凍融循環(huán)條件下亞氯鹽漬土鹽凍脹試驗(yàn)研究

，，，

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

1 研究背景

鹽漬土是指易溶鹽含量超過(guò)0.3%的土[1]。在巖土工程中，通常將鹽漬土歸納入特殊地基的一種，主要是由于鹽漬土的三相組成比一般土要復(fù)雜，液相中含有易溶鹽溶液，固相中含有結(jié)晶鹽顆粒，尤其是易溶性的結(jié)晶鹽[2]。目前，一些學(xué)者對(duì)鹽漬土的鹽脹理論研究已經(jīng)取得了初步的成果。李寧遠(yuǎn)等[3]通過(guò)試驗(yàn)與理論分析對(duì)硫酸鹽漬土的膨脹原因和膨脹過(guò)程作了剖析,并對(duì)用氯鹽漬土來(lái)消減硫酸鹽漬土膨脹的途徑進(jìn)行了初步研究；高江平等[4]認(rèn)為硫酸鹽漬土鹽脹率隨含水率、氯化鈉含量、硫酸鈉含量、初始干重度和上覆壓力這5個(gè)主要因素的變化而變化，并初步得到了鹽脹率與各影響因素之間均呈二次拋物線的規(guī)律；彭鐵華等[5]研究了降溫速率對(duì)硫酸鹽漬土鹽脹特性的影響，分析認(rèn)為隨著降溫速率的減小，鹽脹率呈冪指函數(shù)增長(zhǎng)；王俊臣等[6]建立了鹽漬土鹽-凍脹預(yù)報(bào)模型；萬(wàn)旭升等[7]分析了初始的溶液濃度和外界環(huán)境溫度對(duì)硫酸鹽漬土的鹽凍脹特性。

針對(duì)新疆地區(qū)的天然鹽漬土，包衛(wèi)星等[8]研究了不同含鹽量水平下砂類(lèi)鹽漬土的鹽脹變化特點(diǎn)；張莎莎等[9]研究了天然粗顆粒氯化物硫酸鹽漬土在多次凍融循環(huán)時(shí)具有明顯的體縮現(xiàn)象，上覆壓力對(duì)粗顆粒鹽漬土鹽脹起到明顯的抑制作用；那姝姝等[10]研究了羅布泊氯鹽漬土的溶陷特性；慈軍等[11-12]分析了新疆羅布泊地區(qū)鹽漬土特征的基本情況，并分別研究了凍融循環(huán)次數(shù)、干密度、含水率等因素對(duì)鹽漬土鹽凍脹的特性影響。不同區(qū)域不同類(lèi)別的鹽漬土工程性質(zhì)差異很大，隨著國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，新疆作為核心區(qū)，各種基礎(chǔ)建設(shè)日益增多，而新疆的鹽漬土分布廣泛，所以在新疆鹽漬土地區(qū)建設(shè)在所難免。以往對(duì)鹽漬土的鹽脹研究多集中在硫酸鹽漬土，對(duì)氯鹽漬土多考慮的危害是溶陷破壞，而慈軍等[11-12]研究發(fā)現(xiàn)氯鹽漬土的鹽脹危害也不容忽視。

本文通過(guò)凍融循環(huán)裝置對(duì)新疆羅布泊地區(qū)天然亞氯鹽漬土的鹽脹特性進(jìn)行研究，研究成果對(duì)分析含硫酸鹽亞氯鹽漬土的鹽脹機(jī)理和治理鹽脹病害具有重要意義。

2 試驗(yàn)方案及試樣基本性質(zhì)

