伊朗德伊高速鐵路亞硫酸鹽漬土鹽脹特性試驗(yàn)研究

楊青山，吳亞平，于天佑，蒲增剛，唐科行，王茂靖

（1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610000）

鹽漬土是指含鹽量大于或等于0.3%且小于20%，具有溶陷或鹽脹等工程特性的土。公路和一般鐵路路基的標(biāo)準(zhǔn)較低，鹽漬土在溫度、濕度的影響下產(chǎn)生的病害對(duì)線路的平順性及行車安全影響較小。而高速鐵路路基的標(biāo)準(zhǔn)較高，若路基填料處理不當(dāng)，鹽漬土產(chǎn)生的鹽脹和溶陷會(huì)在路基上產(chǎn)生擠出變形、塌陷等病害［1］，對(duì)行車安全影響較大。特別是伊朗德伊（德黑蘭—伊斯法罕）高速鐵路沿線含有大量不同類型的鹽漬土，為了減少路基填筑后病害的發(fā)生，研究該高速鐵路沿線鹽漬土鹽脹具有重要意義。

目前國內(nèi)外對(duì)鹽漬土的鹽脹和溶陷進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。高民歡等［2］研究了起脹溫度、降溫速率、成型溫度對(duì)鹽脹規(guī)律的影響，同時(shí)分析了含鹽類型、含水量對(duì)鹽脹的影響。鄧友生等［3］利用CT 掃描不同土的類型、鹽的類型、含鹽量的室內(nèi)凍結(jié)樣品，發(fā)現(xiàn)土的類型和含鹽量是決定土樣鹽脹的主要因素。任秀玲等［4］研究鹽漬土鹽脹的機(jī)理及影響因素，分析了鹽脹危害的防治方法并介紹了研究現(xiàn)狀。楊保存等［5］研究得出年度鹽脹變形量要考慮氯化鈉鹽的影響。王洪杰等［6］研究氯鹽含量超過8%的超氯鹽漬土作為路基填料的可能性及其適用條件，發(fā)現(xiàn)在干旱氣候條件下利用超氯鹽漬土作為路基填料是可行的。李寧遠(yuǎn)等［7］通過常規(guī)化學(xué)分析和X 射線衍射分析來確定鹽漬土的主要含鹽成分，分析了硫酸鹽漬土的膨脹原因和膨脹過程，初步研究了氯鹽漬土消減硫酸鹽漬土膨脹的途徑。陳冉［8］對(duì)鹽分不均勻分布的硫酸鹽漬土進(jìn)行了鹽脹高低溫循環(huán)試驗(yàn)，提出上隔下疏型路基結(jié)構(gòu)可減輕硫酸鹽漬土鹽脹變形對(duì)道路工程的影響。

目前國內(nèi)外對(duì)鹽漬土鹽脹的研究主要針對(duì)硫酸鹽類鹽漬土以及細(xì)粒類土對(duì)鹽脹的影響，而對(duì)粗粒鹽漬土、亞硫酸鹽對(duì)鹽漬土鹽脹的影響研究較少。在德伊高速鐵路沿線，大部分鹽漬土的含鹽類型為硫酸鹽與氯鹽共存，部分地區(qū)粗顆粒土的鹽脹系數(shù)一直沒有確定。因此，通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M當(dāng)?shù)貧鉁?，研究含鹽量對(duì)亞硫酸鹽漬土鹽脹特性的影響，并為確定當(dāng)?shù)佧}漬土鹽脹系數(shù)提供參考。

1 鹽漬土鹽脹試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

選擇GDJS-150 冷熱交變?cè)囼?yàn)箱來模擬土壤在溫度交替下的變化。通過在測定箱外添加錫紙泡沫保溫層，使試驗(yàn)效果達(dá)到豎向一維，在測定箱內(nèi)壁均勻涂抹凡士林以減小摩擦。將土體分層壓實(shí)埋設(shè)，使試驗(yàn)中土體的壓實(shí)系數(shù)一定。為保持試驗(yàn)設(shè)定溫度，在土樣中埋設(shè)溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測土體溫度。分層添加沉降標(biāo)測量土體的實(shí)時(shí)鹽脹量，土層壓實(shí)及設(shè)備埋設(shè)后用位移百分表測量，百分表量程為0～10 mm。

1.2 土樣配置

試驗(yàn)用土以德黑蘭天然鹽漬土為試驗(yàn)材料，通過顆粒篩分對(duì)粒徑進(jìn)行劃分，分別制備粒徑為0.075～60 mm 的11 種原始試樣。根據(jù)土顆粒分布情況，將不均勻系數(shù)CU＞5 和曲率系數(shù)CC=1～3 時(shí)土的級(jí)配定義為良好級(jí)配，其他類型均為不良級(jí)配［9］。以粗、細(xì)顆粒（以粒徑R=5 mm 為分界粒徑）的含量之比作為級(jí)配粒徑指標(biāo)，進(jìn)行粗顆粒鹽漬土的配置。最終選定粗細(xì)顆粒比為0.429。試驗(yàn)用顆粒土篩分結(jié)果見圖1。

