季節(jié)性凍土區(qū)人工鹽化路基凍脹模型試驗(yàn)

鞏麗麗，王彥虎，楊 楠，張延杰，劉德仁

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.青藏鐵路公司西寧工務(wù)段，青海 西寧 810006)

0 引言

季節(jié)性凍土指的是冬季凍結(jié)春季融化的土層，我國(guó)季節(jié)性凍土區(qū)面積大約5.137×106km2，占國(guó)土面積的53.5%，西從云南章鳳，向東經(jīng)昆明、貴陽(yáng)，繞四川盆地北緣，到長(zhǎng)沙、安慶、杭州一帶。季節(jié)性凍土的凍脹、融沉特性對(duì)工程影響重大，因此在季節(jié)性凍土地區(qū)修筑鐵路應(yīng)特別考慮凍害對(duì)路基的影響及防范措施[1]。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)凍融循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中水分和鹽分遷移問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[2-8]；王靜等[9]取季節(jié)性凍土區(qū)3種不同塑性指數(shù)路基土在封閉條件下經(jīng)歷0～7次完整凍融循環(huán)，進(jìn)行了不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)；劉德仁等[10]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究一種新型防治道路凍脹翻漿的路基結(jié)構(gòu)；楊曉華等[11]為研究粗粒鹽漬土作為路基填料的適用性，取甘肅省金永高速公路二標(biāo)的路基料和底基層料進(jìn)行模擬季節(jié)交替變化的大型凍融循環(huán)試驗(yàn)；包衛(wèi)星等[12]選取典型天然鹽漬土進(jìn)行反復(fù)凍融循環(huán)條件下的試驗(yàn)研究，從土的類別角度研究了天然鹽漬土的鹽脹規(guī)律；嚴(yán)晗等[13]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了粉砂土在不同條件下的反復(fù)凍脹、融沉特性；李國(guó)玉等[14]針對(duì)甘肅省季節(jié)凍土區(qū)公路沿線鹽漬化道路病害比較嚴(yán)重的地段，選取幾種典型的鹽漬土進(jìn)行室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)來(lái)研究它們?cè)谥芷诓▌?dòng)溫度條件下凍脹、鹽脹和融沉特性；倪鐵山等[15]對(duì)長(zhǎng)白鐵路長(zhǎng)春段路基凍土進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出將路基土鹽化的方法整治鐵路路基凍害；王彥虎等[16]通過(guò)對(duì)青藏鐵路環(huán)青海湖段鐵路路基凍害原因進(jìn)行分析，提出了鉆孔埋管注鹽法整治路基凍害，并提出了相關(guān)參數(shù)；此外，很多學(xué)者對(duì)凍融循環(huán)模型試驗(yàn)進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。

人工鹽化路基土的方法整治凍土區(qū)路基凍害是公務(wù)部門經(jīng)常采用的方法之一，但對(duì)鹽化之后形成的新的人工鹽漬土環(huán)境的凍脹機(jī)理還缺乏比較系統(tǒng)的研究。青藏鐵路西格段為典型的季節(jié)性凍害，以青藏鐵路公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題為依托，采用人工鹽漬化路基土體的方法進(jìn)行凍害整治試驗(yàn)，研究人工鹽漬化路基土整治凍害的效果，探究?jī)鋈谘h(huán)條件下人工鹽漬化路基土體溫度和位移變化規(guī)律，水鹽遷移規(guī)律，用與研究區(qū)力學(xué)性質(zhì)相似的黃土分普通試驗(yàn)段和鹽化試驗(yàn)段填筑路基實(shí)體模型進(jìn)行對(duì)比研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 土樣參數(shù)

模型填筑土樣為與青藏鐵路西格段季節(jié)性凍土區(qū)相似的黃土，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到黃土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)(表1)。本試驗(yàn)土體模型分一層填筑，土樣按最優(yōu)含水量16.5%，壓實(shí)度為0.8，干密度為1.3 g·cm-3填筑。分普通試驗(yàn)段和鹽化試驗(yàn)段兩段，鹽化試驗(yàn)段將鹽分提前拌入土中，比例為2%，鹽的種類為工業(yè)氯鹽(MgCl2-6H2O)。

