粗顆粒鹽漬土室內(nèi)鹽脹系數(shù)測(cè)定方法及應(yīng)用

孫安元，吳亞平，張曉波，王海新

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 天津 300142)

工程中把易溶鹽含量超過 0.3%的巖土體稱為鹽漬土，鹽脹指的是鹽漬土在外界溫度變化的工況下由易溶鹽結(jié)晶而引起的土體膨脹現(xiàn)象。在世界范圍鹽漬土內(nèi)均有分布，其中我國的鹽漬土面積超過19萬 km2，占國土面積的 2%左右。劉文政等[1]按鹽漬土的分布地區(qū)及含鹽特點(diǎn)對(duì)我國的鹽漬土地區(qū)進(jìn)行了劃分，其中粗顆粒鹽漬土主要分布在甘新內(nèi)流鹽漬區(qū)及青藏高原鹽漬區(qū)等半干旱地區(qū)。鹽漬土在外界水熱條件影響下會(huì)出現(xiàn)鹽-凍脹等特有的工程特性，作為鐵路路基填料如若處理不當(dāng)將出現(xiàn)路基塌陷、擠出變形等病害，嚴(yán)重影響通車安全[2-10]。隨著我國高速鐵路事業(yè)的發(fā)展以及“一帶一路”戰(zhàn)略的提出，將有大批量的高速鐵路干線經(jīng)過粗顆粒鹽漬土分布區(qū)，給高速鐵路的修建及路基的病害防治提出了不小的挑戰(zhàn)。20世紀(jì)30年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家率先對(duì)鹽漬土的成土原理及基本土力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。建國以來，隨著鹽漬土地區(qū)鐵路干線修筑的增多，我國學(xué)者對(duì)鹽漬土的工程特性、力學(xué)性質(zhì)及病害機(jī)理進(jìn)行了深入研究。徐學(xué)祖等[11-12]對(duì)鹽漬土的鹽脹凍脹機(jī)理做出了深入分析，并首次把含鹽量及土體空隙率納入鹽脹敏感度的判定指標(biāo)，為凍土路基建設(shè)中采取拋石護(hù)坡的路基冷卻措施提供了理論依據(jù)。楊保存等[13]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況對(duì)鹽漬土路基的鹽脹特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了影響路基鹽脹特性的基本影響因素，并指出硫酸鹽及外部滲水的共同作用是誘發(fā)鹽漬土路基變形破壞的主要原因。張莎莎等[14]在對(duì)路用粗顆粒鹽漬土的鹽脹特性研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了室內(nèi)大型路堤模型試驗(yàn)，證實(shí)了粗顆粒鹽漬土作為路基填料的可用性。顧強(qiáng)康等[15]對(duì)粗顆粒硫酸鹽漬土進(jìn)行室內(nèi)鹽脹試驗(yàn)，研究了上附荷載作用下硫酸鹽漬土的鹽脹特性及骨架顆粒對(duì)鹽脹力的影響，推導(dǎo)出了關(guān)于含鹽量的鹽脹率預(yù)估公式。目前，國內(nèi)對(duì)于鹽漬土鹽脹特性的研究主要集中現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)分析，而室內(nèi)試驗(yàn)主要以土體溫度為影響因素，對(duì)環(huán)境溫度的影響并沒有充分考慮。粗顆粒鹽漬土因其土體組成的特殊性，按照現(xiàn)行的土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)并不能對(duì)其鹽脹系數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定，本文在現(xiàn)有試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上增加環(huán)境溫度的試驗(yàn)變量，提出一種新型室內(nèi)粗顆粒鹽漬土鹽脹系數(shù)的測(cè)試方法，并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)粗顆粒鹽漬土的鹽脹特性進(jìn)行了探討。

1 測(cè)定原理

鹽漬土鹽脹是指土體中的易溶鹽在低溫情況下吸水結(jié)晶造成體積增大，進(jìn)而引起土體的膨脹變形的現(xiàn)象，鹽脹系數(shù)的測(cè)定旨在測(cè)定鹽漬土的膨脹周期內(nèi)土體的最大變形量。鹽脹系數(shù)測(cè)定箱放置在GDJS—150冷熱交變?cè)囼?yàn)箱內(nèi)，模擬自然環(huán)境下的溫度交替變化。為確保試驗(yàn)土樣的邊界條件與自然條件相似，測(cè)定箱外壁附著錫紙泡沫保溫層，防止試驗(yàn)土樣與周圍環(huán)境的熱交換，使土樣在降溫時(shí)同一水平面上的溫度保持一致，模擬自然環(huán)境中土體僅在上表面受溫度影響，并在內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，減小摩擦，達(dá)到豎向一維試驗(yàn)效果。為確保試驗(yàn)土體的壓實(shí)系數(shù)，土體分層壓實(shí)埋設(shè)，并在土體中分層埋設(shè)溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體溫度。

