上覆荷載對(duì)礫砂類硫酸鹽漬土路基鹽脹的影響

張莎莎，戴志仁，楊曉華，陳偉志

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043；3.中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

粗顆粒鹽漬土廣泛分布于中國(guó)西北、亞洲西部及中部等地，是中國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略實(shí)施途經(jīng)地區(qū)，更是中國(guó)基建外輸?shù)闹匾康牡?。目前正在修建的德伊高速鐵路，是中國(guó)政府“一帶一路”戰(zhàn)略重點(diǎn)關(guān)注的項(xiàng)目之一，德伊高鐵全長(zhǎng)約406 km，設(shè)計(jì)時(shí)速300 km·h-1、全線采用有砟及無(wú)砟軌道，90%為路基工程。該高速鐵路途經(jīng)地帶均分布大量的粗顆粒鹽漬土。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，必須采用當(dāng)?shù)卮诸w粒鹽漬土作為路基填料。但是，鹽漬土具有鹽脹、溶陷及腐蝕3大工程特性，其中針對(duì)當(dāng)?shù)胤植枷鄬?duì)廣泛的硫酸鹽漬土而言，尤以鹽脹為工程潛在危害之重，結(jié)合高速鐵路對(duì)路基變形方面的嚴(yán)格要求，合理應(yīng)用當(dāng)?shù)赝亮虾秃侠碓O(shè)計(jì)路基結(jié)構(gòu)形式成為本工程亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

隨著我國(guó)在西北粗粒鹽漬土地區(qū)工程建設(shè)投入的逐年增大，學(xué)者針對(duì)粗粒鹽漬土的研究也逐年增多。

吳青柏、孫濤等對(duì)粗粒硫酸鹽漬土的鹽脹特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析和討論，結(jié)果表明粗顆粒土不具有強(qiáng)烈的鹽脹性，但粗顆粒土體一旦形成硫酸鹽聚集層后，遇外來(lái)水分，會(huì)發(fā)生突發(fā)的鹽脹性，造成建筑的破壞[1]。羅炳芳、包衛(wèi)星等學(xué)者針對(duì)公路工程中粗粒鹽漬土的易溶鹽含量試驗(yàn)方法進(jìn)行的研究結(jié)果表明，現(xiàn)行試驗(yàn)方法測(cè)得的易溶鹽含量比實(shí)際值偏大[2-3]。丁兆民、張莎莎等通過(guò)對(duì)鹽脹5要素的調(diào)節(jié)，針對(duì)粗粒硫酸鹽漬土路用填料的可用性進(jìn)行了初步研究[4]。

張莎莎、楊曉華等選取甘肅有代表性的天然粗粒鹽漬土分別進(jìn)行了室內(nèi)模擬季節(jié)交替和晝夜溫差變化的多次凍融循環(huán)模型試驗(yàn)及有無(wú)附加荷載時(shí)的單次降溫鹽脹試驗(yàn)研究，從不同角度對(duì)天然粗粒鹽漬土進(jìn)行了鹽脹規(guī)律分析[5]，并對(duì)經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)試驗(yàn)以后的天然鹽漬土進(jìn)行了水鹽遷移及掃描電鏡分析。同時(shí)，針對(duì)相同的工程模擬試驗(yàn)，對(duì)細(xì)粒鹽漬土與粗粒鹽漬土進(jìn)行了微觀特性的對(duì)比分析[6]。

程?hào)|幸、劉志偉等選擇河西走廊西段典型粗粒鹽漬土場(chǎng)地進(jìn)行了浸水溶陷試驗(yàn)，分析了粗粒鹽漬土浸水溶陷的本質(zhì)特性，認(rèn)為粗粒鹽漬土除了含鹽量、浸水量外，其粗粒含量、地基土滲透系數(shù)及密實(shí)性等都是影響其溶陷變形的主要因素[7]。

張莎莎、楊曉華采用天然粗粒鹽漬土開展了大型凍融循環(huán)剪切試驗(yàn)，并進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，初步研究了凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)天然粗粒鹽漬土的強(qiáng)度影響。同時(shí)，開展了天然粗粒鹽漬土的大型路堤模型試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了羅炳芳、包衛(wèi)星等學(xué)者提出的關(guān)于粗粒鹽漬土易溶鹽含量的測(cè)試方法[8-9]。程?hào)|幸等針對(duì)新疆準(zhǔn)東地區(qū)粗顆粒鹽漬土開展了室內(nèi)大型剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，提出提高粗顆粒鹽漬土壓實(shí)度可顯著提高地基承載力[10]。