表1 土樣基本物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)裝置

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

試驗(yàn)裝置由模型試驗(yàn)箱、高低溫控制器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成(圖1)。模型箱外長(zhǎng)3.5 m，寬2.0 m，高2.2 m，箱內(nèi)長(zhǎng)3.2 m，寬1.7 m，高1.9 m，中間填充保溫材料，用來(lái)隔絕內(nèi)外熱量的交換，達(dá)到保溫效果，兩邊各開一扇門，其中門高1.7 m、寬為0.9 m。箱體內(nèi)部布置酒精冷管，頂部全部布置，側(cè)面從箱頂往下布置0.7 m。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括溫度測(cè)試系統(tǒng)、位移測(cè)試系統(tǒng)和鹽分測(cè)試系統(tǒng)。溫度測(cè)試系統(tǒng)由pt100溫度傳感器(精度為0.01 ℃)和HED70A型巡檢儀(精度為±0.2%F.S)組成，每隔3 h采集一次數(shù)據(jù)。機(jī)電百分表(量程為50 mm，精度為0.01 mm)，配合支座和鋼架布置于路基頂面，通過(guò)配套集線器連接計(jì)算機(jī)，構(gòu)成位移測(cè)試系統(tǒng)，每隔15 min采集一次數(shù)據(jù)。鹽分測(cè)試系統(tǒng)由鹽分傳感器和數(shù)據(jù)采集儀構(gòu)成，鹽分監(jiān)測(cè)選用YT-DY-0301系列鹽分傳感器，量程為0～20.00 mS/cm，測(cè)試精度<5%。

試驗(yàn)所用的高低溫控制器為XT5701LTB-450型，外形尺寸為730 mm×750 mm×1100 mm，包括恒溫槽內(nèi)膽、控制顯示面板、壓縮機(jī)、熔絲管、溫度傳感器等。該裝置溫度可控范圍在-40～+90 ℃，溫度波動(dòng)度在±0.05～0.1 ℃。試驗(yàn)過(guò)程中溫度可通過(guò)裝置本身設(shè)定的程序，通過(guò)顯示面板進(jìn)行調(diào)節(jié)控制控制。

1.3 模型設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)斷面布置

模型設(shè)計(jì)如圖2所示，路基頂寬1 m，底寬2.5 m，坡度1∶1.25，高度0.6 m，根據(jù)路基對(duì)稱結(jié)構(gòu)，模型取路基斷面的一半。試驗(yàn)段長(zhǎng)3.2 m，其中普通試驗(yàn)段長(zhǎng)1.6 m，鹽化試驗(yàn)段長(zhǎng)1.6 m。

圖2 路基模型剖面圖(單位：mm)Fig.2 Subgrade model profile (unit: mm)

在普通試驗(yàn)段和鹽化試驗(yàn)段分別設(shè)置三個(gè)溫度監(jiān)測(cè)斷面，在試驗(yàn)段中心、距中心0.4 m左右各設(shè)一個(gè)斷面，每個(gè)斷面上的溫度傳感器的布置如圖2所示，總共布置72個(gè)溫度傳感器。

在普通試驗(yàn)段和鹽化試驗(yàn)段中心分別設(shè)置兩個(gè)位移監(jiān)測(cè)斷面，在距離路基中心線0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m處架設(shè)百分表，用表座固定于基準(zhǔn)梁之上，然后用集線器連接電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)(圖3)。

圖3 模型試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.3 Model test photo

為了探究鹽化試驗(yàn)段鹽分的遷移規(guī)律，在鹽化試驗(yàn)段提前拌入2%的鹽分，布置兩個(gè)鹽分監(jiān)測(cè)斷面的，每個(gè)斷面鹽分傳感器位置如圖4所示。

圖4 鹽分傳感器布置(單位：mm)Fig.4 Salt sensor arrangement (unit: mm)

