硫酸鹽漬土機(jī)場(chǎng)鹽脹破壞試驗(yàn)研究

劉小川 吳愛(ài)紅 劉俊紅 周 奇

(1.中國(guó)航空港建設(shè)第九工程總隊(duì)，四川 成都 611430； 2.南部戰(zhàn)區(qū)空軍勘察設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510000； 3.東戰(zhàn)區(qū)空軍勘察設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 210000)

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硫酸鹽漬土機(jī)場(chǎng)鹽脹破壞試驗(yàn)研究

劉小川1吳愛(ài)紅2劉俊紅2周 奇3

(1.中國(guó)航空港建設(shè)第九工程總隊(duì)，四川 成都 611430；
2.南部戰(zhàn)區(qū)空軍勘察設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510000； 3.東戰(zhàn)區(qū)空軍勘察設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 210000)

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，模擬研究了機(jī)場(chǎng)浸水條件下不同壓實(shí)度、不同硫酸鈉含量的土質(zhì)區(qū)與道面區(qū)鹽漬土的膨脹性，分析了壓實(shí)度、含鹽量、水分、荷載對(duì)硫酸鹽漬土機(jī)場(chǎng)破壞的影響，結(jié)果表明，壓實(shí)度、含鹽量越大，膨脹量亦越大，壓實(shí)度、含鹽量不均勻是機(jī)場(chǎng)破壞內(nèi)因；水分、荷載是道面破壞的外部因素，水分對(duì)膨脹影響很大；道面區(qū)的膨脹比土質(zhì)區(qū)要小得多，道面結(jié)構(gòu)層自重荷載對(duì)膨脹有較好抑制作用，但25 kPa還不足以抑制膨脹。

機(jī)場(chǎng)，地基，硫酸鹽漬土，膨脹量

硫酸鹽漬土對(duì)道路的主要危害是鹽脹。據(jù)青海、新疆等內(nèi)陸鹽漬土地區(qū)道路調(diào)查表明[1,2]，鹽漬土鹽脹對(duì)道路的破壞形式主要表現(xiàn)在：路面產(chǎn)生不均勻變形，形成波浪、鼓包，使路面的平整度嚴(yán)重下降；因鹽脹的反復(fù)作用，促使路基土體的結(jié)構(gòu)遭到破壞，引起路基整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性下降。鹽脹導(dǎo)致的不均勻變形使路面開(kāi)裂，經(jīng)行車碾壓，會(huì)加速路面破壞。敦煌機(jī)場(chǎng)[3,4]等幾個(gè)機(jī)場(chǎng)的調(diào)查資料也表明，鹽漬土對(duì)機(jī)場(chǎng)工程的主要危害包括引起道面板錯(cuò)臺(tái)、斷裂、平整度顯著降低、鼓包、道肩邊坡失穩(wěn)、隆起。

目前公路、鐵路部門(mén)對(duì)鹽漬土研究得比較多，取得了豐碩的成果，機(jī)場(chǎng)部門(mén)研究較少，對(duì)鹽漬土機(jī)場(chǎng)破壞的原因和機(jī)理研究還很不夠，機(jī)場(chǎng)地基壓實(shí)度高，平整度限制嚴(yán)格，與公路、鐵路有很大不同。本文擬通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M機(jī)場(chǎng)浸水條件下不同壓實(shí)度、不同硫酸鈉含量的土質(zhì)區(qū)與道面區(qū)鹽漬土的膨脹，以研究鹽脹量與含鹽量、壓實(shí)度之間的關(guān)系，分析道面結(jié)構(gòu)層自重荷載對(duì)硫酸鹽漬土機(jī)場(chǎng)地基膨脹的影響，并在此基礎(chǔ)上分析鹽漬土機(jī)場(chǎng)破壞的原因，以探討鹽漬土機(jī)場(chǎng)破壞機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

無(wú)載膨脹試驗(yàn)參考T 0125—1993公路土工試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定進(jìn)行，儀器用膨脹儀。有載膨脹試驗(yàn)儀器為三聯(lián)中壓式固結(jié)儀，參考T 0137—1993公路土工試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定進(jìn)行[5]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