包衛(wèi)星針對(duì)砂類鹽漬土開展了其路用特性中的鹽脹、融陷規(guī)律研究[11-12]。張莎莎、王永威等學(xué)者基于5 mm篩法的易溶鹽配制方法，采用二次回歸正交設(shè)計(jì)和SPSS逐步回歸分析等手段，提出了礫類、砂類(亞)硫酸鹽漬土鹽脹率的簡(jiǎn)化預(yù)測(cè)模型和鹽脹敏感因素[12-14]。

上述研究對(duì)明確粗顆粒鹽漬土的工程特性具有較好的作用，但是針對(duì)上覆荷載對(duì)粗顆粒鹽漬土鹽脹規(guī)律的影響，依然缺乏較系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證和總結(jié)分析，其直接關(guān)系到將粗顆粒鹽漬土作為路基填料時(shí)，合理路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素的選取。本文基于以往研究成果，選取鹽脹量相對(duì)較顯著的粗粒硫酸鹽漬土，通過(guò)常規(guī)鹽脹試驗(yàn)、大尺寸模型試驗(yàn)等方法，研究不同上覆荷載對(duì)不同含鹽量礫砂類硫酸鹽漬土路基的鹽脹規(guī)律。

1 試驗(yàn)土樣基本工程性質(zhì)

本文依托德伊高鐵，但是由于該項(xiàng)目地處海外，大量運(yùn)土料回國(guó)不太現(xiàn)實(shí)，所以結(jié)合德伊高鐵項(xiàng)目路基填料特點(diǎn)(含鹽量和顆粒級(jí)配特征)，同時(shí)為了較全面地研究礫砂類硫酸鹽漬土在上覆荷載作用下的鹽脹規(guī)律，并為其他類似工程提供技術(shù)參考，試驗(yàn)土樣分別選取人工配制礫砂類硫酸鹽漬土和天然礫砂類硫酸鹽漬土。其中，由于細(xì)顆粒含量越多，相對(duì)鹽脹量較大，所以在人工配制礫砂類硫酸鹽漬土過(guò)程中，盡量按照礫砂土的標(biāo)準(zhǔn)，將土樣中的細(xì)粒土含量擴(kuò)大至最大范圍；天然礫砂類硫酸鹽漬土分別取自甘肅河西走廊地區(qū)和新疆克拉瑪依地區(qū)。土試樣的主要物理參數(shù)見表1，其基本物理性質(zhì)試驗(yàn)根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]和《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》[16]。天然土樣的易溶鹽含量試驗(yàn)采用過(guò)5 mm篩法[17]，試驗(yàn)結(jié)果見表2。人工配制試驗(yàn)土樣中硫酸鹽漬土的配制方法詳見試驗(yàn)方案。

表1 礫砂類硫酸鹽漬土基本物理參數(shù)

表2 天然礫砂類硫酸鹽漬土易溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2 試驗(yàn)方案

影響鹽漬土鹽脹的主要因素有土、水、鹽、溫度和力。根據(jù)甘肅河西走廊地區(qū)、新疆克拉瑪依地區(qū)等干旱—半干旱地區(qū)的氣象記錄，并結(jié)合前期對(duì)硫酸鹽漬土鹽脹敏感溫度區(qū)間的研究成果，對(duì)于鹽漬土鹽脹影響較強(qiáng)烈的10月至次年3月環(huán)境溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其變化范圍主要在20 ℃/25 ℃～-15 ℃/-20 ℃。在鹽漬土地區(qū)的路基填筑過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)地下水通常含有鹽分，其施工用水相對(duì)較難完全按照規(guī)范法實(shí)施，導(dǎo)致路基填料中的水分和含鹽量控制不嚴(yán)格。鑒于上述原因，本文在試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要研究不同含鹽量、不同含水率條件下礫砂類硫酸鹽漬土在不同上覆荷載作用下的鹽脹規(guī)律。

