基于路堤填筑試驗的粗粒鹽漬土路基防治對策研究

李論基，趙天宇,2，王騎虎，王朋偉，王偉鋒

(1.甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司， 甘肅 蘭州 730030；2.蘭州大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730000)

我國西北甘肅、青海、新疆等地處于西北內(nèi)陸腹地，屬于典型的干旱半干旱內(nèi)陸性氣候，典型內(nèi)陸寒旱區(qū)鹽漬土或鹽漬類土分布廣泛。西北地區(qū)已建公路鹽漬土病害主要為鹽脹、翻漿、路面起伏、坑槽等路基路面病害，嚴重制約了經(jīng)濟發(fā)展和公路行車舒適度。而且，鹽漬土內(nèi)含有的可溶鹽能夠與建筑材料發(fā)生化學反應，改變建筑材料的原有性質，使材料發(fā)生化學劣化，對公路構筑物造成腐蝕危害，嚴重影響構筑物的使用年限和正常運營。在鹽漬土地區(qū)，優(yōu)質路基填料的遴選和適宜性及鹽漬土病害處治問題已成為公路工程地質勘察設計過程中新的挑戰(zhàn)。

國外學者對于鹽漬土工程特性的研究主要集中在鹽漬土改良方面，如利用粉煤灰、水泥、火山灰、蛋白生物制劑、膠凝材料、筋材等進行鹽漬土改良工作，并從CBR、無側向抗壓強度、抗剪強度、三軸測試等方面，闡述了改良土體的工程特性，在鹽結晶理論分析方面也進行了大量的工作[1-12]。國內(nèi)學者對于鹽漬土的研究主要集中在西北內(nèi)陸、濱海沿線、東北內(nèi)陸鹽沼區(qū)域。對于內(nèi)陸寒旱區(qū)鹽漬土的研究主要以西北內(nèi)陸鹽漬土為研究對象，研究方法主要為室內(nèi)試驗、SEM、模型試驗、數(shù)值分析，研究內(nèi)容主要涉及幾個方面：①鹽脹、溶陷、翻漿、腐蝕機理研究，這方面的研究已經(jīng)進行了大量的工作，取得了可觀的成果，但研究對象大多為細粒土，且集中于室內(nèi)溫濕環(huán)境下取得的成果，原生環(huán)境下的研究成果少見；②鹽漬土改良研究，主要利用水泥、石灰、粉煤灰、火山灰、礦渣、HAS固土劑、KD固化劑、SH 固化劑等進行鹽漬土的改良工作，但是對于路用效果研究較少；③鹽脹預測模型與結晶理論的研究，這方面的研究還需結合工程實踐進行深入、系統(tǒng)的研究。④粗粒鹽漬土的非飽和特性研究，這方面的研究成果，相對較少。趙天宇等[13-14]采取壓力板法和水汽平衡法研究了不同顆粒粒徑鹽漬土非飽和土水特性，對路基填料遴選與水穩(wěn)定性評價具有一定的理論指導價值。

綜上，鹽漬土研究已經(jīng)取得了客觀的成果，但也存在不足，如研究對象具有片面性，研究成果的工程應用具有局限性，同時，原生環(huán)境下鹽漬土路用性能、路基鹽脹變形規(guī)律、防治效果這方面的研究還報道較少?；诖耍M行內(nèi)陸寒旱區(qū)含鹽粗粒土路用性能、探究鹽脹變形規(guī)律與加筋防治效果研究，在正確認識西北內(nèi)陸寒旱區(qū)鹽漬土的工程地質特性、探索適宜的公路鹽漬土病害防治技術及路基填料遴選等方面具有一定的理論指導和現(xiàn)實意義。