圖1 試驗(yàn)用顆粒土篩分結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方法

將土樣用清水沖洗后烘干。將水均勻噴灑于土樣上并攪拌均勻，根據(jù)當(dāng)?shù)赝恋淖匀缓室约巴凉ぴ囼?yàn)下的最優(yōu)含水率，配制土的含水率為16%。由于其余種類的鹽對(duì)鹽脹的影響較小，故在室溫條件下，配制純硫酸鹽、純氯化鹽、亞硫酸鹽（Cl-/SO42-=1）3 種易溶鹽含量分別為0.5%，1.0%，2.0%，3.0%，4.0%的15組土樣，其他物理參數(shù)不變。裝入測定箱內(nèi)分層壓實(shí)，參照TB 10414—2018《鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》壓實(shí)系數(shù)取0.92。在土樣中分層埋設(shè)溫度傳感器（如圖2 所示），監(jiān)測土樣溫度。按TB 10414—2018 養(yǎng)護(hù)后，依照當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，模擬當(dāng)?shù)貢円箿囟茸兓??？紤]當(dāng)?shù)?2月份氣候及光照條件，選擇與當(dāng)?shù)貧夂蝾愃频臏囟?10～5 ℃。

圖2 溫度傳感器埋設(shè)示意

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 鹽脹系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)得出的鹽脹量，計(jì)算出單位厚度鹽漬土的鹽脹系數(shù)。含鹽量分別為0.5%，1.0%，2.0%，3.0%，4.0%時(shí)，不同易溶鹽粗顆粒鹽漬土鹽脹系數(shù)見圖3。

圖3 不同含鹽量時(shí)粗顆粒鹽漬土鹽脹系數(shù)

由圖3（a）可知：5 ℃時(shí)，純硫酸鈉土樣與亞硫酸鹽土樣鹽脹系數(shù)相差1.59×10-4，變化很小，可以看作影響相似；當(dāng)溫度從-5 ℃降低到-10 ℃時(shí)，鹽脹系數(shù)增大的速率加快。這是因?yàn)闇囟仍?5 ℃以下時(shí)鹽漬土?xí)a(chǎn)生部分的凍脹從而造成土體體積增大。雖然溫度達(dá)到-10 ℃時(shí)各條曲線的鹽脹系數(shù)均達(dá)到最大值，但其鹽脹系數(shù)并不準(zhǔn)確。鹽脹系數(shù)的比較，還是應(yīng)該從-5 ℃開始研究，此時(shí)鹽脹較為準(zhǔn)確?？梢园l(fā)現(xiàn)純硫酸鈉土樣的鹽脹系數(shù)是純氯化鈉土樣的2.12倍，而亞硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)是純硫酸鈉土樣的0.49倍。

由圖3（b）對(duì)比圖3（a）可知：亞硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)曲線與純硫酸鈉土樣的間距增大；與含鹽量0.5%土樣的鹽脹系數(shù)相比，增大了1.8倍左右。亞硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)為純氯化鈉土樣的2倍。

由圖3（c）可知：亞硫酸鹽曲線在圖3（b）的基礎(chǔ)上又靠近純氯化鈉曲線。亞硫酸鹽土樣鹽脹系數(shù)接近純氯化鈉土樣的2 倍。含鹽量0.5%、溫度-5 ℃時(shí)，亞硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)相較于純氯化鈉土樣增大了2.02倍；而含鹽量2%時(shí)，亞硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)相較于純氯化鈉土樣增大了1.68 倍。其增大的倍數(shù)在減小，說明隨著Cl-總含量的增加，對(duì)其鹽脹的抑制作用越來越強(qiáng)。

由圖3（d）可知：亞硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)為純氯化鈉土樣的1.5倍。

由圖3（e）對(duì)比圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）、圖3（d）可知：隨著含鹽量的增加亞硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)曲線向純氯化鈉土樣鹽脹系數(shù)曲線移動(dòng)。純硫酸鈉鹽與純氯化鈉鹽土樣相比于圖3（d）鹽脹系數(shù)略有增加。而亞硫酸鹽土樣鹽脹系數(shù)在減小，其鹽脹曲線已經(jīng)接近于純氯化鹽土樣曲線。說明含鹽量增大到4.0%以上，亞硫酸鹽土樣中Cl-對(duì)其鹽脹的抑制接近含鹽量4.0%純氯化鹽土樣的鹽脹。可以看出純硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)相較于圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）、圖3（d）的增加量略有減小，但純氯化鈉土樣鹽脹系數(shù)依然是純硫酸鈉土樣的50%左右，而Cl-含量從0%增加到50%后鹽脹系數(shù)變化量只有之前的0.47倍，可知鹽脹系數(shù)迅速減小，鹽脹量迅速降低。

