基于高鐵變形控制的粗顆粒硫酸鹽漬土鹽脹影響因素的試驗(yàn)研究

司培國 曹博 王茂靖 蒲增剛 唐科行

Experimental Study on the Influence Factors of Soil Salt Swelling in Sulphuric Acid Based on

Deformation Control of High Speed Iron

SI Pei-guo? CAO Bo? WANG Mao-jing;

PU Zeng-gang? TANG Ke-xing

摘要：隨著國內(nèi)外在鹽漬土地區(qū)修建的鐵路項(xiàng)目的增多，鹽漬土鹽脹導(dǎo)致的路基變形問題日益嚴(yán)重，為解決由于鹽脹特性導(dǎo)致的路基鹽脹問題，本文將綜合考慮硫酸鈉含量、級(jí)配類型、含水率作為粗顆粒鹽漬土鹽脹特性的主要因素進(jìn)行精細(xì)化研究，來研究在綜合影響因素下鹽漬土的鹽凍脹特性。在硫酸鈉含量較低的情況下，相對(duì)細(xì)顆粒硫酸鹽漬土，粗顆粒鹽漬土在不同含水率下的最大鹽脹量很小;在含水量最佳情況下，細(xì)顆粒組最大鹽脹量為0.61mm，而在自然含水率下，細(xì)顆粒組的最大鹽脹量為0.31mm，表明土體含水率是影響鹽脹的主要因素;隨著硫酸鈉含量的增加，粗粒組和中粒組鹽脹增加速率明顯緩于細(xì)顆粒組。

Abstract： With the increase of railway projects built in saline soil areas at home and abroad， the problem of roadbed deformation caused by salt expansion of saline soil is becoming more and more serious. In order to solve the problem of roadbed salt expansion caused by salt expansion characteristics， this paper will comprehensively consider the sodium sulfate content， gradation type and water content as the main factors of salt swelling characteristics of coarse-grained saline soil to study the salt heave expansion characteristics of saline soil under comprehensive influencing factors. Under the condition of low sodium sulfate content， relative to fine-grained sulphate soil， the maximum salt swell of coarse-grained saline soil under different water content is small; in the best water content， the maximum salt expansion of the fine-grained group is 0.61mm， while in natural water rate， the maximum salt expansion of the fine particle group is 0.31mm， which indicates that the soil moisture content is the main factor affecting the salt expansion. With the increase of sodium sulfate content， the salt swelling rate of the coarse grain group and the middle grain group is obviously slower than that of fine particle group.

關(guān)鍵詞：粗顆粒;鹽漬土;顆粒級(jí)配;含水率

Key words： coarse particle;salinized soil;grain composition;moisture content

中圖分類號(hào)：TU448? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）32-0188-03

0? 引言

鹽漬土的鹽脹是指自然界中土體受氣候周期變化的產(chǎn)生體積膨脹的現(xiàn)象[1]。工程中的粗顆粒鹽漬土，一般是礫徑大于2mm的粗粒組質(zhì)量大于總質(zhì)量的50%、級(jí)配良好且其含鹽總量大于0.3%的砂土或碎石土[2]。粗顆粒硫酸鹽漬土在我國主要分布在新疆北部、甘肅西部、寧夏平原等地區(qū)。隨著我國高鐵建設(shè)的迅速發(fā)展，以及國家對(duì)西部地區(qū)的不斷投資，在西部地區(qū)的硫酸鹽漬土地帶修建高速鐵路已勢(shì)在必行，必須解決粗顆粒硫酸鹽漬土對(duì)高速鐵路路基的影響。由于高速鐵路對(duì)施工精度要求高，對(duì)運(yùn)營期間路基變形量控制嚴(yán)格，因此有必要對(duì)粗顆粒硫酸鹽漬土的鹽脹展開精細(xì)化的試驗(yàn)研究。

在我國，目前對(duì)于細(xì)顆粒鹽漬土鹽脹特性的研究比較全面，對(duì)于粗顆粒鹽漬土在公路路基方面的研究也有一些，但是對(duì)粗顆粒硫酸鹽漬土對(duì)高速鐵路路基影響的研究還很欠缺。張莎莎采用數(shù)值分析的方法分析了粗顆粒鹽漬土的鹽脹特性及影響因素，為鹽漬土地區(qū)修建公路提供了理論指導(dǎo)[1]。顧強(qiáng)康、吳愛紅等通過在鹽漬土地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了不同工況下的鹽脹曲線，得出了不同影響因素下的鹽脹率公式[3]。康安棟、王春艷等研究了不同含鹽量的硫酸鹽漬土滲透系數(shù)與壓縮系數(shù)在不同含鹽量下的變化規(guī)律[4]。王一雄、張建新等采用正交試驗(yàn)，分析了硫酸鹽漬土鹽脹特性的影響因素及其規(guī)律[5]。以上許多學(xué)者針對(duì)鹽漬土的鹽脹特性做了大量試驗(yàn)研究，但并沒有對(duì)影響粗顆粒鹽漬土鹽脹特性的含鹽量、含水率等主要影響因素展開精細(xì)化的研究。

