路基水鹽遷移特性及對路基路用性能影響的試驗研究

張明亮，李彬，田亮，王云峰，裘友強，劉軍勇

(1.呼和浩特市公路工程局，內蒙古 呼和浩特 010070；2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司)

在中國強鹽漬土地區(qū)，路基一般為低路堤，高度一般為2 m左右，由于地基土及地下水的高礦化度且強蒸發(fā)的區(qū)域環(huán)境，更易造成低路基的次生鹽漬化，最終導致路基產生鹽脹、溶蝕等病害。根據(jù)對察爾汗鹽湖和西北部其他強鹽漬土地區(qū)的調查，由于公路早期建設對路基次生鹽漬化危害重視不夠或技術局限，再加上當時經濟水平、建設條件等因素的限制，采取的路基阻鹽措施技術水平滯后，沒有發(fā)揮有效的作用，路基均出現(xiàn)了不同程度的次生鹽漬化和相應的病害。因此，揭示在毛細勢作用下公路路基水鹽遷移規(guī)律，并提出次生鹽漬化對路基路用性能影響量值是保證強鹽漬土地區(qū)公路路基穩(wěn)定性亟需解決的技術問題。

鹽漬土地區(qū)路基水鹽遷移研究始于20世紀70年代，中國相關科研院所針對鹽漬土中的毛細水上升高度、凍結深度和治理措施等進行了相關的試驗和理論研究，取得了一定的研究成果。董斌等對鹽漬土進行了室內毛細水和鹽分上升高度試驗，得到毛細水、鹽分上升高度與時間的關系曲線，并分析了影響因素和變化規(guī)律；包衛(wèi)星等以新疆喀什地區(qū)10余處天然鹽漬土為研究對象，進行室內凍融循環(huán)試驗，揭示了天然鹽漬土在凍融循環(huán)過程中水分和鹽分遷移規(guī)律及抗剪強度的變化情況，提出了經過多次凍融循環(huán)，低液限黏土試樣水分和鹽分自下而上遷移，試樣黏聚力自下而上線性減小，內摩擦角呈S形分布；邴慧等通過不同凍結方式下鹽漬土水鹽重分布規(guī)律的室內試驗，分析了季節(jié)性凍土區(qū)凍融循環(huán)條件對普通土或鹽漬土鹽分遷移的影響。

從研究現(xiàn)狀來看，多集中在室內模擬毛細水和鹽分遷移規(guī)律，已有研究成果呈現(xiàn)碎片化的特點，鮮有針對水鹽遷移對路基路用性能影響的試驗研究。鑒于此，該文依托青海省察格高速公路察爾汗鹽湖區(qū)段路基工程，基于豎管法試驗原理，通過自主設計制作的試驗設備進行室內試驗，以含砂低液限粉土、粉土質砂、礫類土為研究對象，揭示水分、鹽分在不同土類路基中的上升規(guī)律，確定毛細水在不同土樣中的上升高度與鹽漬化程度以及次生鹽漬化對路基路用性能的影響量值。

1 試驗方案設計

1.1 試驗土樣

試驗所用土樣、鹵水等均取自察格高速公路察爾汗鹽湖區(qū)段，根據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗規(guī)程》對其各項基本工程性質指標進行測定，結果見表1、2。

根據(jù)JTG D30-2015《公路路基設計規(guī)范》，由表1可知：樁號K619+000、K624+000的鹽漬土土樣，不均勻系數(shù)Cu<5，前者曲率系數(shù)Cc<1，后者曲率系數(shù)Cc>1，均屬于級配不良含砂粉土的范疇；另一方面，在黎明山料場取的土樣，不均勻系數(shù)Cu=27.81>5，曲率系數(shù)Cc=1.7>1，屬于級配良好礫的范疇。

表1 水鹽遷移試驗土樣物理性質

同理，由表2可知:路用性能試驗所采用的粉土和砂類土，前者不均勻系數(shù)Cu<5，曲率系數(shù)Cc=1.64>1，屬于級配不良含砂粉土；后者不均勻系數(shù)Cu>5，曲率系數(shù)Cc=0.43<1，屬于級配良好礫類土的范疇。

表2 路用性能試驗土樣物理性質

1.2 試驗儀器

為盡量與現(xiàn)場路基水鹽遷移實際情況一致，減少試驗設備尺寸效應對結果的影響，基于豎管法試驗原理，對水鹽遷移試驗儀器進行了設計，如圖1所示。

圖1 試驗儀器設計示意圖

試驗筒采用透明亞克力材料制作，在圓筒下端每間隔2 cm設置一系列圓孔(直徑0.5 cm)，鹵水通過圓孔注入底座中；另一方面，為了保持供應水位高度，注入鹵水時應從底座進水口進入、出水口排出并循環(huán)利用，其供應水量約為1.5 L/d，并采用止水夾控制供應導管，保證試驗過程中地下水水位恒定。

