大量溶解，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)松散，產(chǎn)生較大變形;由于不同類別的易溶鹽的結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致硫酸鹽漬土對水的敏感性強(qiáng)于氯鹽漬土。

圖2不同初始含水量下溶陷變形曲線(σ= 200 kPa)

圖3不同初始含鹽量下溶陷變形曲線(σ= 200 kPa)

4. 2不同初始含鹽量下溶陷量與時間的關(guān)系

圖3為方案二中σ= 200 kPa時不同初始含鹽量下溶陷變形曲線。從圖中可以看出，在初始含水量、壓實(shí)度及軸向壓力相同的條件下，鹽漬土試樣的溶陷量和達(dá)到溶陷變形穩(wěn)定的時間均隨初始含鹽量的增大而增大。分析認(rèn)為:與初始含水量對溶陷變形的影響機(jī)理大致相同，含鹽量越大，土樣內(nèi)未溶解的鹽分越多，會隨著水分的浸入而大量溶解，導(dǎo)致土顆粒散落、移位。

4. 3不同壓實(shí)度下溶陷量與時間的關(guān)系

圖4為方案三中σ= 200 kPa時不同壓實(shí)度下的溶陷變形曲線。從圖中可以看出，在初始含水量、初始含鹽量和軸向壓力相同的條件下，鹽漬土試樣的溶陷量和達(dá)到溶陷變形穩(wěn)定的時間均隨壓實(shí)度的增加而減小。當(dāng)壓實(shí)度＞0. 94時，鹽漬土試樣僅發(fā)生微小的溶陷變形;且壓實(shí)度對硫酸鹽漬土試樣溶陷變形的影響要大于氯鹽漬土。分析認(rèn)為:壓實(shí)度越小時，土體的孔隙比越大，在相同軸向壓力作用下，土中鹽分發(fā)生溶解變形的空間越大(土體松散的程度越大)，達(dá)到的溶陷量則越大;隨著壓實(shí)度的增加，孔隙比減小，當(dāng)壓實(shí)度＞0. 94時，土樣溶陷變形的空間很小。

圖4不同壓實(shí)度下的溶陷變形曲線(σ= 200 kPa)

4. 4不同初始含水量下溶陷系數(shù)與壓力的關(guān)系

圖5為方案一中不同初始含水量下的溶陷系數(shù)變化曲線。從圖中可以看出，在同一壓力下，鹽漬土的溶陷系數(shù)隨初始含水量的增加呈減小的趨勢，而同一初始含水量下，溶陷系數(shù)則隨壓力的增大呈增大趨勢。對于氯鹽漬土而言，當(dāng)軸向壓力為100 kPa時，曲線近似呈直線變化，而軸向壓力為200 kPa時，溶陷系數(shù)增量最大。分析原因認(rèn)為:軸向壓力較小時，土樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)并未受到破壞，鹽晶體只有一小部分能得到溶解;當(dāng)壓力達(dá)到200 kPa時，土樣的結(jié)構(gòu)受到較大破壞，土顆粒發(fā)生移位、散落，導(dǎo)致鹽晶體的溶解度升高，溶陷系數(shù)的增量達(dá)到最大，且曲線不再為直線，而表現(xiàn)為拋物線形;隨著壓力繼續(xù)增大，溶陷系數(shù)增量減小，這是由于大量鹽晶體已經(jīng)溶解，即使壓力再大，溶陷系數(shù)也不會大幅度增加，導(dǎo)致曲線在大壓力下再次趨于平緩。硫酸鹽漬土的溶陷系數(shù)曲線變化規(guī)律與氯鹽漬土大致相同，但是整體上比氯鹽漬土變化更陡，表現(xiàn)為具有拐點(diǎn)的曲線形式，說明它的水敏感性更強(qiáng)。

圖5不同初始含水量下的溶陷系數(shù)變化曲線

4. 5不同初始含鹽量下溶陷系數(shù)與壓力的關(guān)系

圖6為方案二中不同初始含鹽量下溶陷系數(shù)變化曲線。從圖中可以看出，同一壓力下，初始含鹽量增大時，鹽漬土的溶陷系數(shù)隨之增大;而在同一初始含鹽量下，溶陷系數(shù)隨壓力也有相同的變化規(guī)律。對于氯鹽漬土而言，軸向壓力為100，500 kPa時，曲線近似為平緩的直線，這是由于在小壓力下，鹽晶體不能得到充分溶解，而大壓力下，鹽晶體已經(jīng)充分溶解的緣故。軸向壓力為200 kPa時，溶陷系數(shù)的增量最大，曲線表現(xiàn)為拋物線形，且隨著初始含鹽量的增加，溶陷系數(shù)曲線逐漸趨于平緩，這可能是由于初始含鹽量太大時，在很短的時間內(nèi)，會引起鹽晶體的大量溶解，鹽顆粒發(fā)生運(yùn)動，造成土體孔隙比減小，使溶陷受到阻礙。硫酸鹽漬土溶陷系數(shù)曲線整體變化規(guī)律與氯鹽漬土基本相同。

