大慶地區(qū)碳酸鹽漬土室內(nèi)凍脹試驗(yàn)研究

郭 琳，王正君,*，趙安平，宮 瀅，姜榮輝，王嘉峪

(1.黑龍江大學(xué) a.寒區(qū)水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.水利電力學(xué)院;c.建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150080；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271017)

0 引 言

鹽漬土指自然環(huán)境中堿土和鹽土以及諸多鹽性土體和堿性土體，具有溶陷、鹽脹以及腐蝕性等特性的特殊土體[1]。由于鹽漬土的存在，除了凍脹和融沉的病害外，還有土壤鹽漬化的現(xiàn)象。

大慶地區(qū)位于松嫩平原西部,飽受土壤鹽漬化的困擾。由于全球氣候環(huán)境的變化，松嫩平原的鹽漬土面積處于高速增長的狀態(tài)[2]，加上地處高緯度季節(jié)凍土區(qū)，鹽漬土冬季凍脹、夏季融沉，凍融作用是該地區(qū)土壤鹽漬化程度不斷加劇的重要原因[3]。由于鹽漬土大多分布在氣候較為惡劣的地區(qū)，導(dǎo)致在實(shí)際工程中，除鹽脹現(xiàn)象外，還會(huì)發(fā)生凍脹現(xiàn)象，易引起道路破壞、翻漿、濕陷、腐蝕等破壞形態(tài)[4]。Wu D Y等[5]、馬馳[6]、肖澤岸等[7]的研究表明，冬季土壤凍結(jié)，鹽分隨水分從下層(非凍層)向表層(凍層)遷移，春季表層土壤融化，鹽分隨水分遷移積累在表層。由于該地區(qū)地勢平坦，夏季雖降雨較多但水不易排出，降水淋鹽作用有限。

以大慶地區(qū)鹽漬土為研究對象，根據(jù)其獨(dú)特物質(zhì)組成及理化性質(zhì)，以含鹽量和含水量為變量，利用凍脹試驗(yàn)箱進(jìn)行封閉系統(tǒng)下的凍融循環(huán)試驗(yàn)，通過位移傳感器監(jiān)測鹽漬土在凍融循環(huán)過程中位移變化，并通過三軸剪切試驗(yàn)對鹽漬土強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析討論。

1 不同因素對碳酸鹽漬土凍脹特性的影響

1.1 含鹽量對碳酸鹽漬土凍融特性影響

試驗(yàn)選取20～40 cm深度處土樣作為試驗(yàn)對象，研究含鹽量對凍融循環(huán)作用的影響，根據(jù)試驗(yàn)中不同含鹽量土樣凍結(jié)過程中溫度測試結(jié)果，利用Origin軟件繪制凍結(jié)過程不同高度見圖1。

圖1 含鹽量0.60%、1.10%、1.60%、2.10%土樣內(nèi)部凍融溫度場變化Fig.1 Change diagram of internal freezing and thawing temperature field of 0.60%、1.10%、1.60% and 2.10% salt content soil samples

由圖1可見，凍脹起始階段，土樣溫度沒有出現(xiàn)明顯分層，隨著凍脹過程進(jìn)行，土樣溫度開始分層，溫度由底部到頂部降低。對比不同含鹽量的試樣，同樣的溫度界限分層的位置不同，由溫度界限和頂部直線圍成的負(fù)溫面積也不同[8]。如果將該區(qū)域的面積定義為凍脹負(fù)溫面積，隨含鹽量的增大，負(fù)溫面積先減小后增大。由此推斷，存在一個(gè)界限含鹽量使得凍結(jié)過程中凍脹負(fù)溫面積達(dá)到最小值，將此含鹽量定義為臨界含鹽量。臨界含鹽量的存在似因與凍結(jié)過程中鹽溶解度隨溫度變化、鹽結(jié)晶放熱及水結(jié)冰放熱等鹽-水-熱耦合效應(yīng)有關(guān)。

通過辛普森公式進(jìn)行求積分計(jì)算，最終求得本次試驗(yàn)的臨界含鹽量為1.34%(圖2)。

1.2 含水量對碳酸鹽漬土凍融特性影響

試驗(yàn)選取0～20 cm深度處土樣作為試驗(yàn)對象，在其他條件不變的情況下，制備含水量為11%、14%、17%、20%的4組試樣，并通過位移傳感器檢測試樣的變化過程。

圖2 土樣凍脹區(qū)面積隨含鹽量變化曲線Fig.2 Change curve of frost heaving area of soil sample with salt content

圖3 不同含水量單次循環(huán)的時(shí)間-位移關(guān)系曲線Fig.3 Comparison curve of time displacement relationship of single cycle with different water content

不同含水量下位移隨時(shí)間變化曲線見圖3，當(dāng)變形曲線下行(呈負(fù)值)時(shí)，試樣發(fā)生凍脹或鹽脹；當(dāng)變形曲線上行(呈正值)時(shí)，試樣為融沉狀態(tài)。

