基土鹽-凍脹特性研究

(九江市河道湖泊管理局，江西 九江 332000)

科學(xué)研究及工程設(shè)計(jì)

基土鹽-凍脹特性研究

朱武

(九江市河道湖泊管理局，江西 九江 332000)

為探究水利工程中河道基土鹽-凍脹現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理，在前人研究的成果基礎(chǔ)上，著重分析干密度、Na2SO4比例、濕度與基土鹽-凍脹變形的關(guān)系。為了達(dá)到實(shí)際應(yīng)用效果，采用線性相關(guān)分析法，分別固定其中的兩個(gè)條件設(shè)計(jì)試驗(yàn)樣本，應(yīng)用對(duì)比思想設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，做出可視化的圖像對(duì)比分析，依次得到干密度、Na2SO4比例、濕度與基土鹽-凍脹變形變化曲線。力求借助三者與基土鹽-凍脹的影響關(guān)系指導(dǎo)實(shí)踐，降低、避免其凍脹現(xiàn)象發(fā)生。

基土鹽-凍脹；干密度；Na2SO4比例；濕度

1 概 述

隨著我國中西部大開發(fā)的加快，中西部水利工程逐漸增多。由于中西部地區(qū)氣候條件惡劣與多鹽漬地地質(zhì)條件，對(duì)施工及后期維護(hù)造成很大影響。在水利工程中基土鹽-凍脹問題一直是工程建設(shè)及后期工程使用中的難點(diǎn)，研究基土鹽-凍脹的影響因素，分析其具體影響關(guān)系，可有效延長后期水利工程使用壽命，節(jié)約維護(hù)成本。

國內(nèi)就基土鹽-凍脹問題自上個(gè)世紀(jì)以來一直比較關(guān)注，并取得一些研究成果。楊寶軍[1]等人借助數(shù)值分析的思想探究土干密度、硫酸鈉含量與鹽漬土鹽凍脹關(guān)系，最后得到二次拋物線的函數(shù)關(guān)系。王俊臣[2]等人經(jīng)過試驗(yàn)得到含水量、硫酸鈉含量與鹽脹、凍脹呈正相關(guān)關(guān)系，溫度與其成負(fù)相關(guān)關(guān)系。余云燕[3]等人通過探究以礦物外摻料改變鹽脹凍脹率，試驗(yàn)表明氯化鈣可以緩解其鹽脹凍脹現(xiàn)象，粉煤灰、石灰可以消除鹽脹凍脹現(xiàn)象。楊保存[4,5]等人通過路基鹽-凍脹試驗(yàn)，分析滲路基產(chǎn)生凍脹的原因：硫酸鹽、外水滲入，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。那姝姝、慈軍[6,7,9]等人分別對(duì)天然硫酸鹽漬土鹽、天然強(qiáng)氯鹽漬土鹽凍脹現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)，得到“凍融循環(huán)次數(shù)、含水率、干密度與其呈正相關(guān)關(guān)系”的結(jié)論。任秀玲[8]等人分析鹽脹變化機(jī)理，探究其影響因素，并提出預(yù)防措施及未來發(fā)展方向。

本文在前人研究成果及試驗(yàn)設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，著重分析干密度、Na2SO4比例、濕度與基土鹽-凍脹變形的關(guān)系。為了達(dá)到實(shí)際應(yīng)用效果，取用實(shí)地某水庫河道的基土鹽試驗(yàn)材料進(jìn)行處理，分別固定其中的兩個(gè)條件、改變第三個(gè)條件來設(shè)計(jì)試驗(yàn)樣本，以試驗(yàn)樣本對(duì)比設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，做出可視化的圖像對(duì)比分析，依次得到干密度、Na2SO4比例、濕度與基土鹽-凍脹變形變化曲線，定性分析三者對(duì)基土鹽-凍脹的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為保證試驗(yàn)樣本貼近實(shí)際，可用于實(shí)際工程中，選用江西某河道地下1.50m左右的基土鹽，密閉保存帶回實(shí)驗(yàn)室。對(duì)原始基土鹽進(jìn)行兩次過篩處理，第1次用0.50cm篩過濾掉砂礫、雜質(zhì)。將其平均分為4份，其中1份采用0.20cm篩再次過濾后，對(duì)其實(shí)施易溶鹽試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)各離子及其含量(見表1)。