1.4 試驗(yàn)方法及溫度條件

試驗(yàn)選用室內(nèi)模型試驗(yàn)的方法，對(duì)青藏鐵路西格段季節(jié)性凍土區(qū)路基的凍脹特性進(jìn)行研究，模擬自然界夏季溫度的升高和冬季溫度的降低，監(jiān)測(cè)溫度、位移和鹽分。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁貤l件，模型箱內(nèi)的溫度按照式(1)進(jìn)行調(diào)控，平均環(huán)境溫度1.5 ℃，一個(gè)周期144 h，負(fù)溫時(shí)間68 h、正溫時(shí)間76 h，溫度控制曲線如圖5所示，實(shí)際控制溫度每隔4 h調(diào)節(jié)，實(shí)際環(huán)境溫度為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型箱中的溫度。

T=1.5+15sin(2πt/144+9.525)(1)

圖5 試驗(yàn)溫度控制曲線Fig.5 Temperature control curve in the test

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凍融過(guò)程中溫度場(chǎng)分析

本次試驗(yàn)進(jìn)行4個(gè)周期，每個(gè)周期144 h，總共576 h，每隔3 h采集一次溫度數(shù)據(jù)。圖6所示的是距路基中心不同距離處的溫度變化曲線與環(huán)境溫度之間的關(guān)系曲線，由于監(jiān)測(cè)各斷面規(guī)律一致，故選取中心斷面進(jìn)行分析，距路基中心0.1 m、0.3 m、0.5 m、0.7 m和0.9 m處的點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)圖2中8#、9#、10#、11#、12#。

圖6 路基不同距離處溫度變化Fig.6 Temperature change at different distances of sugared soil

由圖6可知，隨著環(huán)境溫度的變化，不同距離處各點(diǎn)均呈現(xiàn)出與環(huán)境溫度一樣的趨勢(shì)，出現(xiàn)峰值和谷值，但路基土體內(nèi)部的溫度滯后于環(huán)境溫度約36 h。初試溫度場(chǎng)溫度較高，隨著周期的穩(wěn)定，普通試驗(yàn)段距路基中心0.1 m、0.3 m、0.5 m、0.7 m和0.9 m的位置溫度分別在-1.5～4.5 ℃、-2.5～3.5 ℃、-3.0～2.0 ℃、-4.0～2.0 ℃和-4.5～3.0 ℃的范圍內(nèi)波動(dòng)，鹽化試驗(yàn)段在-2.0～5.0 ℃、-2.5～4.0 ℃、-4.0～2.0 ℃、-5.0～2.0 ℃和-6.0～2.0 ℃的范圍內(nèi)波動(dòng)。由此可知，距離路基中心越近的點(diǎn)，即越靠近冷端的點(diǎn)，溫度變化幅度越大，最高溫度逐漸升高，最低溫度逐漸降低。環(huán)境溫度的波動(dòng)范圍為-7.5～4.5 ℃，路基土體內(nèi)部溫度的波動(dòng)范圍約為環(huán)境溫度波動(dòng)的一半。

鹽化試驗(yàn)段溫度變化趨勢(shì)和普通試驗(yàn)段一致，對(duì)應(yīng)位置溫度變化幅度比普通試驗(yàn)段處略有增大，最低溫度從-4.5 ℃到-6.0 ℃有明顯下降，對(duì)應(yīng)各距離路基中心點(diǎn)處起始溫度較普通試驗(yàn)段有所增加，說(shuō)明鹽化對(duì)于路基內(nèi)溫度降低有一定的抑制作用，特別是對(duì)于距離路基中心越近的位置，效果越明顯。

圖7為路基不同深度處的溫度變化曲線和環(huán)境溫度之間的關(guān)系曲線，由于監(jiān)測(cè)各斷面規(guī)律一致，故選取中心斷面進(jìn)行分析，距路基中心0.2 m、0.4 m和0.6 m處的點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)圖2中2#、5#、9#。