2.1 人工配制礫砂類硫酸鹽漬土

為了明確上覆荷載對(duì)礫砂類硫酸鹽漬土鹽脹影響的基本規(guī)律，本部分試驗(yàn)主要分為常規(guī)鹽脹試驗(yàn)和大尺寸鹽脹試驗(yàn)2部分。其中，常規(guī)鹽脹試驗(yàn)為初步掌握礫砂類硫酸鹽漬土鹽脹受上覆荷載影響的基本規(guī)律，其土樣素土采用人工配制試驗(yàn)土樣-1，鹽分配制方案及其他試驗(yàn)因素見表3。試件為直徑24.5 cm，高25 cm的圓柱體，將其置于內(nèi)側(cè)涂抹凡士林的有機(jī)玻璃筒中，試樣配制好以后，將其置于DW-40型高低溫試驗(yàn)箱(可控溫度為-40～60 ℃，精度為1 ℃)，采用試件整體均勻降溫：25 ℃→20 ℃→15 ℃→10 ℃→5 ℃→0 ℃→-5 ℃→-10 ℃→-15 ℃，每級(jí)降溫完成后穩(wěn)定1 h，記錄數(shù)據(jù)，再進(jìn)行下一級(jí)降溫，最后一級(jí)溫度降溫穩(wěn)定后再穩(wěn)定6 h。試驗(yàn)實(shí)物如圖1所示。

圖1 常規(guī)鹽脹試驗(yàn)

為了初步掌握由于溫度梯度影響下礫砂類硫酸鹽漬土路基在上覆荷載下的鹽脹規(guī)律，第2部分大尺寸鹽脹試驗(yàn)素土采用人工配制試驗(yàn)土樣-2，試驗(yàn)土樣鹽分配制方案及其他試驗(yàn)因素見表4。試件為直徑15 cm、高55 cm的圓柱體，試件置于內(nèi)側(cè)涂抹凡士林的大尺寸有機(jī)玻璃筒中。試驗(yàn)過(guò)程中，有機(jī)玻璃筒外圍包裹保溫膜，有機(jī)玻璃筒上、下蓋為中空制冷頭，分別與HC-2010型低溫恒溫槽連接。試驗(yàn)?zāi)M路基溫度分布特點(diǎn)，采用單次梯度降溫，每級(jí)降溫過(guò)程持續(xù)12 h，降溫共歷時(shí)84 h，具體降溫程序見試驗(yàn)方案表4，試驗(yàn)實(shí)物如圖2所示。2組人工配制試驗(yàn)土樣鹽分摻配均為易溶鹽含量過(guò)5 mm篩法配制。

圖2 大尺寸鹽脹試驗(yàn)

試驗(yàn)編號(hào)含鹽量/%含水率/%初始?jí)簩?shí)度/%上覆荷載/kPa10.816.492～930,0.65,2.21,3.77,4.4222.306.492～930,0.65,2.21,3.77,4.42

2.2 天然礫砂類硫酸鹽漬土

為了掌握上覆荷載對(duì)鹽脹影響的規(guī)律，同時(shí)明確礫砂類硫酸鹽漬土路基填料鹽脹特性，本部分試驗(yàn)分別取甘肅河西走廊地區(qū)某天然料場(chǎng)和新疆克拉瑪依地區(qū)某天然料場(chǎng)的礫砂類硫酸鹽漬土作為試驗(yàn)土樣，采用大尺寸鹽脹試驗(yàn)方法。試驗(yàn)方案分別見表5和表6。模擬路基溫度分布特點(diǎn)，采用單次梯度降溫，每級(jí)降溫過(guò)程持續(xù)12 h，降溫共歷時(shí)84 h，具體降溫程序見表5和表6。

表5 河西走廊地區(qū)天然鹽漬土大尺寸鹽脹試驗(yàn)方案

表6 克拉瑪依地區(qū)天然鹽漬土大尺寸鹽脹試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 人工配制礫砂類硫酸鹽漬土

在不同含鹽量水平工況下，均勻降溫環(huán)境中的礫砂類硫酸鹽漬土(人工配制試樣-1)隨上覆荷載改變條件下的鹽脹率變形曲線如圖3所示。

圖3 鹽脹率隨上覆荷載變化曲線

從圖3可以看出：在上覆荷載的作用下，不同含鹽量條件下礫砂類硫酸鹽漬土的鹽脹率均隨上覆荷載的增加而減小，且減小幅度較大；上覆荷載對(duì)低含鹽量水平的礫砂類硫酸鹽漬土鹽脹率的抑制效果強(qiáng)于高含鹽量水平下。