機(jī)場(chǎng)工程壓實(shí)度一般要求超過(guò)90%,試驗(yàn)壓實(shí)度考慮90%,95%,98%；西北地區(qū)氣候干旱，土壤含水量低，戈壁沙漠天然含水量一般僅1%～3%[6]，因此考慮最不利情況，將試樣完全烘干。

道面承受的荷載還有很多，有飛機(jī)靜荷載、飛機(jī)動(dòng)荷載、風(fēng)雪荷載以及人、車等，但長(zhǎng)期作用于道面的荷載主要還是道面結(jié)構(gòu)層自重，因此試驗(yàn)的上覆荷載只考慮道面結(jié)構(gòu)層自重。西北地區(qū)機(jī)場(chǎng)道面板厚度按30 cm、混凝土容重按2 500 kg/cm3計(jì)，道面產(chǎn)生的自重應(yīng)力約為7.35 kPa；道面下結(jié)構(gòu)層厚度粗略按1 m算，容重按1 800 kg/cm3計(jì)，產(chǎn)生的自重應(yīng)力約為17.64 kPa；因此兩者之和約為25 kPa。故本次試驗(yàn)上覆荷載采用25 kPa。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

試驗(yàn)時(shí)，在膨脹儀(固結(jié)儀)底座中置濕潤(rùn)的透水石1塊，將環(huán)刀鈍口端旋在底座上，使試樣底面與透水石頂面接觸，然后一并放到水盆中。將有孔活塞板放在試樣頂面上，對(duì)準(zhǔn)活塞中心，將百分表裝好，并記錄百分表初始讀數(shù)。注純水入盆，盆內(nèi)水面約與試樣底部高度齊平。記下開(kāi)始注水時(shí)間，按30 min,2 h,3 h,24 h及以后每隔24 h記錄百分表讀數(shù)，直至試樣不再膨脹為止。移去百分表，將試樣從環(huán)刀內(nèi)推出，放入表面皿中，稱皿、土總質(zhì)量，精確至0.01 g。然后將試樣放入烘箱，烘至恒量，取出后，放在干燥器內(nèi)，待冷卻后稱量，精確至0.01 g。

2 土樣基本性質(zhì)

取土地點(diǎn)為西安灞橋區(qū)東李，土樣為黃土，天然含水量為19.8%，天然容重為19.78 kN/m3，干容重為16.5 kN/m3，土粒容重為26.84 kN/m3，孔隙比為0.63，孔隙率為0.38，飽和度為86.3%，液限為37.2%，塑限為20.2%，塑性指數(shù)Ip=17，液性指數(shù)Il≤0。

土樣采集后，通過(guò)曬干、木槌敲碎，再做篩分。篩分試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 篩分試驗(yàn)表

通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)得土樣最大干密度和最佳含水量，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如下，土樣最大干密度為18.4 kN/m3，最佳含水量為14.5%。

原土樣摻入無(wú)水硫酸鈉粉末，含鹽量按無(wú)水硫酸鈉粉末摻量0%,0.5%,1%,2%,4%配置五種土樣，攪拌均勻，按最佳含水量拌好土樣，塑料袋密封燜制24 h，試件制備時(shí)按指定壓實(shí)度計(jì)算高20 mm、內(nèi)徑61.8 mm試樣需土質(zhì)量，裝模，用千斤頂壓實(shí)至20 mm，用頂土塊頂出后置于烘箱內(nèi)完全烘干。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1)土質(zhì)區(qū)不同含鹽量的膨脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。2)道面區(qū)不同含鹽量的膨脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，當(dāng)鹽脹穩(wěn)定時(shí)，浸水條件下道面區(qū)鹽漬土鹽脹率仍然較大，但與土質(zhì)區(qū)鹽脹比起來(lái)要小許多。含鹽量4%時(shí)土質(zhì)區(qū)鹽脹率最高達(dá)40.9%，而道面區(qū)鹽脹率僅為13.2%，以鹽漬土厚度1 m計(jì)，粗估土質(zhì)區(qū)鹽脹量能達(dá)40 cm以上，道面區(qū)13.2 cm，兩者的鹽脹量相差27.7 cm，可見(jiàn)土質(zhì)區(qū)與道面區(qū)的鹽脹是有很大區(qū)別的。