圖6不同初始含鹽量下的溶陷系數(shù)變化曲線

圖7不同壓實(shí)度下的溶陷系數(shù)變化曲線

4. 6不同壓實(shí)度下溶陷系數(shù)與壓力的關(guān)系

圖7為方案三中不同壓實(shí)度下溶陷系數(shù)變化曲線。從圖中可以看出，同一軸向壓力下，鹽漬土的溶陷系數(shù)隨壓實(shí)度的增大而減小;而在同一壓實(shí)度下，鹽漬土的溶陷系數(shù)隨軸向壓力的增大而增大。分析認(rèn)為:相同的軸向壓力下，隨著壓實(shí)度不斷增大，土樣的孔隙比不斷減小，即使初始含鹽量再大，土體發(fā)生溶陷變形的范圍也很小;相同的壓實(shí)度下，軸向壓力越大，土樣孔隙比減小幅度越大，產(chǎn)生的溶陷量也越大。同樣在軸向壓力達(dá)到200 kPa時，溶陷系數(shù)的增量最大;此后，隨著軸向壓力繼續(xù)增大，溶陷系數(shù)的增量降低，甚至出現(xiàn)曲線相互交叉的現(xiàn)象。這主要是由于土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致了孔隙比減小的量和速率在此時均最大。此后隨著軸向壓力的增大，孔隙比雖仍在不斷減小，但是減小的速率不斷降低。兩類鹽漬土溶陷系數(shù)曲線的變化規(guī)律大致相同，在壓實(shí)度達(dá)到0. 94時，兩類鹽漬土在各壓力下的溶陷系數(shù)均＜0. 004，且壓實(shí)度繼續(xù)增加時，溶陷系數(shù)變化很小，故可將此壓實(shí)度作為該地區(qū)鹽漬土路基溶陷變形的控制指標(biāo)之一。

5　結(jié)論

1)在同一軸向壓力下，兩類鹽漬土試樣的溶陷變形量均隨初始含鹽量的增大而增大，隨初始含水量和壓實(shí)度的增大而減小，并最終趨于穩(wěn)定。相同條件下，氯鹽漬土與硫酸鹽漬土的溶陷曲線變化規(guī)律大致相同，但硫酸鹽漬土的最終溶陷量要稍大于氯鹽漬土。

2)在初始含水量、初始含鹽量、壓實(shí)度均保持不變的條件下，軸向壓力增大，鹽漬土的溶陷系數(shù)隨之增大;而在軸向壓力相同的條件下，初始含鹽量增大，鹽漬土的溶陷系數(shù)也隨之增大，但初始含水量和壓實(shí)度增大，鹽漬土的溶陷系數(shù)則呈減小趨勢。

3)當(dāng)軸向壓力達(dá)到200 kPa時，土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，此時溶陷系數(shù)的增量最大，此后，隨著軸向壓力的繼續(xù)增大，溶陷系數(shù)的增量減小，溶陷系數(shù)隨軸向壓力的變化曲線也逐漸趨于平緩，當(dāng)壓實(shí)度＞0. 94時，土樣的溶陷性大大降低，可將此壓實(shí)度作為該地區(qū)鹽漬土路基溶陷變形的控制指標(biāo)之一。

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(責(zé)任審編周彥彥)

Study on melt sinking characteristics of saline soil in Lanzhou-Xinjiang second double track railway

YUAN Yaxian1，WEI Yahui2，F(xiàn)ENG Huaiping1，CHANG Jianmei1

( 1．School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang Hebei 050043，China; 2．Railway Science and Technology Research and Development Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:M elt sinking appeared in Lanzhou-Xinjiang second double track railway．Chlorine saline soil and sulphate salty soil are the research objects in this paper．A new instrument was introduced to conduct laboratory melt sinking tests，aiming to determine the effects of initial water content and salt content，compactness，and axial compression on the saline soil samples．At first，the sample reaches a stable deformation under the action of axial pressure and then a significant collapse deformation occurs within a very short time after soaking，tending to be stable gradually．In general，the collapsibility-coefficient increases with the increase of initial salt content and loads but decreases when the initial water content or compactness goes up．T he curve of the collapsibility-coefficient versus loads is parabolic; the curve is flat when the pressure is small or large．As the pressure comes to 200 kPa，the growth rate of collapsibilitycoefficient reaches the maximum．

Key words:Saline soil subgrade; M elt sinking characteristics; Chlorine saline soil; Sulphate salty soil; Experimental research

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0092-05

作者簡介:袁雅賢( 1990—)，女，碩士研究生。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 51478279)

收稿日期:2015-09-13;修回日期: 2015-11-04

中圖分類號:TU43

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．23