圖7 路基不同深度處溫度變化Fig.7 Temperature change at different depth of subgrade soil

由圖7可知，路基土體各點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)與環(huán)境溫度一致，同樣滯后環(huán)境溫度約四分之一周期。普通試驗(yàn)段路基土體深度0.2 m、0.4 m和0.6 m處的溫度分別在-2.5～2.0 ℃、-2.0～1.5 ℃和-1.5～1.5 ℃的范圍內(nèi)波動(dòng)，鹽化試驗(yàn)段在-4.5～2.5 ℃、-3.0～1.5 ℃和-2.0～2.0 ℃的范圍內(nèi)波動(dòng)。由此可知，不同深度處距離頂面越近的點(diǎn)處，即越接近冷端的點(diǎn)，溫度變化幅度越大，深度為0.4 m和0.6 m處的溫度變化幅度基本一致，隨著深度的增加溫差逐漸減小。環(huán)境溫度的波動(dòng)范圍為-7.5～4.5 ℃，路基土體內(nèi)部溫度的波動(dòng)范圍同樣約為環(huán)境溫度波動(dòng)的一半。

2.2 凍融過(guò)程中位移分析

由圖8可知，隨著溫度的周期性變化，普通試驗(yàn)段路基土體在固結(jié)沉降過(guò)程中呈現(xiàn)出有規(guī)律的凍脹融沉，鹽化試驗(yàn)段只呈現(xiàn)出固結(jié)沉降的過(guò)程。橫向?qū)Ρ葍蓚€(gè)斷面，不同試驗(yàn)段的兩個(gè)斷面均表現(xiàn)出一致的規(guī)律。

圖8 凍融過(guò)程中監(jiān)測(cè)斷面位移變化Fig.8 Change of displacement of monitoring section during freeze-thaw process

對(duì)于普通試驗(yàn)段，第二斷面位移變化趨勢(shì)表現(xiàn)出三角函數(shù)的曲線形式，第一斷面則沒有，主要與路基不均勻沉降，路基填土拌和過(guò)程中初始含水率不同和填筑過(guò)程中壓實(shí)不均與等多種因素有關(guān)。

對(duì)于鹽化試驗(yàn)段，四個(gè)周期路基土體的凍脹最大值時(shí)間分別為72 h、216 h、360 h、540 h，對(duì)應(yīng)著每個(gè)周期中最低溫度，但凍脹量相比普通試驗(yàn)段減小很多，說(shuō)明鹽分對(duì)于路基土體的凍脹有很大的抑制作用，但并沒有完全消除凍脹現(xiàn)象。

由圖9知，由于環(huán)境溫度與土體內(nèi)溫度進(jìn)行交換時(shí)，具有延遲效應(yīng)，周期中溫度最低點(diǎn)并不是凍脹極值發(fā)生的時(shí)間，但延遲時(shí)間很短，基本可忽略。普通試驗(yàn)段和鹽化試驗(yàn)段的最終沉降量分別為0.5 mm、0.1 mm，鹽化試驗(yàn)段相比于普通試驗(yàn)段沉降位移有明顯的減少，鹽化在可以有效抑制路基土體的沉降變形。普通試驗(yàn)段和鹽化試驗(yàn)段路基土體凍脹最大值分別為0.23 mm、0.06 mm，鹽化之后路基凍脹減小約73.9%，說(shuō)明鹽化對(duì)于路基土體凍脹有很大的抑制的作用。

圖9 凍融過(guò)程中溫度與位移關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between temperature and displacement in freeze-thaw process

2.3 凍融過(guò)程中鹽分分析

圖10所示是凍融循環(huán)過(guò)程中鹽化路基不同深度，不同距離處的鹽分變化規(guī)律，其中6#測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)過(guò)程失效。初始拌和填筑路基時(shí)的鹽分是2.0%。由于拌和填筑的不均勻，所有位置的鹽分均在1.7%～2.7%范圍內(nèi)波動(dòng)。所有觀測(cè)點(diǎn)位置鹽分遷移量較小，只是圍繞初始鹽分輕微波動(dòng)，隨著溫度的升高和降低呈現(xiàn)出周期性的減小和增大。隨著周期的發(fā)展，鹽分呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，整體來(lái)說(shuō)，四個(gè)周期內(nèi)封閉的環(huán)境中鹽分遷移較小，最大為0.1%。

