吉林西部碳酸鹽漬土凍脹力研究

李棟國(guó)，王清, 張瑩

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院 土木學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130012；2.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院；3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院)

吉林西部分布著大范圍的碳酸鹽漬土，而且有愈來(lái)愈嚴(yán)重之趨勢(shì)，部分土層含鹽量已達(dá)3%以上。而這些鹽漬土區(qū)屬于典型季凍區(qū)，鹽漬土的鹽-凍脹破壞成為該地區(qū)鹽漬土工程的一個(gè)重要破壞形式。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)廣泛分布的硫酸鹽漬土和氯鹽漬土開(kāi)展了大量研究,并取得了從現(xiàn)象到機(jī)理等一系列的成果。該文主要針對(duì)吉林省西部農(nóng)安縣的碳酸鹽漬土進(jìn)行相關(guān)的凍脹特性分析。

土的凍脹性指標(biāo)除了變形指標(biāo)——凍脹量之外，還有力學(xué)指標(biāo)——凍脹力。對(duì)碳酸鹽漬土的凍脹研究目前主要集中在水分遷移、凍脹量?jī)煞矫?，還有學(xué)者利用灰關(guān)聯(lián)度和粗糙集理論對(duì)碳酸鹽漬土的粒度成分、擊實(shí)度、含鹽量等因素與凍脹量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，建立了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)凍脹模型。但碳酸鹽漬土的凍脹力研究很少,凍脹力相對(duì)于凍脹量的研究影響因素更多，研究手段更復(fù)雜，測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性不易保證。建筑地基基底下土層的凍脹力既有正下方土柱的法向凍脹力，也有基礎(chǔ)周邊土層的切向凍脹力，基礎(chǔ)受到的總法向凍脹力是二者的合力。受試驗(yàn)條件的限制，室內(nèi)試驗(yàn)研究主要偏重于基底正下方土柱的法向凍脹力分析，而室外試驗(yàn)進(jìn)行切向凍脹力的研究更方便。還有研究認(rèn)為基礎(chǔ)受到的凍脹力值是由基礎(chǔ)底面的接觸凍脹力和土壤內(nèi)部的凍脹應(yīng)力組成，基礎(chǔ)接觸凍脹力是通過(guò)雙層地基理論計(jì)算確定的，而凍脹應(yīng)力是由基底下土柱的凍脹力試驗(yàn)測(cè)得。該文選取與加壓板相同直徑的圓柱體試件作為基底下的土柱,在凍脹力試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行室內(nèi)單循環(huán)凍脹應(yīng)力測(cè)試，由此探討土體凍脹影響因素和機(jī)制。分析水、熱、鹽等與未凍水含量的變化關(guān)系，揭示碳酸鹽漬土在不同含水率、擊實(shí)度、含鹽量和溫度情況下的耦合凍脹規(guī)律及值域范圍,進(jìn)一步豐富碳酸鹽漬土的凍脹研究。

1 試驗(yàn)材料與條件

1.1 試驗(yàn)材料

研究用土取自吉林省農(nóng)安縣敖寶圖泡的一處旱地，其坐標(biāo)位置為N：44°20′45.94″，E：124°58′07.78″。地表呈極度干燥狀態(tài)，白色鹽堿斑塊較多。

淺層樣品，深度0～0.8 m。其粒度成分和基本物理化學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果如表1、2所示。由表1、2及地礦部DT92，確定農(nóng)安鹽漬土為弱堿性、非有機(jī)質(zhì)、級(jí)配良好、中液限、易溶鹽含量較高的粉質(zhì)亞黏土。

由表2可以看出：硫酸根和重碳酸根的含量較大，氯根含量較少。由此可知農(nóng)安鹽漬土是一種硫酸鹽和碳酸鹽混合型鹽漬土，而吉林省西部鹽漬土主要是碳酸鹽為主的碳酸鹽漬土，所以在研究農(nóng)安鹽漬土凍脹特性時(shí)一方面要重點(diǎn)考慮碳酸鹽的作用；另一方面還要綜合考慮硫酸鹽的作用。