控制粗顆粒鹽漬土的含水量，按要求的壓實(shí)度分層填充至測(cè)定箱內(nèi)，設(shè)定交變溫度箱各周期的循環(huán)交變溫度，并用精度為0.01 mm的百分表采集1個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)的最大鹽脹量，具體求解公式如下：

式中：C為鹽脹系數(shù)；H為起脹后的土體最高高度；h為土體原始高度。

2 測(cè)定應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)用土基本工程性質(zhì)

試驗(yàn)選取取自青海河套地區(qū)的天然粗顆粒鹽漬土，以土體壓實(shí)度、模型構(gòu)造為恒量，以土體含水量、環(huán)境溫度為變量進(jìn)行了室內(nèi)粗顆粒鹽漬土鹽脹系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50123—1999的要求，對(duì)試驗(yàn)用土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、顆粒篩分試驗(yàn)及易溶鹽含量試驗(yàn)。由擊實(shí)試驗(yàn)得到試驗(yàn)用土最大干密度為1.98 g/cm3，自然含水量為3.5%，最優(yōu)含水量為12.2%，顆粒篩分結(jié)果如表1所示，粒徑分配曲線由圖1所示，各化學(xué)成分含量如表2所示。

表1 試驗(yàn)用顆粒土篩分結(jié)果Table 1 Results of the screening of granular soil for testing

圖1 粒徑分配曲線Fig. 1 Particle size distribution curve

由土體的粒徑分配曲線可知該粗顆粒鹽漬土的特征粒徑d10=0.26，d30=0.94，d60=5.6，不均勻系數(shù) Cu=21.5，曲線系數(shù) Cc=0.6。依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237—1999的要求，該試驗(yàn)用土判定為為黏性礫石土(GC)。

表2 試驗(yàn)用土化學(xué)成分分析Table 2 Analysis of chemical constituents in soil for test

依據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10001—2005，及實(shí)測(cè)易溶鹽各離子含量可將試驗(yàn)用土劃定為弱硫酸鹽漬土。

2.2 試驗(yàn)方案

1) 分別以 3.5%和 12.2%的含水量配比土樣，混合均勻后室內(nèi)養(yǎng)生24 h。

2) 將養(yǎng)生好的土樣裝入鹽脹系數(shù)測(cè)定箱，參照《鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》TB 10414—2003，試驗(yàn)土樣壓實(shí)系數(shù)取K=0.92。

3) 將裝填好的鹽脹系數(shù)測(cè)定箱放入高低溫交變溫度箱內(nèi)，以3 ℃的環(huán)境溫度保持48 h，使土體整體溫度達(dá)到試驗(yàn)所模擬青海河套地區(qū) 10月平均地溫。待土體溫度穩(wěn)定后，模擬試驗(yàn)地區(qū)秋冬交替晝夜溫差大的工況，環(huán)境箱內(nèi)溫度設(shè)定為-15 ℃制冷12 h，10 ℃回溫12 h，1個(gè)周期24 h共進(jìn)行7周期循環(huán)。

4) 每隔1 h讀取百分表，測(cè)得Δh=H-h代入式(1)即可測(cè)得試驗(yàn)過程中各階段的粗顆粒鹽漬土的鹽脹系數(shù)，其中Δhmax對(duì)應(yīng)鹽漬土最大鹽脹系數(shù)。

3 測(cè)定結(jié)果分析

自然狀態(tài)下，外界氣溫為漸進(jìn)變化，本試驗(yàn)為更加顯著的體現(xiàn)粗顆粒鹽漬土在晝夜溫差較大工況下的鹽脹特性，采用恒定溫度降溫升溫模擬外界氣溫變化。由于溫度變化較實(shí)際更為劇烈，土體的鹽脹特性在試驗(yàn)初期就有相對(duì)較明顯的體現(xiàn)，但土體最終的鹽脹系數(shù)會(huì)存在一定誤差。由圖2可見，自然含水量為 3.5%的天然粗顆粒鹽漬土的鹽脹曲線在7個(gè)周期內(nèi)有較好的累加性，但1個(gè)循環(huán)周期內(nèi)土體的變形量不能完全恢復(fù)。在凍融循環(huán)的前 2個(gè)周期內(nèi)鹽脹增長速率較小，鹽脹現(xiàn)象不明顯，最大鹽脹量僅為穩(wěn)定后最大鹽脹量的30%。由圖3可見自第3周期，中深層土體整體溫度才開始出現(xiàn)較為明顯的降溫，這是因?yàn)橹猩顚油馏w溫度對(duì)外界氣溫變化存在滯后性。在等3至第5周期內(nèi)鹽脹增量明顯，其中第5周期的最大鹽脹量已達(dá)最大鹽脹量的90%以上。自第4周期開始，在升溫階段土體的體縮現(xiàn)象明顯，這與表層凍結(jié)的起脹土體迅速降溫融化有關(guān)。在鹽脹試驗(yàn)的后2個(gè)周期，土體的整體脹縮速率明顯加快，但最大鹽脹量不再有明顯變化，最大鹽脹量較第1凍融循環(huán)周期有近3.5倍的提高。最大鹽脹量及鹽脹系數(shù)見表3。