高含水率工況下，梯度降溫環(huán)境中的礫砂類硫酸鹽漬土(人工配制試樣-2)鹽脹率隨上覆荷載、含鹽量及初始干密變化的曲線如圖4所示。低含水率工況下，梯度降溫環(huán)境中的礫砂類硫酸鹽漬土(人工配制試樣-2)鹽脹率隨上覆荷載、含鹽量及初始干密變化而變化的曲線如圖5所示。

從圖4可以看出：在含水率大于最佳含水率工況下，隨著含鹽量、上覆荷載和初始干密度的逐漸增大，鹽脹率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在上覆荷載24.46 kPa以內(nèi)，含鹽量從0.4%增大到1.5%，隨著上覆荷載逐漸增加，鹽脹率主要表現(xiàn)為增大趨勢(shì)，在這個(gè)范圍內(nèi)，含鹽量對(duì)鹽脹的促進(jìn)作用較顯著；當(dāng)上覆荷載超過(guò)24.46 kPa以后，含鹽量即使增大到2.2%，鹽脹率卻表現(xiàn)出減小趨勢(shì)，此時(shí)的初始干密度為2.12 g·cm-3(96%的壓實(shí)度)，根據(jù)前期研究成果可知，初始?jí)簩?shí)度與鹽脹率呈正相關(guān)，即使在較大的壓實(shí)度條件下，鹽脹率依然減小。

圖4 高含水率工況下鹽脹率隨上覆荷載等因素變化曲線

圖5 低含水率工況下鹽脹率隨上覆荷載等因素變化曲線

從圖5可以看出：在含水率小于最佳含水率工況下，隨著含鹽量、上覆荷載和初始干密度的逐漸增大，鹽脹率依然呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)上覆荷載從24.46 kPa增加到32.95 kPa，含鹽量從6.0%增加到6.7%時(shí)，鹽脹率增加了62%；當(dāng)上覆荷載從32.95 kPa增加到38.61 kPa，含鹽量從6.7%增加到7.5%時(shí)，鹽脹率減小了72%，當(dāng)含鹽量達(dá)到9.0%，上覆荷載為49.93 kPa時(shí)，鹽脹率依然呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，最終鹽脹率僅0.04%。

圖4和圖5均表現(xiàn)出隨著含鹽量、上覆荷載和初始干密度的逐漸增大，鹽脹率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。根據(jù)已有研究成果[12]，單因素中的含鹽量、初始干密度均對(duì)鹽脹具有促進(jìn)作用，而含水率對(duì)鹽脹的作用效果可按照參考文獻(xiàn)[13]定義的調(diào)節(jié)因素確定， 低含水率水平有益于礫砂類硫酸鹽漬土的工程應(yīng)用，因?yàn)橥林械牧蛩徕c在起初溫度降低的過(guò)程中開始吸水結(jié)晶，到一定程度后，土中的自由水已不能滿足硫酸鈉結(jié)晶所需要的水分，這就導(dǎo)致結(jié)晶停止，鹽脹不再繼續(xù)。這就是為什么在某些干旱及半干旱地區(qū)可以直接用粗顆粒硫酸鹽鹽漬土作為路基填料的原因。從圖中也可知，含鹽量的增加，對(duì)于各個(gè)水平的鹽脹量都有一定的促進(jìn)作用，但是隨著上覆荷載的增加及含水率的減小，這個(gè)促進(jìn)作用已不明顯，且上覆荷載的增加對(duì)于鹽脹量的影響作用較大。在嚴(yán)格控制含水率的工況下，當(dāng)上覆荷載超過(guò)24.46～38.61 kPa以后，上覆荷載對(duì)鹽脹的抑制作用在鹽脹5要素中起主導(dǎo)作用。