表1 試驗(yàn)土樣基本性質(zhì)

表2 易溶鹽含量情況

1.2 試驗(yàn)條件

采用可調(diào)溫力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)，最低溫度可降至-20 ℃，控溫精度0.1 ℃，加載精度1 N。試驗(yàn)時(shí)由微機(jī)控制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和成果可以自動(dòng)成圖。在有機(jī)玻璃管內(nèi)制備直徑10 cm、高5 cm的試樣，如圖1所示,裝入測(cè)力儀內(nèi)，按照規(guī)范要求進(jìn)行凍脹力試驗(yàn)。

圖1 測(cè)試試件

研究發(fā)現(xiàn)基底下土柱在凍脹過(guò)程中，其內(nèi)部水分不但不會(huì)增加反而有向四周遷移的趨勢(shì)，所以在試驗(yàn)中采用了沒(méi)有水分補(bǔ)給的封閉系統(tǒng)測(cè)試方法。取樣表層最小含水率為9.9%，最大含水率在80 cm深度處為30%，平均含水率21%。試驗(yàn)測(cè)得該土最優(yōu)含水率為18%，結(jié)合工程施工，該試驗(yàn)土樣含水率定為16%、20%和24%幾種情況。表層最大的含鹽量為1.5%，隨深度增加含鹽量基本呈下降趨勢(shì)。隨著季節(jié)不同易溶鹽含量有一定浮動(dòng)，所以將試驗(yàn)土樣含鹽量設(shè)計(jì)為0.95%(天然含鹽量)、1.5%和2.0%共3種情況。土木工程中擊實(shí)度要求一般都在85%以上，所以此次試驗(yàn)擊實(shí)度取85%、90%和95%共3種情況。制定正交試驗(yàn)方案,如圖2所示。其中1.5%和2.0%含鹽量是由天然含鹽量鹽漬土加重碳酸鈉配制而成，主要考慮吉林西部鹽漬土鹽分經(jīng)廣泛而大量的測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)，其成分主要是重碳酸根。試驗(yàn)中共制定27種工況,81個(gè)試件,每種工況試件按1、2、3編號(hào),如1.5%含鹽量、90%擊實(shí)度、20%含水率,為1號(hào)試件。

注：該試驗(yàn)土樣最大干密度1.70 g/cm3，最優(yōu)含水率18%，調(diào)整含鹽量時(shí)摻配碳酸氫鈉。

圖2 凍脹試驗(yàn)因素水平

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 含水率與凍脹力

幾種鹽漬土的凍脹力隨溫度降低基本都成線性增大，到-15 ℃時(shí)凍脹力幾乎不再增長(zhǎng)，最大值約為300 kPa左右，如圖3所示。這主要因?yàn)橥翗又械拿?xì)水等自由水和薄膜水中的部分弱結(jié)合水到-15 ℃時(shí)其凍脹作用幾乎全部完成，而其余未凍水需要極低的溫度(-76 ℃)才會(huì)產(chǎn)生凍脹，在一般氣候條件下是不會(huì)參與凍脹作用的，其凍脹力可以忽略不計(jì), 所以凍脹力隨溫度的主要變化區(qū)間為0～-15 ℃。圖3中幾種鹽漬土的凍脹力與含水率都成正比關(guān)系(16%含水率時(shí)凍脹力都為0,所以將其省略)，20%含水率時(shí)凍脹力比較明顯，說(shuō)明碳酸鹽漬土的凍脹力產(chǎn)生的最低含水率應(yīng)該大于16%。因?yàn)楹试降蜁r(shí),水分的凍脹作用和土粒間水分的潤(rùn)滑作用越弱，而土粒間的內(nèi)摩阻力、黏聚力和引力等約束力反而增大，限制了土體膨脹，造成凍脹力不顯著。隨著含水率增大，水分凍脹作用增強(qiáng),而相關(guān)約束力減小,所以20%以上含水率時(shí)凍脹力顯著增大。黑龍江北安二龍山灌渠土在含水率大于18%時(shí)凍脹力略有下降；新疆含鹽量5.7%的天然氯鹽漬土在最優(yōu)含水率時(shí)凍脹力最大。