2.1 試驗(yàn)方案

采用新疆典型地區(qū)羅布泊天然鹽漬土作為本次試驗(yàn)土樣。本試驗(yàn)采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)，模擬自然界冬季溫度降低和第2年春天溫度升高的過(guò)程，觀察試樣在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的變形量。為了有效模擬自然條件下的凍結(jié)和融化過(guò)程，有機(jī)玻璃筒的兩端分別與恒溫槽設(shè)備相連通，在試樣的兩端之間形成溫度差，試樣可在豎直方向上自由膨脹變形。為了模擬土樣的邊界條件與自然狀況下一致，且不與外界發(fā)生熱交換，在有機(jī)玻璃筒周?chē)粚颖夭牧?。試樣采用輕型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，將試樣按最優(yōu)含水率配置并進(jìn)行封閉悶料使含水均勻，將配置好的土樣以壓實(shí)度為93%的標(biāo)準(zhǔn)分6次擊入高68 cm，內(nèi)徑30 cm的有機(jī)玻璃筒內(nèi),由上而下依次分為第1層，第2層,…,第5層，第6層是底部制冷頭的控制溫度，不考慮該層溫度變化。分層在預(yù)留的有機(jī)玻璃筒邊壁孔洞預(yù)埋溫度感應(yīng)探頭,監(jiān)測(cè)土體內(nèi)部的溫度變化情況，頂端裝上百分表記錄變形量。試樣的成型溫度控制在20 ℃左右。試樣共經(jīng)歷了7次凍融循環(huán)周期，每個(gè)周期歷時(shí)48 h。降溫時(shí)，上端面為冷端面，設(shè)置溫度為-25 ℃，下端面設(shè)置為5 ℃;升溫時(shí)，上端面設(shè)置為20 ℃，下端面還是設(shè)置為5 ℃不變。圖1為試驗(yàn)裝置示意圖。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test apparatus

2.2 試樣基本性質(zhì)

試樣的粒徑組成見(jiàn)表1，粒徑分布曲線見(jiàn)圖2，可以看出土粒不均勻系數(shù)Cu為2.8，曲率系數(shù)Cc為1.43，該土粒級(jí)配不良，土粒組成較均勻。試樣易溶鹽離子含量見(jiàn)表2，基本物理性質(zhì)見(jiàn)表3。

表1 試樣粒徑組成Table 1 Grain size distribution of test soil

圖2 粒徑分布曲線Fig.2 Curve of grain size distribution

離子含量/%離子含量/%CO32-0.0000Ca2+0.1625HCO3-0.0235Mg2+0.1620Cl-2.6312K++Na+1.7652SO42-1.1457合計(jì)5.8901

表3試樣基本物理性質(zhì)
Table3Basicphysicalpropertiesofthetestsoil

液限WL/%塑限WP/%塑性指數(shù)IP最優(yōu)含水率W/%最大干密度ρd/(g·cm-3)土樣類(lèi)別24.315.98.412.31.7含砂低液限粉土

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 亞氯鹽漬土溫度變化過(guò)程

羅布泊地區(qū)含砂低液限粉土中亞氯鹽漬土凍融作用下各土層的溫度歷時(shí)曲線如圖3。

圖3 亞氯鹽漬土凍融循環(huán)過(guò)程各土層溫度變化與 時(shí)間關(guān)系曲線Fig.3 Time-history curves of temperature in different layers of sub-chlorine saline soil under freezing-thawing cycles

由圖3可知，第1層土體溫度的升降變化幅度較大且變化速度較快，而隨著深度增大，不同層位的溫度變化范圍越來(lái)越小，符合自然界中土體溫度變化的趨勢(shì)。顯然第1層土體的溫度變化區(qū)間為-4.8～16.2 ℃，第2層土體的溫度區(qū)間為1.6～13.9 ℃，第3層土體的溫度變化區(qū)間為4.6～12.8 ℃，第4層土體的溫度變化區(qū)間為6.9～12.1 ℃，第5層土體溫度變化區(qū)間為7.7～10.7 ℃，各土層的平均升溫速率和平均降溫速率見(jiàn)表4。由表4可知，平均升降溫速率逐漸降低，到第5層土層基本不變。

表4 各土層的平均升降溫速率Table 4 Average rates of temperature rise andtemperature decline in each soil layer