1 內(nèi)陸寒旱區(qū)粗粒鹽漬土賦存特征

為了解鹽漬土地區(qū)公路病害情況，自蘭州出發(fā)，途徑金昌、酒泉、瓜州、柳園、敦煌、當金山、 察爾汗鹽湖“萬丈鹽橋”、格爾木、茫崖、都蘭、西寧等主要鹽漬土路段，調查高速公路和國道路基路面病害及鹽漬土特征，并沿調查路線對路基填料分段取樣進行易溶鹽測試，分析鹽漬土對相應路段造成的病害情況。在以上工作的基礎上進行挖探、天然出露剖面調查工作，重點總結土體內(nèi)鹽分的賦存規(guī)律，鹽分基本呈條帶狀與土層平行分布，可以將鹽分賦存形態(tài)歸納為四種：毛細蒸發(fā)條帶分布晶簇狀鹽分、毛細蒸發(fā)連片分布晶簇狀鹽分、富集鹽分塊狀結晶、不連續(xù)鹽華現(xiàn)象。同時，由于鹽脹變形，改變了鹽分近水平分布的形態(tài)，而在平面上呈波形分布，這種現(xiàn)象在地表下1～3 m較為顯著。大量鹽脹剖面顯示存在一鹽分富集結晶層，其決定著鹽脹變形的產(chǎn)生(圖1)。在該層下部，水鹽運移隔斷層的隔斷作用和上部鹽脹抑制層的篩濾作用共同促進了鹽分結晶鹽脹層的產(chǎn)生；在其上部，鹽脹抑制層決定了鹽脹變形的程度。已有研究表明上覆荷載對粗粒鹽漬土具有較強的抑制作用[15]，因此在路基結構設計時應設置鹽脹抑制層，該層應具有緩沖鹽脹力和提供足夠附加荷載的特點?；诖至Ｍ聋}脹結構層進行路基結構優(yōu)化設計將成為粗粒鹽漬土路基防治有效可取的方法。

圖1 粗粒鹽漬土鹽脹結構層

2 含鹽粗粒土路用性能

含鹽粗粒土作為路基填料，其含鹽量決定了其適用性，以及后期能否維持路基穩(wěn)定的重要的因素。

國內(nèi)外學者評價路基填料性能的指標主要為CBR、無側限抗壓強度、回彈模量，各指標與含鹽量、含水量關系見圖2。由圖2可知，含鹽量對角礫、礫砂土的路用性能存在一臨界值，且這一臨界值隨著粗粒土中細顆粒的增加而增大。同時，粗粒土CBR與平均含鹽量服從高斯分布，即

(1)

(2)

式中：D為平均含鹽量。

相較礫砂土，角礫土CBR與平均含鹽量的高斯分布關系相關性并不大，而與土體均勻性、細粒含量等因素有關。隨著含鹽量的增大，路基回彈模量呈驟降趨勢。Aiban等[1]研究表明浸水后鹽漬土土體CBR下降幅度非常大(圖2)，側面反映在鹽漬土路基填筑后，為保證填料長期承載性能，必須加強路基防排水措施。同時，含鹽粗粒土也需在最優(yōu)含水量條件下進行路基填筑。

圖2 粗粒土CBR、回彈模量與含鹽量、含水量關系

圖3為不同鹽漬土場地靜力載荷試驗與浸水載荷試驗結果，未浸水之前含鹽粗粒土的地基承載力特征值f[a0]相差不大，但是地基變形模量因土體的不同含鹽量表現(xiàn)出明顯的差異性，含鹽量的存在降低了粗粒鹽漬土地基的變形模量，其主要受土體溶陷性控制，一般土體溶陷性越高，在浸水條件下粗粒鹽漬土地基的變形模量衰減越明顯。浸水載荷試驗結果表明，粗粒鹽漬土大多具備溶陷性，溶陷程度與粗粒土密實度、顆粒組成、易溶鹽含量有密切相關性。

圖3 不同粗粒鹽漬土場地現(xiàn)場載荷試驗

土的無側限抗壓強度是指土樣在不受側向限制時能夠抵抗外力破壞的最大單軸強度。土體作為常用的基礎承載體或建筑材料，使用時往往要確定其承載力，因此抗壓強度是工程建設活動中考慮的重要性質。圖4所示為不同顆粒組成試樣無側限抗壓強度與土體干密度的關系。由圖4可以看出，三種土樣無側限抗壓強度隨干密度增大呈現(xiàn)不同程度地增長，粗顆粒土樣(粒徑<5 mm)增長幅度較大，細顆粒土樣(粒徑<0.5 mm)增長幅度較小。隨著干密度的增大，土的密度增大，土中孔隙數(shù)量減少，土的固結程度明顯增大，膠結程度增強，故而能夠承受并抵抗較大的外力作用。因此，密度越大試樣越不容易被外力破壞，表現(xiàn)為土的抗壓強度增大。這符合一般土的無側限抗壓強度規(guī)律，因此在路基填筑時必須嚴格控制壓實度。