由表1可以算出基土鹽中易溶鹽占其總量比例約0.40%，主要鹽分構(gòu)成大致是Na2SO4、NaCl、CaCl、MgCl2、NaHCO3，其中Na2SO4占鹽分總量比例約48%。造成基土鹽凍脹變形的主要因素是Na2SO4，因此Na2SO4是本文重點(diǎn)研究對(duì)象。在進(jìn)行研究試驗(yàn)前，對(duì)基土鹽分別進(jìn)行比重試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)，以全面了解基土鹽的圡熵及其它情況(見表2)。

表1 試樣基土鹽各離子構(gòu)成及含量

表2 基土鹽圡熵及其它情況

借鑒前人研究思路，主要探究干密度、Na2SO4比例、濕度與基土鹽-凍脹關(guān)系，應(yīng)用對(duì)比分析方法，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案時(shí)，應(yīng)固定兩個(gè)變量，僅改變一個(gè)變量進(jìn)行對(duì)比才具有可比性。共設(shè)置兩組試驗(yàn)，第一組試驗(yàn)，固定基土鹽的濕度，依次變化Na2SO4比例、干密度，共形成4個(gè)試驗(yàn)樣本對(duì)比；第二組試驗(yàn)對(duì)基土鹽的濕度、Na2SO4比例、干密度其中兩個(gè)固定，其中一個(gè)因素變化，形成4個(gè)試驗(yàn)樣本進(jìn)行對(duì)比(見表3、表4)。

表3 第一試驗(yàn)組

表4 第二試驗(yàn)組

為避免鹽分大量吸水結(jié)晶，要嚴(yán)格控制試樣成型溫度范圍為28～32℃；為達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)的Na2SO4比例，在對(duì)各指標(biāo)標(biāo)定后，人為向基土鹽添加計(jì)算好的Na2SO4溶液、水，樣本密封一晝夜后，對(duì)試驗(yàn)樣本稱重。試驗(yàn)溫度條件設(shè)定為-2.5℃、-5℃、-10℃、 -15℃、-20℃、-25℃。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 干密度與基土鹽-凍脹關(guān)系

進(jìn)行第一組試驗(yàn)，在最優(yōu)濕度、不同比例Na2SO4的條件下,探究干密度與基土鹽凍脹的關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，繪制成圖1～圖4。經(jīng)分析，圖1～圖4中相同Na2SO4比例下的各干密度基土鹽-凍脹率變化曲線大體一致，并且均反映出干密度越小其凍脹率越大的規(guī)律，表明干密度與基土鹽-凍脹呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)比分析圖1～圖4，雖然基土鹽-凍脹率變化曲線大體一致，但其斜率變化區(qū)間不同：在圖1中Na2SO4比例0.4%時(shí)斜率在-2.5～-5℃范圍內(nèi)最大；在圖2、圖3中Na2SO4比例0.80%、1.60%時(shí)斜率在-2.50～-10℃范圍內(nèi)最大；在圖4中Na2SO4比例3.2%時(shí)斜率在-5～-10℃范圍內(nèi)最大。

圖1 Na2SO4比例0.4%時(shí)各干密度的基土鹽-凍脹曲線

圖2 Na2SO4比例0.8%時(shí)各干密度的基土鹽-凍脹曲線

圖3 Na2SO4比例1.6%時(shí)各干密度的基土鹽-凍脹曲線

圖4 Na2SO4比例3.2%時(shí)各干密度的基土鹽-凍脹曲線

為了更加直觀地表現(xiàn)干密度與基土鹽-凍脹變化關(guān)系，以干密度為橫軸、以基土鹽-凍脹率為縱軸做出圖5。

圖5 干密度與基土鹽-凍脹變化曲線

分析圖5不難得到，在相同的Na2SO4比例下，基土鹽-凍脹率隨著干密度增大而減小，在干密度1.75g/cm3時(shí)，基土鹽-凍脹率達(dá)到最低，即基土鹽-凍脹率與干密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)比四種不同Na2SO4比例的基土鹽-凍脹率變化曲線，可以得出結(jié)論：Na2SO4比例越大，其凍脹率越高。

