含鹽量及含水率對鹽漬土凍脹規(guī)律影響試驗研究*

楊 歡,侯兆領(lǐng)

（中交三公局 第二工程有限公司, 天津 寶坻 301800 ）

0 引言

鹽漬土是鹽土和堿土及其各類鹽化、堿化土的統(tǒng)稱, 主要分布在我國西北地區(qū)。鹽漬土?xí)?dǎo)致路基出現(xiàn)鹽脹、凍脹、翻漿、溶陷等病害, 對道路的穩(wěn)定性和耐久性產(chǎn)生較大影響。隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略推進(jìn), 越來越多的西部公路、鐵路工程受到鹽漬土的影響。G215 線柳園至敦煌段位于鹽漬土地區(qū), 該線路k70～k92區(qū)段之間由于每年受疏勒河施放生態(tài)水的影響, 地下水非常豐富, 導(dǎo)致每年冬季該區(qū)段路基鹽凍較為嚴(yán)重, 給公路交通造成很大影響。

目前, 針對鹽漬土凍脹等方面的研究相對較多。李生偉[1］對寒旱區(qū)鹽漬土在凍融循環(huán)作用下的水鹽遷移規(guī)律進(jìn)行了研究綜述, 并提出了相應(yīng)的地基加固、水鹽遷移治理措施。譚仁義等[2］則研究了凍結(jié)過程中水分鹽分結(jié)晶相變對鹽漬土壓力的影響, 指出了凍結(jié)過程中凍脹力的變化規(guī)律。王景輝等[3］采用室內(nèi)土柱凍融試驗, 研究了水鹽運移情況下硫酸鹽漬土鹽凍脹規(guī)律, 分析了水鹽運移規(guī)律及其對土體鹽凍脹變形的影響。張莎莎等[4］對粗粒鹽漬土路基水熱鹽力耦合方程進(jìn)行了修正, 并進(jìn)行了試驗驗證。甘霖睿等[5］采用低溫凍土三軸試驗方法, 對季凍區(qū)鹽漬土的動應(yīng)力、動彈性模量、模量比和阻尼比等動力參數(shù)的變化規(guī)律及其主要影響因素進(jìn)行了研究。楊進(jìn)財?shù)萚6］結(jié)合青藏鐵路西格段的凍脹狀況, 研究了人工鹽漬土路基中溫度、水分、鹽分以及變形規(guī)律。王策等[7］對近年來硫酸鹽漬土鹽脹結(jié)晶破壞試驗研究的成果進(jìn)行了綜述, 并總結(jié)了相應(yīng)的研究規(guī)律。于天佑等[8］采用試驗方式, 研究了細(xì)粒硫酸鈉鹽漬土鹽凍脹特性, 分析了鹽脹與鹽凍脹的變化規(guī)律。

以上研究雖然相對較多, 但并沒有展開鹽漬土地區(qū)含鹽量對土體凍脹率的影響研究, 特別是在含水量不同時的含鹽量對土體凍脹率的影響研究, 而這些研究往往對解決或控制鹽漬土凍脹起著重要作用。因此, 本論述依托G215 線柳園至敦煌段的具體情況, 研究分析了含鹽量對鹽漬土凍脹的影響規(guī)律。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

本次試驗的土樣取自G215 線柳園至敦煌段鹽凍較嚴(yán)重區(qū)段（如圖1所示）, 沿地表向下取一定深度內(nèi)的土樣制作試件, 進(jìn)行相應(yīng)鹽凍試驗研究。經(jīng)測定, 該鹽漬土中鹽類以氯鹽為主, 硫酸鹽次之, 碳酸氫鹽含量很小, 起主導(dǎo)作用的是氯化物。

圖1 現(xiàn)場取土示意圖

1.2 試驗方案

進(jìn)行鹽漬土凍脹試驗時, 結(jié)合研究區(qū)段地基含鹽量的實際情況, 試件含鹽量取0.71%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%等五種；土樣選擇天然級配的土樣, 依據(jù)土樣最優(yōu)含水率為23%, 分別設(shè)置19%、23%、27%等三種土樣含水率。試驗溫度范圍為10 ℃～-35 ℃, 按5 ℃一級降溫。試樣放在直徑100 mm、高度150 mm 的圓筒中, 用來研究封閉不補(bǔ)水條件下含鹽量、含水率和溫度對鹽漬土凍脹率的影響規(guī)律。

1.3 實驗裝置

在試驗室內(nèi)進(jìn)行試驗時, 試件溫度及溫度變化的設(shè)置, 在可程式恒溫恒濕試驗箱內(nèi)進(jìn)行, 用以研究溫度變化對土樣凍脹率的影響。試驗時設(shè)置的最高溫度為10 ℃、最低溫度為-35 ℃, 并按照5 ℃/4 h的速率逐級降溫, 同時記錄各級溫度變化下的千分表數(shù)值和溫濕度傳感器數(shù)值。試驗裝置示意圖如圖2所示, 土樣變形監(jiān)測圖如圖3所示。

圖2 試驗裝置示意圖

圖3 土樣變形監(jiān)測示意圖

1.4 試樣制備

將現(xiàn)場取回的土進(jìn)行晾曬, 然后壓碎, 運回實驗室備用。測含水量的土則直接用塑料袋密封, 不晾曬, 直接在實驗室測含水率（如圖4、圖5 所示）。進(jìn)行試驗時, 根據(jù)計算的不同含水率、不同含鹽量等因素進(jìn)行配料和悶料。將配好的料密封靜置一晝夜（24 h）使其充分浸濕（悶料）, 然后通過在有機(jī)玻璃桶內(nèi)涂抹石蠟的方式, 使試件與筒壁之間潤滑。悶好的土樣分3次加入有機(jī)玻璃桶, 每放入一層土樣后進(jìn)行擊實和拉毛處理, 并將表面抹平后在上部蓋上玻璃蓋板。在試樣的4 cm、8 cm、12 cm 分層處插入溫濕度傳感器, 外部包裹保溫材料, 靜置8 h 后放入恒溫恒濕試驗箱（如圖4～圖7所示）。