由圖3還可以得出，各土層的最低氣溫基本上發(fā)生在第4次凍結(jié)過(guò)程，但與其他6次凍結(jié)過(guò)程的溫度相差不大，可初步認(rèn)為是每次凍結(jié)過(guò)程溫度基本相同，土體第1層的溫度隨著調(diào)節(jié)溫度的升降而升降，但第2層到第5層土體實(shí)測(cè)溫度相對(duì)滯后于調(diào)節(jié)溫度，第2層滯后時(shí)間最短，第5層滯后時(shí)間最長(zhǎng)。

3.2 凍融循環(huán)作用下亞氯鹽漬土的鹽脹特性及性狀分析

羅布泊地區(qū)低液限粉土中亞氯鹽漬土凍融作用下鹽脹量過(guò)程曲線如圖4(a)。亞氯鹽漬土鹽脹量歷時(shí)曲線見(jiàn)圖4(b)。

(a) 過(guò)程曲線

(b) 歷時(shí)曲線圖4 亞氯鹽漬土鹽脹量過(guò)程曲線和歷時(shí)曲線Fig.4 Process lines and duration curve of salt expansion in sub-chlorine saline soil

由圖4可知，低液限粉土亞氯鹽漬土在凍融作用下，鹽脹量隨溫度的降低而逐漸增加。由于土體是熱的不良導(dǎo)體，鹽脹在第1周期初始階段，土體降溫速率較慢，鹽脹在0～3 h內(nèi)表現(xiàn)不明顯。當(dāng)溫度保持在-25 ℃，3 h后，鹽脹量增加較大且增長(zhǎng)速度較平緩，即3～24 h內(nèi)每小時(shí)的平均增長(zhǎng)量相差不大，且第1周期的鹽脹總量不是很大，這主要是因?yàn)閮鋈谧饔每墒雇馏w的結(jié)構(gòu)變得疏松，孔隙率變大，對(duì)鹽脹有一定的吸收作用。第2周期到第4周期鹽脹量在0～15 h增長(zhǎng)較快，15～24 h內(nèi)土體鹽脹速度相對(duì)平緩一些，鹽脹量增加相對(duì)小一些。第5周期到第7周期在0～12 h土體鹽脹速度較快，后期逐漸趨于平緩。升溫時(shí)，鹽脹量開(kāi)始回落，但鹽脹量每個(gè)周期只回落一小部分，回落過(guò)程主要發(fā)生在升溫初期0～8 h內(nèi),8 h之后回落過(guò)程基本穩(wěn)定。隨著凍融循環(huán)周期的增加，最大鹽脹量也在不斷疊加，鹽脹過(guò)程具有較好的累加效應(yīng)，最大鹽脹量可達(dá)到7.61 mm。主要的鹽脹量增長(zhǎng)周期發(fā)生在前4周期，前4周期的鹽脹量占7次鹽脹量的80%左右?？傮w來(lái)說(shuō)，鹽脹量增長(zhǎng)速率隨著凍融循環(huán)周期的增加而逐步降低。其原因是在凍融循環(huán)作用過(guò)程中，溫度場(chǎng)、毛細(xì)管水、鹽分等作用使鹽分重新分布，鹽分結(jié)晶的位置將發(fā)生改變，晶體對(duì)土體顆粒產(chǎn)生移動(dòng)、錯(cuò)位，使土體的體積為之膨脹。在溫度升高的階段，鹽結(jié)晶體逐漸溶解，作用在土體顆粒的膨脹力隨之降低，直至全部消失，使土體顆粒的空間排列位置發(fā)生明顯改變，小顆?；芈渲镣令w粒骨架空隙中，較大顆粒組成新的骨架達(dá)到平衡狀態(tài)，但并不會(huì)恢復(fù)到初始的骨架平衡狀態(tài)。

圖5為亞氯鹽漬土鹽脹平均速度和鹽脹率與凍融循環(huán)周期的關(guān)系曲線。

(a)鹽脹平均速度 (b)鹽脹率圖5 亞氯鹽漬土鹽脹平均速度和鹽脹率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig.5 Curvesoftheaveragerateandtheratioofsaltexpansioninsub-chlorinesalinesoilvs.thenumberoffreezing-thawingcycle