圖4 鹽漬土無側向抗壓強度

3 內(nèi)陸寒旱區(qū)路基鹽脹規(guī)律與預測模型探究

基于室內(nèi)試驗研究成果，在內(nèi)陸寒旱區(qū)某鹽漬土地區(qū)分別設置不含鹽礫砂土，含鹽1.0%、2.0%礫砂土及含鹽1.0%、2.0%角礫土，探究不同含鹽粗粒土路基變形(垂向)規(guī)律，試驗段路基填料顆粒級配見表1。為探究土工膜對抑制路基鹽脹變形的作用，另外設置含鹽2.0%礫砂+土工膜、含鹽2.0%角礫+土工膜路基兩組試驗。經(jīng)取土、摻鹽、鋪設土工膜、分層碾壓等工序，按照原路基施工工藝填筑完成7種路基的鋪設工作，借助變形與溫度無線遠程監(jiān)測設備進行數(shù)據(jù)采集，路基鹽脹變形監(jiān)測曲線見圖5。

圖5 寒旱區(qū)某公路路基鹽脹變形監(jiān)測曲線

表1 試驗段路基填料顆粒級配表 %

由圖5可以看出，鹽漬土中含鹽量對路基沉降變形影響巨大，表現(xiàn)出明顯的春融凍脹及凍融循環(huán)過程。監(jiān)測結果顯示，礫類土與砂類土路用性能隨含鹽量的變化存在分異。相比砂類土，高含鹽量礫類土更易發(fā)生鹽脹變形，變形也更大。同時，一般礫類鹽漬土相較砂類鹽漬土對溫度具有更強的敏感性，但對于砂類土在臨界含鹽量情況下，其敏感性更強。在路基填筑后沉降變形過程中，初期路基處于固結沉降變形。在低含鹽的情況下，第一個冬季時不管是礫類土還是砂類土路基并未發(fā)生較大的凍脹變形，但是當固結沉降穩(wěn)定后的第二個冬季，則出現(xiàn)了明顯的凍脹變形，同時礫類土和砂類土也表現(xiàn)出凍脹變形的分異。但是，對于高含鹽量而言，則無上述現(xiàn)象，可以推斷含鹽量的大小對鹽漬土路基凍脹的起脹時間具有較大的影響。Benavente等[16]研究表明孔隙大小分布情況決定鹽分結晶深度及結晶量。通過環(huán)境掃描電鏡和X衍射觀測，小孔隙相比大孔隙更易產(chǎn)生結晶，材料表面為結晶產(chǎn)生主要部位。Yu 等[17]研究表明，當外部環(huán)境發(fā)生蒸發(fā)和降溫時，有利的鹽分與水分組合比形成后，結晶就會在過飽和溶液中產(chǎn)生。外部環(huán)境恒定時，巖土體孔隙連通、分布情況在鹽分侵蝕和結晶過程中充當重要角色，小于0.05 μm(或0.1 μm)的微孔隙在鹽分結晶中起著關鍵作用，更易產(chǎn)生結晶[18-23]。綜上，結合米海珍等[24]砂類鹽漬土起脹含鹽量的試驗結果(圖6)，分析認為路基填筑后鹽脹變形的發(fā)生存在一個孔隙、水、鹽的不利組合，即鹽脹發(fā)生存在先決條件。而上述組合作用最終表現(xiàn)為富鹽結晶層的產(chǎn)生，而該層的產(chǎn)生間接導致了路基鹽脹變形。

圖6 粗粒土起脹含鹽量-孔隙比關系[24]

從圖5可以看出鹽漬土路基鹽脹變形的產(chǎn)生嚴重依賴于環(huán)境溫度，表現(xiàn)出明顯的滯回特性，且與含鹽量密切相關。礫類土、砂類土路基產(chǎn)生的鹽脹變形隨溫度變化程度不同，見圖7，基于線型回歸可擬合得到路基鹽脹量s與環(huán)境溫度T呈線性關系，即