2.2 亞硫酸鹽、純氯化鹽與純硫酸鈉鹽漬土鹽脹系數(shù)的比較

通常鹽脹結(jié)晶的活躍溫度在-5～0 ℃。在此溫度下鹽脹量占總量的大多數(shù)［10］。研究氯鹽含量的改變對(duì)硫酸鹽土樣鹽脹量的影響，只需比較-5 ℃時(shí)3 種類型的含鹽土樣的鹽脹系數(shù)，計(jì)算硫酸鹽類鹽漬土中氯鹽含量的改變對(duì)硫酸鹽土樣鹽脹量的比例系數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 純硫酸鈉鹽與純氯化鈉鹽、亞硫酸鹽土樣鹽脹系數(shù)比較

由表2 可知：①比例系數(shù)k1在含鹽量0.5%時(shí)最大，達(dá)到0.47。隨著含鹽量的上升開始下降，而含鹽量3.0%時(shí)又達(dá)到最大值0.47。說明在易溶鹽含量在3.0%以內(nèi)時(shí)，純氯化鈉對(duì)純硫酸鈉鹽漬土的鹽脹比例系數(shù)約為50%。而當(dāng)易溶鹽含量大于3.0%時(shí)，比例系數(shù)迅速減小。表明隨著氯鹽含量的增多且超過3.0%，鹽脹量會(huì)迅速減小。②當(dāng)易溶鹽含量較小為0.5%時(shí)比例系數(shù)k2為0.95。隨著易溶鹽含量的增加，比例系數(shù)越來越小。特別是含鹽量4.0%時(shí)，其比例系數(shù)相比于含鹽量0.5%時(shí)降低了0.49。說明當(dāng)含鹽量增加，Cl-對(duì)硫酸鹽漬土鹽脹的抑制作用越來越強(qiáng)，在4.0%時(shí)鹽脹量減小了約1/2。

通過計(jì)算以上比例系數(shù)可以為類似工程鹽脹病害的處理提供依據(jù)。

2.3 亞硫酸鹽影響因素?cái)M合分析

根據(jù)含鹽類型為亞硫酸鹽的粗顆粒鹽漬土在不同溫度、不同低含鹽量下的鹽脹系數(shù)（見圖4），可以通過擬合分析建立計(jì)算公式。

圖4 亞硫酸鹽土樣的溫度、含鹽量、鹽脹系數(shù)關(guān)系

由圖4 可知：含鹽量從0.5%到2.0%時(shí)，鹽脹系數(shù)增加速率較快，而從2.0%到4.0%時(shí)鹽脹系數(shù)平緩下降。說明亞硫酸鹽的粗顆粒鹽漬土在含鹽量2.0%時(shí)鹽脹系數(shù)達(dá)到峰值，之后隨著含鹽量增加鹽脹系數(shù)逐漸減小。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，含鹽量為0～4%、溫度為-10～5 ℃、含水率為16%時(shí)，用Origin 擬合分析得出鹽脹系數(shù)公式為Y=（0.001 84-0.000 309 741x+0.003 36y+0.001 23y2-0.000 338 89xy）/（1-0.073 31x-0.225 67y-0.004 68x2+0.202 87y2+0.019 18xy），R2=0.988 42。式中：Y為鹽脹系數(shù)，x為含鹽量（%），y為溫度（℃）。

3 結(jié)論

1）粗顆粒鹽漬土中硫酸鈉的含量越多，結(jié)晶產(chǎn)生芒硝越多，造成的鹽脹量越大。通過亞硫酸鹽與純硫酸鹽鹽脹對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Cl-對(duì)硫酸鹽土的鹽脹特性有一定的抑制作用。含鹽量4.0%時(shí)，亞硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)近似于純氯化鈉土樣。

2）當(dāng)粗顆粒鹽漬土中為純氯化鈉鹽時(shí)，其鹽脹系數(shù)明顯比純硫酸鈉鹽的鹽脹系數(shù)要小。

3）當(dāng)粗顆粒土樣中易溶鹽含量從2.0%增大時(shí)，亞硫酸鹽的鹽脹系數(shù)相比于純硫酸鈉的鹽脹系數(shù)開始迅速減小。含鹽量4.0%時(shí)，純硫酸鈉鹽脹系數(shù)與亞硫酸鹽的鹽脹比例系數(shù)相比于含鹽量0.5%時(shí)降低了0.49。隨含鹽量的增加，Cl-對(duì)硫酸鹽漬土鹽脹的抑制作用越來越強(qiáng)。