本試驗(yàn)通過室內(nèi)人工配置不同含鹽量的粗顆粒硫酸鹽漬土的方案，對(duì)所配置的鹽漬土展開外界環(huán)境溫度影響下的鹽脹試驗(yàn)，探究不同室外溫度對(duì)粗顆粒鹽漬土鹽脹特性的影響。

1? 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》對(duì)鹽漬土按含鹽量分類如表1所示，由表1可知，硫酸及亞硫酸鹽中對(duì)應(yīng)的界限含鹽量分別為0.3%、2%、5%。由于高速鐵路路基對(duì)于路基變形的高精度要求，對(duì)規(guī)范中給定的硫酸鹽漬土界限含鹽量應(yīng)適當(dāng)縮小比例，本文中所采用的硫酸鹽漬土界限含鹽量分別為0.2%、1.9%。

由于本次試驗(yàn)主要研究不同含鹽量情況下，不同級(jí)配的粗顆粒硫酸鹽漬土隨溫度和含水率的變化而引起的鹽脹特性變化，因此有必要建立粗細(xì)顆粒比的定義，用L=m1/m2表示粗細(xì)顆粒比，m1表示顆粒粒徑d大于5mm的含量的百分比，m2表示顆粒粒徑d在0.25mm到5mm之間的含量的百分比。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》對(duì)粗顆粒鹽漬土的定義，將粗細(xì)顆粒比劃分為如表2所示。

對(duì)土樣按照預(yù)定硫酸鈉含量（0.2%、1.9%）進(jìn)行配置，不同粒徑指標(biāo)的土樣分別按三種自然和最優(yōu)含水率配置，混合均勻后養(yǎng)生36h，試驗(yàn)用粒徑分布和基本參數(shù)如表3、表4所示。

表3中，級(jí)配一中大于2mm粒徑土的質(zhì)量占比都比較大，級(jí)配二中不同粒徑土的質(zhì)量占比相對(duì)較均勻，級(jí)配三中小于2mm的粒徑土的質(zhì)量占比較大。總體來說，隨著級(jí)配編號(hào)的增大，粗細(xì)顆粒比L逐漸減小，粗顆粒的含量逐漸減小。

1.2 試驗(yàn)裝置

本次室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)了粗顆粒鹽漬土鹽脹量的測(cè)試裝置。該測(cè)試裝置由測(cè)試箱和數(shù)據(jù)采集裝置組成。測(cè)試箱采用6mm厚鋼板焊接而成，能夠保證土體膨脹時(shí)側(cè)向壓力，每格箱徑為20cm，容土高度55cm，最大測(cè)試土樣粒徑60mm;選取GDJS-150冷熱交變?cè)囼?yàn)箱，在箱頂邊緣架設(shè)SIWI-10數(shù)顯式自采百分表采集鹽脹數(shù)據(jù);試驗(yàn)和測(cè)試裝置如圖1和圖2所示。

1.3 試驗(yàn)方案

鑒于使重新配置的鹽漬土在試驗(yàn)箱內(nèi)充分鹽脹，本次試驗(yàn)采用連續(xù)降溫的方案。具體試驗(yàn)步驟如下。

①將重新配置好的粗顆粒鹽漬土逐層放置于試驗(yàn)箱內(nèi)壓實(shí)，每層松鋪厚度為6cm，在試驗(yàn)箱土層不同深度處埋入溫度傳感器。

②待土體裝配完成后，將試驗(yàn)箱用錫箔紙包裹嚴(yán)實(shí)后放入GDJS-150冷熱交變?cè)囼?yàn)箱內(nèi)，試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度設(shè)定為30℃，通過溫度傳感器檢測(cè)土體溫度，待土體溫度穩(wěn)定后進(jìn)行逐級(jí)降溫，在箱頂邊緣架設(shè)SIWI-10數(shù)顯式自采百分表采集鹽脹數(shù)據(jù)。

③為了更加真實(shí)的模擬伊朗地區(qū)原狀土所在的環(huán)境條件，分為8個(gè)溫度區(qū)間，分別為30～25℃，25～15℃，15～10℃，10～5℃，5～0℃，0～-5℃，-5～-10℃每個(gè)溫度區(qū)間降溫12h。

2? 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)考慮了影響粗顆粒硫酸鹽漬土鹽脹的幾種主要影響因素，得出了不同含鹽量情況下，不同級(jí)配的粗顆粒硫酸鹽漬土隨溫度和含水率的變化而引起的鹽脹特性變化曲線。

圖3和圖4表明在硫酸鈉含量較低情況下，三種級(jí)配粗顆粒鹽漬土在不同含水率下的最大鹽脹量很小，在含水量最佳情況下，細(xì)顆粒組最大鹽脹為0.61mm，而在自然含水率下，細(xì)顆粒組的最大鹽脹量為0.31mm，最大鹽脹量相差2倍左右，粗顆粒組最大鹽脹量相差9倍左右，表明土體含水率是影響鹽脹的主要因素。