按最優(yōu)含水量配比的天然粗顆粒土鹽脹系數(shù)較自然含水率狀態(tài)的鹽脹系數(shù)有較為明顯的改變，最大鹽脹量有接近40%的提高，整體鹽脹曲線與低含水率狀態(tài)下的曲線走勢(shì)相似。土體的鹽脹敏感度較自然含水率狀態(tài)有明顯提高，其中第 1，2周期就能表現(xiàn)出較為明顯的鹽脹特性，這是因?yàn)橐簯B(tài)水充足能較好的滿足硫酸鹽低溫狀態(tài)下結(jié)晶的需要。在降溫階段的上半段鹽脹積累量較為明顯，可達(dá)整體鹽脹量的70%以上。在第5循環(huán)周期，最大鹽脹量已經(jīng)接近峰值，可認(rèn)為土體內(nèi)的易溶鹽已有較為充分的結(jié)晶膨脹。因土體含水量較高，在多次凍融循環(huán)后土體整體溫度降低，土體表層會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。在升溫階段的前期，表層凍結(jié)土層迅速融化，液態(tài)水在土體表層富集，造成局部的溶陷現(xiàn)象，凍結(jié)土層的融化與表層土體溶陷的疊加造成了土體迅速的體縮，這在圖4的第4至5周期的鹽脹曲線中有較好的體現(xiàn)。在第6至第7周循環(huán)周期，土體整體溫度的進(jìn)一步降低，在多次凍融循環(huán)后表層土體的壓實(shí)度降低，這使土體的鹽脹敏感度進(jìn)一步增強(qiáng)，各階段的脹縮速率都有明顯提高。但因地溫傳遞的滯后性，整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)中深層土體并未出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，這也是試驗(yàn)后2周期整體鹽脹量保持穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

圖2 土體自然含水量(3.5%)24 h鹽脹曲線Fig. 2 Soil natural water content (3.5%) 24 h salt swelling curves

圖3 各土層平均溫度曲線Fig. 3 Average temperature curves of each soil layer

圖4 土體最優(yōu)含水量(12.2%)24 h鹽脹曲線Fig. 4 Soil natural water content (12.2%) 24 h salt swelling curves

表3 土體鹽脹量及鹽脹系數(shù)表Table 3 Salt bulking volume and salt expansion coefficient of soil

4 結(jié)論

1) 提出了一種室內(nèi)粗顆粒鹽漬土鹽脹系數(shù)的測(cè)定方法，并把環(huán)境溫度的周期性改變考慮在內(nèi)，能較好的測(cè)定粗顆粒鹽漬土鹽脹量的改變，為實(shí)際工程建設(shè)提供有效依據(jù)。

2) 在外界溫度周期性改變的情況下，土體的鹽脹量有較好的累加性，隨著試驗(yàn)土體整體溫度的降低，土體的鹽脹敏感度會(huì)出現(xiàn)較大幅度的提高，但最大鹽脹量與鹽脹敏感度無關(guān)。

3) 與低含水量狀態(tài)相比，粗顆粒鹽漬土在最優(yōu)含水量條件下能表現(xiàn)出較強(qiáng)的鹽脹特性，其鹽脹敏感度亦有較大幅度提高。多次凍融循環(huán)試驗(yàn)的中后期，高含水率試樣表層土體出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，在升溫期會(huì)出現(xiàn)表層凍土融化塌陷及溶陷的共同作用，加快土體體縮速率。深層土體受外界氣溫?cái)_動(dòng)較弱，試驗(yàn)土體整體未出現(xiàn)明顯凍脹現(xiàn)象，在一定試驗(yàn)周期內(nèi)最大鹽脹量保持穩(wěn)定。

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