1.3 試驗步驟

根據(jù)察格高速公路察爾汗鹽湖區(qū)路基基底溫度監(jiān)測，溫度在(20±5)℃范圍內的鹽分溶解度最大，其水分遷移引起的鹽分遷移量最大，對路基造成的次生鹽漬化最為嚴重。為分析最不利工況對路基次生鹽漬化的影響，試驗溫度控制在(20±5)℃；室內毛細水遷移試驗地下水位擬定為最不利水位——零水位，飽和鹵水供應，采用能保持恒定水位的盛水器皿控制。水鹽遷移試驗具體試驗步驟如下：

(1)將土樣烘干、磨細、篩分，進行易溶鹽含量測定試驗，按每層0.05 m厚裝填土樣，采用重錘擊實(壓實度為93%)，計算每層土樣質量。

(2)注入鹵水，其水面應高于土樣0.02 m，并啟動止水夾保證水位不變。

(3)進行毛細水上升高度觀測，觀測時間為90 d，第1 d每間隔2 h觀測1次，之后每天觀測1次，做好相關記錄。

(4)建立毛細水上升高度h隨時間t的變化曲線。

(5)毛細水上升穩(wěn)定后，測定每層土的含水率、含鹽量，共做兩組平行試驗求其平均值，并繪制含鹽量隨高度變化的曲線。

另一方面，該文路用性能的測定指標為CBR，其試驗方法主要按照JTG E40-2007《公路土工試驗規(guī)程》進行。

2 試驗結果與分析

2.1 含砂低液限粉土水鹽遷移試驗結果與分析

樁號K624+000處的土樣為含砂低液限粉土(非鹽漬土)，屬于細粒土的范疇，其細粒含量高達57.67%，初始含水率為11.3%，初始含鹽量為0.07%。觀測時間為90 d，毛細水上升穩(wěn)定后，測定各層土樣含水率與含鹽量，試驗結果如圖2所示。

圖2 含砂低液限粉土水分和鹽分遷移高度曲線

從圖2可以看出：

(1)粉土水分沿試樣高度重分布情況為：以試樣高度35 cm為拐點，5～35 cm高度范圍含水率隨高度逐漸變大，在35～190 cm高度范圍含水率隨高度逐漸降低；在85 cm高度處，水分蒸發(fā)量與毛細水上升補給量相平衡，含水率與初始含水率基本持平，為11.0%，表明該土樣毛細水最大上升高度為85 cm。此外，試樣高度60～65 cm范圍含水率為14.1%～13.0%，試樣的塑限為13.8%，可以判定該土樣有害毛細水上升高度約為60 cm。

(2)粉土鹽分沿試樣高度重分布情況為：從含鹽量最大值10.03%逐漸降低，50 cm高度處降低至最低值，其含鹽量為0.38%，略大于弱氯鹽漬土含鹽量標準，結果表明試樣的次生鹽漬化高度為50 cm；試樣高度50～190 cm范圍內，含鹽量為0.1%～0.07%，按含鹽量分類，50 cm以上高度試樣屬于非鹽漬土。鹽漬化界限以上高度試樣含鹽量略大于初始含鹽量的原因是：有害毛細水以上那部分無害毛細水上升和蒸發(fā)，造成“鹽隨水遷，水去鹽留”，試樣含鹽量略有增加。

對比該土樣的水、鹽遷移高度可知，試樣的次生鹽漬化高度與有害毛細水上升高度相當(后者略高)。在有害毛細水上升高度范圍內，存在自由水參與毛細運動，攜帶鹽分向上遷移，從而導致鹵水面以上試樣的次生鹽漬化。由于鹽漬土含鹽量測定試驗比較繁瑣和費時，而有害毛細水上升高度試驗方法簡單，可通過室內試驗或原位測試得出。因此，可以從有害毛細水上升高度來判定路基發(fā)生次生鹽漬化的高度。

2.2 粉土質砂水鹽遷移試驗結果與分析

樁號K619+000處的弱氯鹽漬土為粉土質砂，其細粒含量為43.71%，也屬于細粒土的范疇，初始含水率為12.1%，初始含鹽量為0.54%。同理，觀測時間為90 d，毛細水上升穩(wěn)定后，測定各層土樣含水率與含鹽量，試驗結果如圖3所示。

圖3 粉土質砂水分和鹽分遷移高度曲線

從圖3可以看出：

(1)粉土質砂(弱氯鹽漬土)試樣的含水率、含鹽量沿高度重分布情況與低液限粉土試樣含水率、含鹽量的重分布情況相似：其含水率沿高度方向先從低至高，20 cm高度處含水率達到最大值16.9%，之后沿高度逐漸變低。試樣在0.75 m高度處的含水率為11.3%，其值大致和初始含水率相同；此外，在該高度上下0.25 m范圍內的含鹽量平均值為0.82%，其值大于初始含鹽量，故可確定0.75 m為該土樣毛細水最大的上升高度。