圖10 凍融過(guò)程中鹽分變化Fig.10 The change of salt in freeze-thaw process

2.4 凍融過(guò)程中水分分析

在試驗(yàn)結(jié)束之后，分別讓模型在12 ℃即融化狀態(tài)和-12 ℃即凍結(jié)狀態(tài)下穩(wěn)定48 h以上，然后用洛陽(yáng)鏟分不同位置取樣進(jìn)行含水率的測(cè)試。圖11所示的不同位置處的含水率變化曲線。初試填筑過(guò)程中土體含水率為16.5%，凍融循環(huán)之后路基土體內(nèi)的水分有不同程度的遷移。

由圖11可知，當(dāng)溫度為-12 ℃即凍結(jié)狀態(tài)時(shí)，在路基表面，水分遷移較大，普通試驗(yàn)段在深度0.25 m處遷移量達(dá)到最大，距離路基中心處0.5 m、2.5 m、4.5 m位置處最大含水率分別為22.17%、23.65%和24.48%，遷移量分別為5.67%、7.15%和7.98%；鹽化試驗(yàn)段在深度0.40 m遷移量最大，離路基中心處0.5 m、2.5 m、4.5 m位置處最大含水率分別為20.81%、21.08%和20.20%，遷移量分別為4.31%、4.58%和3.70%。隨著深度的增加，水分的遷移量逐漸減小，在路基最深處，水分遷移量為負(fù)值，說(shuō)明在封閉環(huán)境中當(dāng)溫度降低時(shí)，路基內(nèi)部水分遷移至冷端。當(dāng)溫度為+12 ℃時(shí)即融化狀態(tài)時(shí)，距離路基不同位置處的水分遷移量很小，基本在初始含水率16.8%周圍波動(dòng)，說(shuō)明在低溫時(shí)水分遷移的主要因素，當(dāng)溫度降低時(shí)，水分遷移至冷端，路基土體水分增加，產(chǎn)生凍結(jié)。當(dāng)溫度為正溫時(shí)，路基土體水分基本不會(huì)產(chǎn)生遷移。

圖11 凍融過(guò)程中的水分遷移曲線Fig.11 Water migration curve during freezing and thawing

3 結(jié)論

本文通過(guò)填筑路基實(shí)體模型，進(jìn)行普通試驗(yàn)段和鹽化試驗(yàn)段的凍融循環(huán)試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

(1)隨著環(huán)境溫度的變化，路基不同位置處各點(diǎn)均呈現(xiàn)出與環(huán)境溫度一樣的趨勢(shì)，出現(xiàn)峰值和谷值，路基土體內(nèi)部溫度滯后于環(huán)境溫度約36 h。

(2)越靠近冷端的位置，溫度波動(dòng)范圍越大，路基土體內(nèi)部溫度的波動(dòng)范圍約為環(huán)境溫度波動(dòng)的一半，隨著深度的增加，路基土體內(nèi)部溫度逐漸減小，溫差也逐漸減小。

(3)普通試驗(yàn)段和鹽化試驗(yàn)段路基土體凍脹最大值分別為0.23 mm、0.06 mm，鹽化之后凍脹減小73.9%，說(shuō)明鹽化對(duì)于路基土體的凍脹有一定的抑制的作用，人工鹽化路基土整治路基凍害是可行的。

(4)在試驗(yàn)進(jìn)行的四個(gè)周期內(nèi)，隨著溫度的周期性變化，封閉環(huán)境中鹽分遷移量較小，最大為0.1%。

(5)普通試驗(yàn)段和鹽化試驗(yàn)段水分遷移最大值分別為7.98%和4.58%，遷移最大值處深度分別為0.2 m和0.4 m，隨著深度的增加，水分的遷移量逐漸減小，在路基最深處，土體水分遷移量較小。溫度是影響水分遷移的一個(gè)主要因素，越靠近冷端，水分遷移量越大。