圖7 角礫土、礫砂土路基鹽脹變形-溫度關系曲線

s=aT+b

(3)

式中：T為地層溫度，℃；a、b為擬合系數(shù)，其值與平均含鹽量密切相關，見圖8。

圖8 a、b值與平均含鹽量之間的關系

圖9為路基不同深度范圍內(nèi)溫度隨時間變化的等值線圖。已有研究表明大氣環(huán)境溫度變化影響地層溫度變化。淺表層的地層溫度日變化經(jīng)歷白天吸熱、夜晚放熱過程，年變化經(jīng)歷夏季吸熱、冬季放熱過程。原位監(jiān)測表明，地表處溫度變化最劇烈，地層溫度變化振幅隨深度增加逐漸減小。認為存在一個由環(huán)境溫度、地層組成、地層濕度等影響因素綜合確定的臨界深度，該深度以下氣溫對地溫影響輕微，該深度以上距地表越近地溫受氣溫影響的變化越劇烈。

圖9 鹽漬土路基不同深度范圍內(nèi)溫度隨時間變化等值線圖

依據(jù)監(jiān)測結果，路面下3.5 m深度處地層溫度年變化量較小，4.0～6.0 m處地層溫度年變化量接近0。基于此，給出甘肅省河西內(nèi)陸寒旱區(qū)鹽漬土地層溫度受環(huán)境氣溫影響的臨界深度為4.0～6.0 m。但是，在1月中旬至6月中旬臨界深度會加深。

同時，研究表明地層溫度較環(huán)境溫度變化總存在一定時間的滯后，且隨著地層深度增大滯后效應越來越明顯，滯后時間越來越長，這一現(xiàn)象與升溫還是降溫過程無關。

綜合分析圖5、圖6可得出，研究區(qū)地層溫度年變化表現(xiàn)為一定周期的正弦曲線，

(4)

式中：T0為為地表處溫度振幅，℃；A為地面溫度振幅，也即離地面很近的空氣溫度，℃；tc為時間常數(shù)；ω為指溫度曲線的正弦角度，旋轉一周為2π；t為時間，d，一年按365 d計算。

表2為不同深度式(4)中各參數(shù)的擬合系數(shù)與相關性。

表2 不同深度式(4)各參數(shù)擬合系數(shù)

圖10為T0、tc、ω、A隨深度的變化關系，其計算式為

圖10 式(4)中參數(shù)隨深度h的變化關系

T0=0.259h+7.765

(5)

tc=15.222h+115.620

(6)

ω=4.059h+152.760

(7)

A=3.037h+15.110

(8)

式中：h為埋深，m。

將式(4)代入式(3)，可以得到路基鹽脹變形s鹽脹時空預測模型，即

(9)

將圖8中a、b與D關系代入式(9)，最終得到角礫土和礫砂土路基鹽脹變形預測模型為

2.636D+8.583 0≤D≤3%

(10)

1.667D-0.296 0≤D≤3%

(11)

目前，公路工程行業(yè)應用現(xiàn)行JTG C20—2011《公路工程地質勘察規(guī)范》[25]相關條款進行路基填料遴選與鹽漬土地基適宜性評價，評判結果在一些地區(qū)取得預防路基鹽脹的效果。然而，在甘肅省河西寒旱區(qū)大量公路工程實踐表明，依據(jù)判定結果進行路基填筑后，判定結果顯示填料或者場地適宜地區(qū)，皆發(fā)生了嚴重的鹽脹變形。行業(yè)內(nèi)專家開始質疑此類評判方法，但是問題仍未得到解決。因此，筆者認為基于寒旱區(qū)地溫變化模式提出容許變形量[s]，配合現(xiàn)行規(guī)范相關條款綜合進行鹽漬土地區(qū)場地與填料適宜性評價，是一種可取的方法。

4 粗粒鹽漬土路基加筋防治效果

基于鹽脹變形機理及粗粒土鹽脹結構層進行路基結構優(yōu)化設計，圖11為河西寒旱區(qū)某公路填方路基鹽漬土處治設計圖，從圖5可以看出，鋪設土工膜有效限制了路基的鹽脹變形。在清楚粗粒鹽漬土鹽脹結構層的前提下，合理設置土工膜能夠有效隔斷地下水和地表水的滲入，使路基保持干燥狀態(tài)，控制了路基中水分，使得新填筑的路基土不被次生鹽漬化侵襲，從而達到對路基凍-鹽脹的治理。