由圖5可知：在前5次凍融循環(huán)中鹽脹平均速度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸遞增，而第6次和第7次凍融循環(huán)的鹽凍脹平均速度開(kāi)始減??；鹽凍脹率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐步增加，但增加的幅度隨著凍融循環(huán)次數(shù)有所降低。經(jīng)過(guò)一系列的試驗(yàn)可得出鹽脹平均速度、鹽脹率隨著凍融循環(huán)次數(shù)變化的回歸方程為:

Y=-0.000 7X3+0.006 1X2-0.007 4X+0.111 1，

R2=0.997 9 ；

(1)

Z=-0.002 5X3+0.016 1X2+0.151 4X+0.282 9，

R2=0.999 。

(2)

式中：Y為鹽脹平均速度(mm/h)；Z為鹽脹率(%)；X為凍融循環(huán)次數(shù)；R2為擬合系數(shù)。

3.3 含硫酸鹽亞氯鹽漬土的鹽脹機(jī)理分析

Blaser等[13]指出：在降溫過(guò)程中，硫酸鈉會(huì)與水發(fā)生水合反應(yīng)引起鹽分的聚集，從而結(jié)晶生成芒硝，體積增大3.11倍，土體發(fā)生膨脹破壞。在自然界中由于環(huán)境溫度較高，蒸發(fā)作用使土中的鹽溶液不斷向頂部聚集,當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，硫酸鈉的溶解度降低，硫酸鹽結(jié)晶析出發(fā)生膨脹。一般認(rèn)為亞氯化鈉鹽漬土主要發(fā)生的是溶陷破壞，并不是鹽脹破壞，主要原因是氯化鈉在水中的溶解度隨溫度的改變基本上不發(fā)生變化，且氯化鈉與水發(fā)生水合反應(yīng)生成的是二水氯化鈉，體積增大1.3倍。對(duì)于含有大量氯化鈉的硫酸鈉溶液，隨著氯化鈉濃度的不斷增大，硫酸鈉溶解度逐漸降低，這就是工程中摻適量的氯化鈉來(lái)抑制硫酸鈉的鹽脹，達(dá)到“以鹽治鹽”的目的。

基于本文中亞氯鹽漬土也產(chǎn)生了過(guò)大的鹽脹可得出，溫度的降低與升高是影響鹽脹產(chǎn)生的主要原因，加入氯鹽主要是削弱溫度降低帶來(lái)的影響，并且氯鹽的含量要控制在一定的范圍，不然鹽脹作用也會(huì)比較明顯，同時(shí)針對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中氯鹽和硫酸鹽的劃分作進(jìn)一步研究時(shí)，可適當(dāng)考慮含鹽總量，以期更加準(zhǔn)確判斷硫酸鹽漬土和氯鹽漬土。

4 結(jié) 論

(1)羅布泊地區(qū)的亞氯鹽漬土土層溫度每一層呈拋物線變化趨勢(shì)。隨著深度增大，不同層位的溫度變化范圍越來(lái)越小。

(2)低液限粉土亞氯鹽漬土在凍融作用下，鹽脹量隨溫度的降低而逐漸增加。隨著凍融循環(huán)周期的增加，最大鹽脹量也在不斷疊加，鹽脹過(guò)程具有較好的累加效應(yīng)，最大鹽脹量可達(dá)到7.61 mm。在溫度升高的階段，鹽脹量有所回落，但并不會(huì)恢復(fù)到初始的平衡狀態(tài)。

(3)在前5次凍融循環(huán)中鹽脹平均速度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸遞增，而第6次和第7次凍融循環(huán)的鹽凍脹平均速度開(kāi)始減小。而鹽凍脹率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐步增加，但增加的幅度隨著凍融循環(huán)次數(shù)有所降低。

(4)溫度的降低與升高是影響鹽脹產(chǎn)生的主要原因，加入氯鹽主要是削弱溫度降低帶來(lái)的影響，并且氯鹽的含量要控制在一定的范圍。

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