(2)該土樣含鹽量沿高度的變化曲線是由大逐漸變小，0.30 m高度為轉折點，0.30 m以上高度含鹽量基本趨于穩(wěn)定。在0.30 m高度處的試樣，其含鹽量為1.0%，其值與界限含鹽量基本相同，已屬于中鹽漬土的范疇，可判斷在鹵水供應條件下鹽漬土鹽漬化程度變化的最大臨界高度為0.3 m。高度40 cm處試樣含水率約等于塑限(15%)，有害毛細水上升高度為40 cm，這與鹽漬土鹽漬化程度變化的最大臨界高度相當。

2.3 礫類土水鹽遷移試驗結果與分析

礫類土屬于粗粒土的范疇，其粗粒含量高達98.7%，初始含水率為0.4%，初始含鹽量為1.32%。觀測時間同樣為90 d，毛細水上升穩(wěn)定后，測定各層土樣含水率與含鹽量，試驗結果如圖4所示。

從圖4可以看出：① 礫類土含水率沿高度從大至小變化，高度55 cm處為明顯的拐點，含水率為0.3%，其以上高度含水率穩(wěn)定在初始含水率附近。從初始含水率界限與含水率曲線的交點判斷，毛細水最大上升高度為55 cm；② 礫類土含鹽量沿高度的變化曲線與含水率曲線類似，在高度55 cm處含鹽量與初始含鹽量基本相等，其上高度含鹽量穩(wěn)定在初始含鹽量附近，鹽分遷移高度為55 cm，與毛細水最大上升高度一致。

圖4 礫類土水分和鹽分遷移高度曲線

根據(jù)JTG D30-2015《公路路基設計規(guī)范》關于粗粒鹽漬土鹽漬化程度分類的標準：在0.45 m處的試樣，其含鹽量為2.49%，略超過2%的界限含鹽量，屬于弱鹽漬土的范疇；可知在鹵水供應條件下，0.45 m為礫類土的次生鹽漬化臨界高度。

2.4 路用性能試驗結果與分析

為了分析水鹽遷移作用對公路下路堤路用性能的影響，以依托工程路基填料礫類土和粉土為研究對象，基于水鹽遷移試驗結果，采用在原樣土中摻拌適量鹵水的方法制備預先擬定的含水率和含鹽量試樣，試件分別采用壓實度93%壓實成型，進行加州承載比(CBR)測定試驗，試驗結果如圖5、6所示。

圖5 粉土路堤CBR隨含鹽量的變化曲線

從圖5可以看出：隨含鹽量的增加，粉土填料CBR值整體上呈減小趨勢，次生鹽漬化引起路堤土體含水率和含鹽量的增加，導致其強度降低，當含鹽量超過5.189%后，其貫入量2.5 mm的CBR值將逐漸小于3%，強度值已不能滿足JTG D30-2015《公路路基設計規(guī)范》對下路堤最小承載比的要求，此時，次生鹽漬土路堤鹽漬化程度為強鹽漬土。

從圖6可以看出：礫類土路堤填料CBR值隨含鹽量的變化規(guī)律與粉土路堤填料不同。礫類土路堤填料CBR隨含鹽量的增加逐漸增大至峰值，其后，隨含鹽量的增加，其CBR值逐漸減小，CBR峰值對應含鹽量為3.58%。

圖6 礫類土路堤CBR隨含鹽量的變化曲線

對比圖5、6可以得知：在路堤發(fā)生次生鹽漬化后，對于粉土(細粒土)路堤，受次生鹽漬化程度影響較大，當次生鹽漬化程度達到強鹽漬土后，其強度將不再滿足規(guī)范與設計要求；對于礫類土(粗粒土)路堤，其強度同樣受次生鹽漬化的影響，但影響較粉土弱，路堤次生鹽漬化后，其強度仍能滿足規(guī)范要求。從滿足路堤強度角度考慮，對于細粒土填料填筑的路堤，應采取有效措施防止或降低其次生鹽漬化的影響。

3 結論

(1)基于自主研發(fā)的水鹽遷移試驗裝置，揭示了水分和鹽分遷移規(guī)律：在毛細水上升過程中，水分攜鹽分上升，毛細作用降低，造成試樣含水率隨試樣高度的增加先從小到大變化，達到最大值后又逐漸降低；而含鹽量隨試樣高度的增加從高至低逐漸變化，最后趨于穩(wěn)定。

(2)毛細勢作用下非飽和土路基水鹽遷移試驗結果表明，含砂低液限粉土(非鹽漬土)、含砂低液限粉土(弱鹽漬土)與礫類土路堤毛細水最大上升高度分別為85、75和55 cm，有害毛細水上升高度分別為60、40和45 cm，次生鹽漬化高度分別為50、30和45 cm。

(3)水鹽遷移作用均造成了粉土路基和礫類土路基路用性能的降低，粉土填料CBR值整體上隨含鹽量的增加呈減小趨勢，而礫類土路堤填料CBR值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，相比而言，次生鹽漬化對粉土路基路用性能的影響更甚。

(4)通過鹽分在不同土類路基填料中的遷移規(guī)律研究，為之后分析隔斷層位置及其阻鹽效果奠定了基礎，為進一步完善有效的隔斷層設置技術提供了指導。