含水率在不同含鹽量時(shí)，作用有較大的差異，由圖3可知：天然含鹽量鹽漬土各含水率土樣的凍脹力差別較大，而1.5%和2.0%含鹽量時(shí)不同含水率土樣的凍脹力差別逐漸減小。可見(jiàn)隨著含鹽量的提高，含水率變化對(duì)碳酸鹽漬土凍脹力的影響作用在下降。分析其機(jī)理主要是鹽分中Na+具有吸附水分子形成結(jié)合水的作用，增加了未凍水中不能參與凍脹的水分含量，從而減弱了水分的凍脹作用。

圖3 不同擊實(shí)度鹽漬土含水率影響凍脹力比較

2.2 擊實(shí)度與凍脹力

幾種鹽漬土土樣的凍脹力與土樣的密實(shí)度都成正比關(guān)系，95%密實(shí)度土樣產(chǎn)生的凍脹力明顯更大，如圖4所示。新疆含鹽量5.7%的天然氯鹽漬土的鹽-凍脹力也呈現(xiàn)出伴隨干密度的增加而增加的規(guī)律。密實(shí)度決定著土樣孔隙的大小和多少，土樣越密實(shí)土孔隙就越少、越小。大孔隙中以薄膜水為主，土水勢(shì)弱，所以參與凍脹的未凍水較少；而小孔隙中以毛細(xì)水為主，土水勢(shì)強(qiáng)，未凍水含量大。據(jù)此，土樣的密實(shí)度越大其凍脹性越好。從圖4中還可以看出：幾種鹽漬土在不同含水率條件下?lián)魧?shí)度的影響程度是不同的，含水率越高，擊實(shí)度的影響力越大，其凍脹力的差別越大；而含鹽量變化對(duì)擊實(shí)度與凍脹力的關(guān)系影響不大。因?yàn)楹试礁邠魧?shí)度大的土樣中未凍水含量越多，二者起到互相促進(jìn)的作用。而土的密實(shí)度越高土顆粒越緊密，對(duì)鹽脹會(huì)有較強(qiáng)的束縛作用，所以含鹽量變化對(duì)擊實(shí)度與凍脹力的關(guān)系影響不大。

圖4 不同含鹽量鹽漬土擊實(shí)度影響凍脹力比較

2.3 含鹽量與凍脹力

農(nóng)安鹽漬土的凍脹力和含鹽量總體成反比關(guān)系，即從天然含鹽量開(kāi)始含鹽量越大凍脹力越小，如圖5所示。多數(shù)情況下1.5%～2.0%含鹽量土樣的凍脹力比較接近，與天然含鹽量鹽漬土的凍脹力差別較大。這也表明1.5%含鹽量是鹽分抑制凍脹顯著與否的一個(gè)界限含鹽量，在1.5%含鹽量以下凍脹力與含鹽量的反比關(guān)系明顯，1.5%含鹽量以上增大含鹽量對(duì)凍脹力的抑制作用不再顯著。鹽漬土中鹽分對(duì)凍脹的作用是雙向的，既有鹽結(jié)晶的促進(jìn)作用也有離子吸附結(jié)合水的削弱作用。但碳酸鹽結(jié)晶引起鹽脹的作用力較小，在很多情況下幾乎沒(méi)有表現(xiàn)。反而由于Na+吸附較多的結(jié)合水，減少了參與冰脹的未凍水含量，降低了凍脹作用，所以凍脹力在天然～1.5%含鹽量范圍內(nèi)與鹽含量成反比；當(dāng)含鹽量達(dá)到一定值后，部分離子被其他離子包裹在里面，不再具有吸附結(jié)合水的能力，所以含鹽量繼續(xù)增大對(duì)凍脹力的抑制作用不再顯著。在圖5中，天然含鹽量鹽漬土是凍脹力最大的一種情況，這主要因?yàn)樘烊畸}漬土中硫酸鹽的成分比重較大，芒硝體積膨脹較大，所以其鹽脹作用顯著；另一方面天然含鹽量鹽漬土由于含鹽量少,吸附不參與凍脹的結(jié)合水膜較少。