由圖3可見，土樣在不同的含水量下，土柱內(nèi)的溫度變化趨勢基本一致，在恒溫階段降溫，使得土柱內(nèi)各土層溫度均勻達(dá)到0 ℃左右；單向凍結(jié)階段在12 h內(nèi)土層內(nèi)各點(diǎn)變化趨勢基本一致，凍結(jié)過程中，頂板溫度先降低，往下逐漸升高，而融化過程中，頂?shù)装鍦囟然径冀咏覝兀瑹o明顯分異。無論是凍結(jié)還是融化過程中，距離頂板最近的位置處的溫度變化幅度最大，其余各點(diǎn)均隨距離頂板冷端的增加而呈現(xiàn)溫度變化幅度遞減的現(xiàn)象。主要原因是土樣在凍結(jié)狀態(tài)過程中上下不同位置存在溫差，在頂端開始降溫凍結(jié)過程中負(fù)溫打破土柱原有平衡狀態(tài)，在向下傳遞的過程中使各土層出現(xiàn)溫度梯度變化現(xiàn)象[9]。加之由于熱阻作用使得土柱下端原有的熱能與冷端傳遞過來的負(fù)溫相抵消，進(jìn)而造成下端溫度變化幅度較上端小。就4次試驗(yàn)融化階段，降溫過程中都出現(xiàn)溫度梯度，而升溫過程中沒有，在融化前期各土層均能迅速回溫，在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到室溫20 ℃左右并保持穩(wěn)定趨勢。

2 凍融循環(huán)對碳酸鹽漬土強(qiáng)度的影響

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用固結(jié)不排水剪切(CU)試驗(yàn)對大慶地區(qū)碳酸鹽漬土進(jìn)行抗剪強(qiáng)度研究，借助凍脹箱進(jìn)行多次凍融循環(huán)，并利用GDS三軸剪切儀對試樣進(jìn)行剪切[10]。針對不同循環(huán)次數(shù)每組制作3個(gè)試樣，分別控制其圍壓為50、100、150 kPa，以ε=15%時(shí)所對應(yīng)的主應(yīng)力差值(σ1-σ3)為破壞強(qiáng)度，得到土的黏聚力(c)及內(nèi)摩擦角(φ)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對土樣進(jìn)行室溫下的CU剪切試驗(yàn)，得到對照組鹽漬土的黏聚力為67.42 kPa，內(nèi)摩擦角為17°54′。再將土樣在凍結(jié)溫度-15 ℃條件下進(jìn)行多次凍融循環(huán)，結(jié)果見圖4。

對比原狀土與凍融循環(huán)后試樣的黏聚力可見，初次凍融后鹽漬土的黏聚力顯著下降，隨循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力依然呈下降的趨勢但幅度有所減小，到第10次循環(huán)之后碳酸鹽漬土的黏聚力變化非常微小，基本趨于穩(wěn)定；10～30次循環(huán)過程中變化微小，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)；到30次循環(huán)之后減小的趨勢略有增大。可見，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力始終呈減小趨勢。

隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加內(nèi)摩擦角(φ)呈先增大后減小的趨勢(圖5)。0～10次凍融循環(huán)過程為土樣結(jié)構(gòu)的重組階段，內(nèi)摩擦角呈逐漸增大的趨勢，其中第一次凍融循環(huán)對內(nèi)摩擦角的改變最大；10～30次凍融循環(huán)過程中土體結(jié)構(gòu)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，內(nèi)摩擦角基本呈穩(wěn)定狀態(tài)；而30次循環(huán)之后土體結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)再一次被打破，內(nèi)摩擦角呈減小趨勢。

圖4 循環(huán)次數(shù)與黏聚力關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between the cycles and cohesion

圖5 循環(huán)次數(shù)與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between the cycles and internal friction angle

凍融作用能夠使得鹽漬土內(nèi)部結(jié)構(gòu)重組、疏密程度和孔隙比發(fā)生改變。當(dāng)?shù)陀趦鼋Y(jié)溫度時(shí)鹽漬土發(fā)生凍脹和鹽脹，土體內(nèi)部形成的鹽晶體和冰晶一定程度上增大了土顆粒間的距離，即孔隙增大，對土骨架造成不可逆的損傷甚至破壞；溫度升高時(shí)土體發(fā)生融陷，隨著鹽晶體與冰晶的消失，土顆粒失去鹽脹力與凍脹力的支撐而發(fā)生回落，使土顆粒之間的孔隙減小[11]。隨著凍融次數(shù)的增加，土體內(nèi)部孔隙大小及土骨架結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，從總體來看，融沉?xí)r所減小的孔隙體積不足以抵消鹽脹和凍脹時(shí)孔隙體積的增大值，碳酸鹽漬土顆粒間孔隙的增大使顆粒間原有的膠結(jié)力減弱，加上土骨架的不可逆損傷破壞，使土體的抗剪強(qiáng)度受到影響，故黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。

3 結(jié) 論

采用大慶地區(qū)碳酸鹽漬土為硏究對象，在室內(nèi)取含鹽量和含水量為變量進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，通過三軸剪切試驗(yàn)探究對碳酸鹽漬土強(qiáng)度的影響，并得出以下結(jié)論：

1)在不同含鹽量條件下，臨界含鹽量對溫度變化的影響最小。在工程中可以應(yīng)用臨界含鹽量使鹽漬土形變最小。

2)通過對土體進(jìn)行固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)土體抗剪強(qiáng)度受圍壓及凍融次數(shù)影響較大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力減小，內(nèi)摩擦角先增大后減小，土體抗剪強(qiáng)度逐漸降低，說明土體結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)被打破。