4 機(jī)場(chǎng)鹽脹破壞原因分析

硫酸鹽漬土地基的鹽脹一般可分為兩類，即結(jié)晶鹽脹與非結(jié)晶鹽脹。結(jié)晶鹽脹是指硫酸鹽漬土因溫度降低或失去水分后，溶于土中孔隙中的鹽濃縮并析出結(jié)晶而產(chǎn)生的體積膨脹，或者是失水后，土體存在無(wú)水硫酸鈉，當(dāng)含水量逐漸增大時(shí)，無(wú)水硫酸鈉吸水結(jié)晶引起土體膨脹。非結(jié)晶膨脹是指由于鹽漬土中存在大量的吸附性陽(yáng)離子，具有較強(qiáng)的親水性，遇水后很快地與膠粒相互作用，在膠粒顆粒和粘土顆粒周圍形成穩(wěn)固的結(jié)合水薄膜，導(dǎo)致土體膨脹。

表2 土質(zhì)區(qū)不同含鹽量的膨脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)表 %

表3 道面區(qū)不同含鹽量的膨脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)表 %

4.1 壓實(shí)度對(duì)機(jī)場(chǎng)破壞的影響

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到膨脹率與壓實(shí)度的關(guān)系。從圖1,圖2都可以看到，壓實(shí)度大，鹽脹率也大。這主要是由于壓實(shí)度越大，土體顆粒間越緊密，孔隙率越小，從而鹽脹越明顯。機(jī)場(chǎng)工程壓實(shí)度高，機(jī)場(chǎng)面積大，土基壓實(shí)時(shí)難以保證各處壓實(shí)度完全一致，水分滲入時(shí)容易不均勻膨脹，降低道面平整度，加速機(jī)場(chǎng)破壞。

4.2 含鹽量對(duì)機(jī)場(chǎng)破壞的影響

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到膨脹率與含鹽量的關(guān)系曲線。圖3,圖4表明，隨著含鹽量增大，鹽脹率明顯增大。含鹽量是鹽脹的主要影響因素，含鹽量越大，吸水結(jié)晶的硫酸鈉越多，鹽脹越明顯。機(jī)場(chǎng)面積大，覆蓋的區(qū)域廣。機(jī)場(chǎng)選址難以保證飛行區(qū)地層含鹽量均一，而機(jī)場(chǎng)地基處理時(shí)又不能使地基各處含鹽量均勻分布，因此地基中硫酸鹽含量是不均勻的。在雨季或者地下水上升時(shí)，會(huì)發(fā)生不均勻膨脹，導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)破壞。

4.3 水分對(duì)機(jī)場(chǎng)破壞的影響

試驗(yàn)后測(cè)定含水量可以發(fā)現(xiàn)，含水量都有不同程度的增大，膨脹大的土樣含水量也大。實(shí)測(cè)資料[3]也表明，膨脹變形主要發(fā)生在地溫明顯回升，日夜溫差變化最大的冬末春初和降水量較集中的七、八月間，正是上述兩個(gè)季節(jié)的降雨為硫酸鈉的結(jié)晶創(chuàng)造了外界條件。多雨季節(jié)，雨水可通過(guò)道面裂縫和接縫處，進(jìn)入道面基層和土基，無(wú)水硫酸鈉結(jié)晶，導(dǎo)致鹽脹現(xiàn)象發(fā)生，且各處滲入的水分不盡相同，造成道面不均勻膨脹。而后隨著水分的蒸發(fā)，膨脹也會(huì)慢慢緩解趨于穩(wěn)定，每年周而復(fù)始地重復(fù)上述過(guò)程，土基不斷地膨脹與收縮，土體結(jié)構(gòu)被破壞，承載力降低，造成道面開(kāi)裂破壞。