3.2 天然礫砂類硫酸鹽漬土

最佳含水率工況、梯度降溫環(huán)境中，河西走廊地區(qū)某天然料場(chǎng)礫砂類硫酸鹽漬土在無(wú)上覆荷載和上覆荷載50 kPa條件下鹽脹率在不同降溫區(qū)間的變化曲線如圖6所示。最佳含水率工況、梯度降溫環(huán)境中，克拉瑪依地區(qū)某天然料場(chǎng)礫砂類硫酸鹽漬土在無(wú)上覆荷載和上覆荷載50 kPa條件下鹽脹率在不同降溫區(qū)間的變化曲線如圖7所示。

圖6 最佳含水率時(shí)河西走廊地區(qū)天然鹽漬土鹽脹規(guī)律

圖7 最佳含水率時(shí)克拉瑪依地區(qū)天然鹽漬土鹽脹規(guī)律

從圖6和圖7可以看出：在最佳含水率和標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)度條件下，上覆荷載50 kPa對(duì)2個(gè)地區(qū)的天然礫砂類硫酸鹽漬土鹽脹量的抑制作用均在85%以上。

在標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)度條件下，克拉瑪依地區(qū)某天然料場(chǎng)礫砂類硫酸鹽漬土在無(wú)上覆荷載和上覆荷載50 kPa工況下，不同含水率時(shí)的鹽脹率在不同降溫區(qū)間變化曲線分別如圖8—圖10所示，最大鹽脹率隨含水率的變化如圖11所示。

圖8 含水率4.5%時(shí)克拉瑪依地區(qū)天然鹽漬土鹽脹規(guī)律

圖9 含水率5.5%時(shí)克拉瑪依地區(qū)天然鹽漬土鹽脹規(guī)律

圖10 含水率7.5%時(shí)克拉瑪依地區(qū)天然鹽漬土鹽脹規(guī)律

圖11 不同含水率時(shí)克拉瑪依地區(qū)天然鹽漬土鹽脹規(guī)律

從圖8至圖10可知：在標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)度條件下，不同含水率水平影響中上覆荷載50 kPa對(duì)天然礫砂類硫酸鹽漬土鹽脹量的抑制作用亦在85%以上。

從圖11可知：上覆荷載50 kPa對(duì)較高含水率水平下的礫砂類硫酸鹽漬土的鹽脹抑制作用依然較強(qiáng)。無(wú)上覆荷載作用時(shí)，隨著含水率從低于最佳含水率到高于最佳含水率，鹽脹率增加近1倍；上覆荷載50 kPa作用時(shí)，隨著含水率從低于最佳含水率到高于最佳含水率，鹽脹率僅增加0.5倍。從而可知，上覆荷載50 kPa對(duì)天然礫砂類硫酸鹽漬土在高含水率水平下的鹽脹抑制作用也較強(qiáng)，并且可以明顯減小隨含水率增大時(shí)的鹽脹增長(zhǎng)率。

4 結(jié) 論

(1)在上覆荷載的作用下，不同含鹽量礫砂類硫酸鹽漬土的鹽脹率均隨上覆荷載的增加而減小，且減小幅度較大；上覆荷載對(duì)低含鹽量礫砂類硫酸鹽漬土的抑制效果強(qiáng)于高含鹽量礫砂類硫酸鹽漬土。

(2)含鹽量的增加，對(duì)于不同鹽脹量都有一定的促進(jìn)作用，但是隨著上覆荷載的增加及含水率的減小，這個(gè)促進(jìn)作用已不明顯，且上覆荷載的增加對(duì)于鹽脹量的影響作用較大。在嚴(yán)格控制含水率的工況下，當(dāng)上覆荷載超過(guò)24.46～38.61 kPa以后，上覆荷載對(duì)鹽脹的抑制作用在鹽脹5要素中起主導(dǎo)作用。

(3)在標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)度條件下，不同含水率水平下上覆荷載50 kPa對(duì)天然礫砂類硫酸鹽漬土鹽脹量的抑制作用超過(guò)85%；上覆荷載50 kPa對(duì)天然礫砂類硫酸鹽漬土在高含水率水平下的鹽脹抑制作用也較強(qiáng)，并且可以明顯減小隨含水率增大的鹽脹增長(zhǎng)率。

(4)上覆荷載對(duì)礫砂類硫酸鹽漬土的鹽脹抑制作用較強(qiáng)，在進(jìn)行路基結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)時(shí)，可參考上述研究成果針對(duì)實(shí)際填料進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，從而確定上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素。