羅布泊天然亞硫酸鹽漬土鹽-凍脹試驗(yàn)研究

胡浩

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

新疆羅布泊地區(qū)鹽漬土分布廣泛，尤以亞硫酸鹽漬土最為突出，該地區(qū)鹽漬化程度高，鹽脹、鹽漬化軟土發(fā)育明顯[1,2]。隨外界環(huán)境的變化，鹽漬土固相中包含的易溶鹽會(huì)溶解轉(zhuǎn)化為液相，又因水分蒸發(fā)鹽分結(jié)晶而成固相?？扇茺}在反復(fù)溶解與結(jié)晶過程中，頻繁出現(xiàn)積鹽與脫鹽，最終造成凍脹、鹽脹和融沉等問題[3]。本文旨在研究鹽漬土在多次凍融循環(huán)下的鹽-凍脹累加規(guī)律，為保障工程運(yùn)行安全和鹽漬土化程度高的地區(qū)項(xiàng)目施工、設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案及試樣基本參數(shù)

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土樣為天然亞硫酸鹽漬土，試驗(yàn)土樣取自羅布泊片區(qū)省級(jí)道路S235 沿線。為保證試驗(yàn)土的最大干密度為93%，采用輕型擊實(shí)法對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行擊實(shí)。試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場為20 ℃，經(jīng)7 個(gè)循環(huán)周期，每個(gè)循環(huán)周期為48 h，由凍融循環(huán)設(shè)備測定試驗(yàn)土在每個(gè)周期的鹽凍脹量及累加數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)方法

該地區(qū)降水量較小，晝夜溫差大。試驗(yàn)保持冷端階梯式持續(xù)降溫升溫，采用室內(nèi)開放系統(tǒng)大尺寸模擬試驗(yàn)，分析試樣在經(jīng)歷反復(fù)的溫度變化時(shí)的鹽-凍脹量。

試驗(yàn)步驟：在室溫下，將試驗(yàn)土密封養(yǎng)護(hù)24 h，成型后，用輕型擊實(shí)法單向擊實(shí)至所需干密度，然后分12 次裝入高60 cm、內(nèi)徑30 cm 的有機(jī)玻璃桶中；采用凍融循環(huán)儀控制升降溫，考慮到羅布泊地區(qū)冬季極端的氣溫變化，現(xiàn)設(shè)定上部冷端溫度為-25 ℃，下部暖端始終控制在+5 ℃，見圖1。

圖1 冷端升降溫示意圖

羅布泊地區(qū)羅中氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：該地區(qū)歷史氣溫變化范圍-22.7～48.0 ℃，最大晝夜溫差達(dá)38.2 ℃。上下制冷頭都可調(diào)設(shè)溫度（溫度區(qū)間-30～100 ℃），以實(shí)現(xiàn)溫度變化時(shí)土壤是從頂端向底端逐漸變化的過程；采用保溫材料包裹有機(jī)玻璃桶以隔離外界熱交換，模擬現(xiàn)場的一維溫度傳遞，使土樣可以縱向自由膨脹。在有機(jī)筒體周圍開孔安裝溫度測量裝置，由TES-1310 溫度儀監(jiān)測不同深度土層溫度，制冷頭上部安裝位移測量百分表，可直接顯示土體鹽-凍脹變形量大??；在有機(jī)筒底部通過四通管連接外部補(bǔ)水裝置模擬地下補(bǔ)水，為使補(bǔ)充的鹽水濃度與地下水含鹽濃度相近，取當(dāng)?shù)佧u水從低端自下而上補(bǔ)水。試驗(yàn)裝置示意圖見圖2。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

1.3 試驗(yàn)土樣的基本性質(zhì)

按照SL 237-1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》，對(duì)試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析，測定基本參數(shù)[4]，見表1、表2。

表1 易溶鹽漬土試樣中各離子含量

表2 試樣基本參數(shù)

按照GB 50021-2009《巖土工程勘察規(guī)范》中對(duì)鹽漬土分類[5]，此次試驗(yàn)用天然鹽漬土，屬強(qiáng)鹽漬土。

2 鹽脹累加試驗(yàn)結(jié)果分析

通過凍融循環(huán)試驗(yàn)得到亞硫酸鹽漬土鹽脹累加試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制成關(guān)系曲線[6,7]，見圖3。

圖3 亞硫酸鹽漬土的鹽脹累加過程線

由圖3 可知：

1）在第1次循環(huán)周期，土體的傳熱性不好，鹽脹量的增長幅度不明顯。當(dāng)頂端溫度緩慢降低2 h后，鹽脹量緩慢增大，說明土樣體積變化對(duì)溫度變化敏感，鹽脹作用較顯著。

2）在第2—6 次循環(huán)過程中鹽脹增長較快，這主要是由于硫酸鹽漬土的鹽脹屬于結(jié)晶鹽脹，即土樣空隙中的鹽水因失去水分而結(jié)晶成鹽分，引起土體體積膨脹。

3）第7 次循環(huán)后累加鹽脹量最大為3.14 mm。

3 結(jié)論

1）亞硫酸鹽漬土變形過程可劃分為3 個(gè)階段：第一階段冷縮與鹽脹，隨著溫度的緩慢降低引起土體的冷縮，在冷縮與鹽體積膨脹的共同作用下使土體產(chǎn)生鹽脹；第二階段為鹽脹與凍脹，溫度降低一段時(shí)間后水固結(jié)成冰，硫酸鈉溶解度急劇降低，多余的硫酸鈉吸收的10 個(gè)水分子不斷結(jié)晶析出，形成Na2SO4·10H2O，使土體產(chǎn)生鹽-凍脹；第三階段為升溫回落階段，即冰融化與晶體溶解。

2）在溫度逐漸升高階段，鹽脹量急劇下降，開始時(shí)下降較明顯，而后期下降幅度較緩。原因是土體的孔隙可容納硫酸鈉的膨脹量，融化階段融化穩(wěn)定值趨于穩(wěn)定。雖然升溫階段使融化下沉量增大，但硫酸鹽具有較好的鹽脹累加性。當(dāng)融沉增量逐漸減少，減小到一定程度趨于不變，使融化下沉值趨于穩(wěn)定。

3）羅布泊亞硫酸鹽漬土的鹽脹累加速度在第4 次凍融循環(huán)后逐漸降低，7 次凍融周期最大累加鹽脹量為3.14 mm。