大慶地區(qū)碳酸鹽漬土室內凍脹試驗研究

郭 琳，王正君,*，趙安平，宮 瀅，姜榮輝，王嘉峪

(1.黑龍江大學 a.寒區(qū)水利工程重點實驗室;b.水利電力學院;c.建筑工程學院,哈爾濱 150080；2.山東農(nóng)業(yè)大學 水利土木工程學院，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)，導致在實際工程中，除鹽脹現(xiàn)象外，還會發(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，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)其獨特物質組成及理化性質，以含鹽量和含水量為變量，利用凍脹試驗箱進行封閉系統(tǒng)下的凍融循環(huán)試驗，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對鹽漬土強度的影響進行分析討論。

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

試驗選取20～40 cm深度處土樣作為試驗對象，研究含鹽量對凍融循環(huán)作用的影響，根據(jù)試驗中不同含鹽量土樣凍結過程中溫度測試結果，利用Origin軟件繪制凍結過程不同高度見圖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溫面積也不同[8]。如果將該區(qū)域的面積定義為凍脹負溫面積，隨含鹽量的增大，負溫面積先減小后增大。由此推斷，存在一個界限含鹽量使得凍結過程中凍脹負溫面積達到最小值，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過程中鹽溶解度隨溫度變化、鹽結晶放熱及水結冰放熱等鹽-水-熱耦合效應有關。

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

1.2 含水量對碳酸鹽漬土凍融特性影響

試驗選取0～20 cm深度處土樣作為試驗對象，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)的時間-位移關系曲線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間變化曲線見圖3，當變形曲線下行(呈負值)時，試樣發(fā)生凍脹或鹽脹；當變形曲線上行(呈正值)時，試樣為融沉狀態(tài)。

由圖3可見，土樣在不同的含水量下，土柱內的溫度變化趨勢基本一致，在恒溫階段降溫，使得土柱內各土層溫度均勻達到0 ℃左右；單向凍結階段在12 h內土層內各點變化趨勢基本一致，凍結過程中，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?，無明顯分異。無論是凍結還是融化過程中，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過程中負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溫相抵消，進而造成下端溫度變化幅度較上端小。就4次試驗融化階段，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，在較短時間內達到室溫20 ℃左右并保持穩(wěn)定趨勢。

2 凍融循環(huán)對碳酸鹽漬土強度的影響

2.1 試驗方法

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

2.2 試驗結果及分析

對土樣進行室溫下的CU剪切試驗，得到對照組鹽漬土的黏聚力為67.42 kPa，內摩擦角為17°54′。再將土樣在凍結溫度-15 ℃條件下進行多次凍融循環(huán)，結果見圖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，處于動態(tài)平衡狀態(tài)；到30次循環(huán)之后減小的趨勢略有增大?？梢?，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)過程為土樣結構的重組階段，內摩擦角呈逐漸增大的趨勢，其中第一次凍融循環(huán)對內摩擦角的改變最大；10～30次凍融循環(huán)過程中土體結構達到動態(tài)平衡狀態(tài)，內摩擦角基本呈穩(wěn)定狀態(tài)；而30次循環(huán)之后土體結構的平衡狀態(tài)再一次被打破，內摩擦角呈減小趨勢。

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

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

凍融作用能夠使得鹽漬土內部結構重組、疏密程度和孔隙比發(fā)生改變。當?shù)陀趦鼋Y溫度時鹽漬土發(fā)生凍脹和鹽脹，土體內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，土體內部孔隙大小及土骨架結構不斷發(fā)生變化，從總體來看，融沉時所減小的孔隙體積不足以抵消鹽脹和凍脹時孔隙體積的增大值，碳酸鹽漬土顆粒間孔隙的增大使顆粒間原有的膠結力減弱，加上土骨架的不可逆損傷破壞，使土體的抗剪強度受到影響，故黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。

3 結 論

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

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。在工程中可以應用臨界含鹽量使鹽漬土形變最小。

2)通過對土體進行固結不排水剪切試驗研究，發(fā)現(xiàn)土體抗剪強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，內摩擦角先增大后減小，土體抗剪強度逐漸降低，說明土體結構的平衡狀態(tài)被打破。