4.4 荷載對(duì)機(jī)場(chǎng)破壞的影響

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，道面區(qū)的膨脹比土質(zhì)區(qū)要小得多，道面結(jié)構(gòu)層自重荷載對(duì)鹽漬土地基的膨脹有明顯的抑制作用，但25 kPa作用下鹽脹仍然較大，足夠?qū)Φ烂嬖斐善茐?。機(jī)場(chǎng)道面在飛機(jī)靜荷載、飛機(jī)動(dòng)荷載、風(fēng)雪荷載以及人、車等活載的作用下，地基各處膨脹會(huì)因荷載大小以及荷載作用時(shí)間不同而有很大差異。一般來(lái)說(shuō)，跑道兩側(cè)鼓起，整體上道面產(chǎn)生鼓脹。跑道輪跡范圍內(nèi)的道面膨脹很少，甚至發(fā)生沉陷；輪跡范圍外道面鼓起，膨脹逐漸增大，道肩的膨脹大于道面，土質(zhì)區(qū)大于道肩。當(dāng)?shù)烂嬲w發(fā)生鼓起時(shí)，飛機(jī)起落滑行重量抑制了輪跡范圍內(nèi)道面的鼓起變形，使這部分道面不能產(chǎn)生與外側(cè)道面同樣量級(jí)的變形，因而在輪跡分界處產(chǎn)生了拉應(yīng)力，容易導(dǎo)致輪跡分界處道面沿跑道縱向開(kāi)裂[3]。另外，因水分、壓實(shí)度、含鹽量不均勻?qū)е碌牡烂姘邋e(cuò)臺(tái)、斷裂、平整度顯著降低、鼓包、隆起等危害，在飛機(jī)、人、車等活載以及環(huán)境因素的反復(fù)作用下，道面的破壞迅速加劇。

5 結(jié)語(yǔ)

壓實(shí)度、含鹽量不均勻是硫酸鹽漬土機(jī)場(chǎng)破壞的內(nèi)因，而水分的滲入以及荷載的反復(fù)作用是其破壞的外部因素。試驗(yàn)表明，壓實(shí)度、含鹽量越大時(shí)膨脹量亦越大，地基處理時(shí)應(yīng)控制好含鹽量；在滿足承載力要求的條件下壓實(shí)度可以適當(dāng)降低；應(yīng)控制好施工質(zhì)量，保證各處壓實(shí)度、含鹽量盡量均勻；雨水下滲對(duì)地基膨脹的影響很大，應(yīng)重視排水設(shè)計(jì)；道面區(qū)的膨脹比土質(zhì)區(qū)要小得多，結(jié)構(gòu)層自重荷載對(duì)膨脹有較好抑制作用，但25 kPa還不足以抑制膨脹；飛機(jī)、人、車等活載反復(fù)作用會(huì)加劇道面破壞。

[1] 張長(zhǎng)福,王曉陽(yáng).加強(qiáng)鹽漬土路面的養(yǎng)護(hù)及防治病害的措施[J].青海交通科技，2000(1):34-35.

[2] 王智明.青海省西寧地區(qū)鹽漬土的特征及其對(duì)建筑物的危害[J].軍工勘查,1996(1):29-32.

[3] 楊茂華.敦煌機(jī)場(chǎng)道面病害分析[J].青海交通科技,2006(5):32.

[4] 張平川,董兆祥.敦煌民用機(jī)場(chǎng)地基的破壞機(jī)制與治理對(duì)策[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2003(3):78-80.

[5] JTG E40—2007,公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[6] 華尊孟,沈秋武.西北內(nèi)陸盆地粗顆粒鹽漬土研究[J].工程勘察,2001(1)：27-28.

The experiment of sulphate saline soil airport salt heaving ruin

Liu Xiaochuan1Wu Aihong2Liu Junhong2Zhou Qi3

(1.ChinaAirportConstructionNinthEngineeringCorps,Chengdu611430,China;2.AirforceEngineeringDesignDepartmentofSouthernWarZone,Guangzhou510000,China;3.AirforceEngineeringDesignDepartmentofEasternWarZone,Nanjing210000,China)

Through indoors experiments, salt heaving of sulphate saline soil in terrene area and pavement district of airport is simulated under the condition of water soakage, considering different compaction degree and saltness. The effect to sulphate saline soil airport ruin produced by compaction and saltness degree, water and load were analyzed. The result is that, higher degree of compaction and saltness bring bigger salt heaving,different degree of compaction and saltness are the inside reasons of airport ruin, water and load are out reasons, water is especially important factor, salt heaving in pavement district is much more small than terrene area, deadweight of structural layer can restrain the salt heaving well, but 25 kPa is not enough to reduce it to zero.

airport, foundation, sulphate saline soil, swell increment

1009-6825(2017)11-0075-03

2017-02-07

劉小川(1982- ),男,工程師

TU448

A