圖5和圖6反映了當(dāng)硫酸鈉含量為1.9%時(shí)，三種級(jí)配的粗顆粒鹽漬土鹽脹量有了明顯增加，在含水量最佳時(shí)，與相同含水量0.2%硫酸鈉含量的鹽漬土相比，鹽脹量分別增加了81.29%、82.29%。在自然含水率下，與相同含水率下0.2%硫酸鈉含量的鹽漬土相比，鹽脹量分別增加了78.62%、83.33%。這說明當(dāng)硫酸鈉含量不斷增加時(shí)，隨著溫度不斷降低鹽漬土不斷吸水膨脹。粗顆粒組和中顆粒組鹽脹增加速率緩于細(xì)顆粒組，在相同含鹽量和含水率下，粗細(xì)顆粒比越大土體的鹽脹特性表現(xiàn)越緩慢。

依據(jù)《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》鹽漬土的平均鹽脹系數(shù)按下式計(jì)算：δyz=Δh/S。其中鹽脹量取試驗(yàn)結(jié)果的最大鹽脹量，鹽脹影響深度依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)裝置的總高度為55cm，為了試驗(yàn)的精確性以及根據(jù)試驗(yàn)溫度的范圍取影響深度為45cm，得到不同含水率以及不同含鹽量下的最大鹽脹量鹽脹系數(shù)如表5和表6所示。

含水量最佳時(shí)，與相同含水量下1.9%硫酸鈉含量的鹽漬土相比，鹽脹量分別增加了79.10%、78.4%。在自然含水量下，與相同含水量下1.9%硫酸鈉含量的鹽漬土相比，鹽脹量分別增加了82.10%、89.71%。表明，當(dāng)硫酸鈉含量增加到一定程度時(shí)，粗顆粒鹽漬土的鹽脹特性由土體含水率、顆粒級(jí)配共同作用，僅僅考慮含鹽量是不能得出正確結(jié)論的。

當(dāng)含水量最佳時(shí)，細(xì)顆粒組和中顆粒組的鹽脹量從第二降溫階段開始持續(xù)保持增長，到第六降溫階段保持穩(wěn)定，隨著溫度的降低硫酸鈉不斷吸水膨脹導(dǎo)致鹽漬土鹽脹。在自然含水率下，細(xì)顆粒組和中顆粒組的鹽脹性從第三降溫階段開始持續(xù)增長到第七降溫階段保持穩(wěn)定，鹽脹量的增加速率明顯緩于同條件下含水量最佳鹽漬土的鹽脹增長速率，說明當(dāng)硫酸鈉含量維持在較高含量時(shí)，土體含水率對(duì)鹽漬土鹽脹起主導(dǎo)作用。

3? 結(jié)論

通過對(duì)不同含鹽量情況下，不同級(jí)配的粗顆粒硫酸鹽漬土隨溫度和含水率的變化而引起的鹽脹特性進(jìn)行鹽脹試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

①在硫酸鈉含量較低的情況下，三種級(jí)配的粗顆粒鹽漬土在不同含水率下的最大鹽脹量很小，在含水量最佳情況下，細(xì)顆粒組最大鹽脹為0.61mm，而在自然含水率下，細(xì)顆粒組的最大鹽脹量為0.31mm，最大鹽脹量相差2倍左右，粗顆粒組最大鹽脹量相差9倍左右，表明土體含水率是影響鹽脹的主要因素。

②在最佳含水率下細(xì)顆粒組鹽脹量是粗顆粒組鹽脹量的1.7倍左右，在自然含水率下細(xì)顆粒組鹽脹量是粗顆粒組鹽脹量的7.5倍左右，表明顆粒級(jí)配也是影響鹽脹量的因素之一。

③當(dāng)硫酸鈉含量不斷增加時(shí)，隨著溫度不斷降低鹽漬土不斷吸水膨脹，粗顆粒組和中顆粒組鹽脹增加速率明顯緩于細(xì)顆粒組，這是由于構(gòu)成土體的顆粒級(jí)配不同導(dǎo)致的，在相同含鹽量和含水率下，粗細(xì)顆粒比越大，土體的鹽脹特性表現(xiàn)越緩慢。

參考文獻(xiàn)：

[1]張莎莎.粗顆粒硫酸鹽鹽漬土鹽脹特性試驗(yàn)研究[D].長安大學(xué)，2007.

[2]程?hào)|幸，劉志偉，柯學(xué).粗顆粒鹽漬土溶陷性影響因素研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013，21（01）：109-114.

[3]顧強(qiáng)康，吳愛紅，李寧.硫酸鹽漬土的鹽脹特性試驗(yàn)研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（03）：283-287.

[4]康安棟，王春艷，張方濤，等.硫酸鹽漬土變形特性試驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015（18）：211-216.

[5]王一雄，張建新，等.硫酸鹽漬土鹽脹的正交試驗(yàn)分析[J].天津城建大學(xué)學(xué)報(bào)，2017（06）：418-423.

基金項(xiàng)目：中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司科研項(xiàng)目（科2016-41-2）;國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014BAG05B05）。

作者簡(jiǎn)介：司培國（1990-），男，甘肅蘭州人，碩士研究生。