圖5 不同含水率鹽漬土含鹽量影響凍脹力比較

3 凍脹力影響因素評(píng)價(jià)

表3 原始數(shù)據(jù)

表4 基于粗糙集的凍脹力決策信息

表5 基于粗糙集的凍脹力影響因素權(quán)重

表5結(jié)果顯示，4種因素的重要度和權(quán)重系數(shù)大小排序?yàn)椋簱魧?shí)度>含水率 >溫度>含鹽量，擊實(shí)度對(duì)凍脹力的影響最大，含鹽量對(duì)凍脹力的影響最小。土體密實(shí)度越高，其毛細(xì)水比例也越大，所以未凍水含量越多，凍脹作用也越強(qiáng)。密實(shí)度小的土體在外荷載作用下，凍脹先向未凍土和土體松散部分發(fā)展，從而壓縮土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成凍脹力不明顯；相反內(nèi)部密實(shí)的土體，凍脹主要向外部發(fā)展，凍脹力明顯。由此可見(jiàn)雖然水是凍脹之根本，但在外荷載作用下，水的凍脹作用很大程度上取決于土體密實(shí)度大小。由于鹽脹受外荷載制約作用明顯，鹽脹力很小，鹽分主要通過(guò)對(duì)未凍水含量的影響間接影響凍脹力。因?yàn)闇囟葘?duì)凍脹力的影響是通過(guò)水分的冰凍作用產(chǎn)生的，開(kāi)始階段未凍水主要是毛細(xì)水，凍脹迅速,造成凍脹力突然上升。在溫度降到-10～-15 ℃以后，未凍水主要是薄膜水，凍脹緩慢，所以溫度是通過(guò)水分產(chǎn)生影響，且只發(fā)生在局部階段。以上原因最終導(dǎo)致了幾種影響因素的排序。研究黑龍江北安二龍山灌渠土(不含鹽)時(shí)認(rèn)為凍脹溫度對(duì)凍脹力影響最顯著，含水率影響比較顯著，土樣孔隙率對(duì)凍脹力影響不顯著。出現(xiàn)這種差別的原因一方面主要是鹽分的作用；另一方面可能是此次試驗(yàn)的溫度區(qū)間較小造成的。

在鹽漬土區(qū)的土木工程中,由于大氣溫度、含水率、密實(shí)度和含鹽量的不斷變化，如渠道底部的混凝土襯砌在土層的豎向凍脹力作用下產(chǎn)生拱裂、擴(kuò)大淺基礎(chǔ)由于切向凍脹力被抬起、樁基產(chǎn)生上拔等。為了減少這些破壞，根據(jù)上述研究成果要重點(diǎn)控制好土體的密實(shí)度和含水率。在滿足工程質(zhì)量的前提下，應(yīng)適當(dāng)降低土體的密實(shí)度和含水率以緩解其凍脹力效應(yīng)。

4 結(jié)論

(1) 碳酸鹽漬土的凍脹力隨溫度降低基本都成線性增大，到-15 ℃時(shí)凍脹力增長(zhǎng)緩慢；凍脹力的最低含水率在16%以上，隨含水率增大而增大，24%含水率時(shí)凍脹力達(dá)到300 kPa；凍脹力與密實(shí)度成正比關(guān)系，與含鹽量總體成反比關(guān)系。

(2) 粗糙集計(jì)算凍脹力4種影響因素的權(quán)重排序?yàn)椋簱魧?shí)度>含水率>溫度>含鹽量。

(3) 該文未考慮水源補(bǔ)給和凍融循環(huán)作用，下一步需要考慮模擬地下水源補(bǔ)給和增加凍融循環(huán)次數(shù)。