3.2 Na2SO4比例與基土鹽-凍脹關(guān)系

同樣在第一組試驗(yàn)中，在最優(yōu)濕度、干密度相同條件下，改變Na2SO4比例，探究其比例變化與基土鹽凍脹的關(guān)系(見圖6)。經(jīng)分析，圖6中不同干密度條件下的基土鹽-凍脹率變化曲線大體一致，在相同干密度條件下，基土鹽-凍脹率隨著Na2SO4比例增大而增大，表明Na2SO4比例與基土鹽-凍脹呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。在實(shí)際水利工程后期養(yǎng)護(hù)中，應(yīng)增加基土鹽中Na2SO4含量，控制其比例有利于防止基土鹽-凍脹現(xiàn)象發(fā)生。

圖6 Na2SO4比例與基土鹽-凍脹變化曲線

3.3 濕度與基土鹽-凍脹關(guān)系

進(jìn)行第二組試驗(yàn)，在固定干密度、Na2SO4比例的條件，改變基土鹽的濕度，探究其濕度變化與基土鹽凍脹的關(guān)系(見圖7、圖8)。分析圖7、圖8，不難得到在4種不同試驗(yàn)條件下基土鹽-凍脹率均隨著濕度變大而增大，濕度與基土鹽-凍脹呈正相關(guān)關(guān)系。但細(xì)致分析4條變化曲線的斜率變化，不難發(fā)現(xiàn)，在圖7干密度為1.60g/cm3條件下，2條變化曲線在0.14～0.18區(qū)間內(nèi)近似成直線，表現(xiàn)為線性關(guān)系；在圖8干密度為1.75g/cm3條件下，2條變化曲線在0.10～0.16區(qū)間內(nèi)近似成直線，表現(xiàn)為線性關(guān)系。圖7、圖8在Na2SO4比例0.40%、3.20%條件下，均表現(xiàn)為Na2SO4比例0.40%的基土鹽-凍脹率小于Na2SO4比例3.20%的基土鹽-凍脹率，同樣印證了上述“Na2SO4比例與基土鹽-凍脹率呈正相關(guān)關(guān)系”的結(jié)論。

圖7 干密度1.60g/cm3時(shí)濕度與基土鹽-凍脹變化曲線

圖8 干密度1.75g/cm3時(shí)濕度與基土鹽-凍脹變化曲線

4 結(jié) 論

本文著重分析干密度、Na2SO4比例、濕度與基土鹽-凍脹變形的變化關(guān)系。為了達(dá)到實(shí)際應(yīng)用效果，選用江西某地河道中的基土鹽作為試驗(yàn)基礎(chǔ)材料進(jìn)行處理后，分別固定其中的兩個(gè)影響因素、改變一個(gè)影響因素設(shè)計(jì)試驗(yàn)樣本，以其對(duì)比設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，做出可視化的圖像對(duì)比分析，依次得到干密度、Na2SO4比例、濕度與基土鹽-凍脹變形變化曲線，最終得到如下結(jié)論：?干密度與基土鹽-凍脹呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系；?Na2SO4比例與基土鹽-凍脹呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；?濕度與基土鹽-凍脹呈正相關(guān)關(guān)系。

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CharacteristicResearchofGeotinite-FrostHeaving

ZHU Wu

(JiujiangRiverandLakeAuthority,Jiujiang332000,China)

in order to explore in river geotinite-frost heaving mechanism in water conservancy projects, the relationship of dry density,Na2SO4proportion, humidity and geotinite-frost deformation is mainly analyzed on the basis of results in previous study. Linear correlation analysis method is adopted in order to achieve the practical application effect. Two condition design test samples thereof are fixed respectively, and comparative though design test plan is applied. Visual image contrast analysis is done according to experiment results, thereby obtaining the change curve of dry density,Na2SO4proportion, humidity and geotinite-frost deformation, and it is expected that practice can be guided by the influence relationship between the three properties and geotinite-frost expansion, thereby reducing and lowering the frost-heaving phenomena.

geotinite-frost heaving; dry density;Na2SO4proportion; humidity

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.08.009

S277

：A

：1673-8241(2017)08-0033-04