圖11 研究區(qū)填方路基鹽漬土處治設計圖(單位：cm)

粗粒鹽漬土大型路堤填筑試驗結果見圖12。由圖12可見，雖然設土工膜路基和不設土工膜路基對于溫度變化都有變形的現(xiàn)象，但對于設土工膜路基，對于溫度的變化并沒有不設土工膜路基那么敏感，說明土工膜的確可以減少路基在溫度變化時所發(fā)生的變形。路基上覆的土工膜具有“保溫減水”的效果，土工膜的保溫效果使得路基土體中的溫度變化極小，這使得路基土中的硫酸鹽很難發(fā)生反應形成芒硝晶體，從而抑制了路基的隆起。土工膜的“減水”效果是指，土工膜能阻斷自由水進入路基土體內(nèi)。當路基土體中的水分減少時，硫酸鹽沒有足夠的水分生成芒硝晶體，且路基土體內(nèi)缺少水分也會使得凍脹也被抑制。Miranda 等[26]研究表明，土體經(jīng)過加筋之后CBR得到了明顯的提高，改善了土體達到峰值強度后的軟化變形強烈的情況，降低了土體的體積變形。綜上，加筋法在粗粒鹽漬土地區(qū)路基病害防治過程中能夠達到防治目的，防治效果顯著。

圖12 粗粒鹽漬土大型路堤填筑試驗結果

5 結論

本文以內(nèi)陸寒旱區(qū)鹽漬土與路基病害調查成果為基礎，借助室內(nèi)試驗，載荷試驗、路基填筑試驗，進行寒旱區(qū)粗粒鹽漬土路基防治對策研究，得出如下結論：

(1)存在由鹽分富集結晶層、水鹽運移隔斷層、鹽脹抑制層組成的粗粒鹽漬土鹽脹結構模式。基于此，路基結構設計時應設置鹽脹抑制層，該層應具有緩沖鹽脹力和提供足夠附加荷載的特點。

(2)含鹽量與粗粒土CBR的關系服從高斯分布，存在臨界含鹽量影響粗粒鹽漬土承載性能，而且這一臨界值隨著粗粒土中細顆粒的增加而增大?？刂泼軐嵍群捅ＷC最優(yōu)含水量填筑是防治路基鹽脹的基礎，防水是保證路基承載力持久穩(wěn)定的關鍵性措施。

(3)內(nèi)陸寒旱區(qū)路基地溫隨氣溫年變化表現(xiàn)為一定周期的正弦曲線，自地表向下地層溫度變化幅度呈衰減，至氣溫影響的臨界深度后不再變化，年溫度變化臨界深度為4.0～6.0 m。研究區(qū)1.0～3.0 m深度范圍內(nèi)地層溫度變化相對較大，存在發(fā)生鹽漬土病害的可能性最大。由此，為鹽漬土地區(qū)換填、地基處理范圍及基礎埋深提供了理論依據(jù)。

(4)基于路基溫度變化模式，提出了鹽漬土鹽脹變形預測模型，并提出了給定一容許變形量[s]配合現(xiàn)行行業(yè)相關規(guī)范進行路基填料與場地適宜性評價。

(5)路基填筑試驗表明，鋪設土工布能夠很好地限制粗粒鹽漬土路基發(fā)生鹽脹變形，在限制填料軟化變形和體積變形方面具有良好的效果。

目前，鹽漬土鹽脹已經(jīng)取得了大量的研究成果，但是在河西寒旱區(qū)公路工程建設中又發(fā)現(xiàn)了新的問題。經(jīng)過對填筑路基開挖修復工程進行總結分析，發(fā)現(xiàn)大部分鹽脹部位，路基采取了加筋等防止水鹽運移富集的措施，但是仍然出現(xiàn)了半剛性基層松脹破壞的現(xiàn)象，反而下部路基土體并未發(fā)生鹽脹或者鹽脹變形很小。因此，半剛性基層中的鹽分從何而來，半剛性基層的松脹破壞機理為何就成了新的問題，解決以上問題并提出有效的防治措施成為下一步研究的方向。