圖4 土樣晾曬

圖5 保水土樣采集

圖6 涂抹石蠟

圖7 試樣放置

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 含水率為19%時, 不同含鹽量下凍脹率隨溫度下降的變化規(guī)律研究

當(dāng)試件的含水率為19%時, 土樣的含鹽量與凍脹率關(guān)系如圖8所示。

圖8 含水率為19%, 不同含鹽量時凍脹率隨溫度變化曲線圖

由圖8 可知, 當(dāng)試件的含水量為19%時, 隨著溫度降低, 試件的凍脹率總體呈現(xiàn)規(guī)律性變化, 但隨著含鹽量的不同, 變化規(guī)律呈現(xiàn)出不同特點。下面將曲線按溫度分區(qū)段進(jìn)行描述。

（1）10 ℃～0 ℃區(qū)段。在這一區(qū)段, 凍脹率隨溫度的降低總體呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢, 有稍微下降趨勢, 但下降量極小。比如當(dāng)含鹽量為0.71%, 溫度從10 ℃降到0 ℃時, 凍脹率僅增加了-0.01%。而對于含鹽量為2.0%、3%、4%及5%時, 凍脹率也僅增加了-0.02%、-0.03%、-0.03%、-0.03%。凍脹率出現(xiàn)負(fù)值, 說明在這一階段試件的體積沒有膨脹, 反而收縮, 同時溫度的降低對試件的影響較小。嚴(yán)格來說, 此時試件里的水分并未結(jié)冰, 試件收縮主要是由于熱脹冷縮造成的。因此此時稱為凍脹率并不準(zhǔn)確, 應(yīng)為收縮率。

（2）0 ℃～-10 ℃區(qū)段。在這一區(qū)段, 凍脹率隨溫度的降低增長較快, 同時含鹽量對凍脹率的影響具有明顯規(guī)律性?？傮w而言, 隨著含鹽量的增大, 試件的凍脹率也增大, 對于試件的凍脹率, 含鹽量5%的試件＞含鹽量4%的試件＞含鹽量3%的試件＞含鹽量2%的試件＞含鹽量0.71%的試件。由圖8 可知, 當(dāng)溫度由0 ℃下降到-10 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了0.62%；含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了0.70%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了0.81%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了0.89%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了1.06%。通過對數(shù)據(jù)的分析可知, 隨著含鹽量的增加, 試件的凍脹率也增大。

（3）-10 ℃～-20 ℃區(qū)段。在這一區(qū)段, 凍脹率隨溫度的降低仍呈增長趨勢, 但增長速率相對于0 ℃～-10 ℃區(qū)段減小。當(dāng)溫度由-10 ℃下降到-20 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了0.27%；含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了0.29%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了0.30%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了0.34%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了0.32%。由此可以看出, 隨著含鹽量的增大, 不同含鹽量試件凍脹率的增長率較為接近。

（4）-20 ℃～-35 ℃區(qū)段。在這一區(qū)段, 凍脹率隨溫度的降低增長緩慢, 增長趨勢不再明顯。當(dāng)溫度由-20 ℃下降到-35 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了0.04%；含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了0.05%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了0.07%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了0.06%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了0.07%。由此可以看出, 隨著含鹽量的增大, 不同含鹽量試件凍脹率的增長率較為接近。

2.2 含水率為23%時, 不同含鹽量下凍脹率隨溫度下降的變化規(guī)律研究

當(dāng)試件的含水率為23%時, 土樣的含鹽量與凍脹率關(guān)系如圖9所示。

圖9 含水率為23%, 不同含鹽量時凍脹率隨溫度變化曲線圖

由圖9 可知, 試件的含水量為23%時, 隨著溫度的降低, 試件的凍脹率總體呈現(xiàn)規(guī)律性變化, 但變化規(guī)律較含水量為19%有所不同。下面將曲線分區(qū)段進(jìn)行描述。

（1）10 ℃～0 ℃區(qū)段。在這一區(qū)段, 隨著溫度的降低, 試件膨脹量出現(xiàn)了負(fù)值, 也就是試件出現(xiàn)了收縮。比如當(dāng)含鹽量為0.71%, 溫度從10 ℃降到0 ℃時, 膨脹率增加了-0.08%（負(fù)值表示試件收縮）。含鹽量為2.0%時的膨脹率增加了-0.11%, 含鹽量為3.0%時的膨脹率增加了-0.13%, 含鹽量為4.0%時的膨脹率增加了-0.15%, 含鹽量為5.0%時的膨脹率增加了-0.16%。相對于含水率為19%的試件而言, 收縮量增大較明顯。試件出現(xiàn)了收縮, 主要包括兩個方面的原因：（1）土體里的水分并未結(jié)冰, 未出現(xiàn)體積膨脹現(xiàn)象；（2）土體里面的水含量增大, 導(dǎo)致試件出現(xiàn)的冷縮現(xiàn)象增大。同時, 含鹽量不同的試件收縮量也不同, 含鹽量越大試件的收縮量也越大。

（2）0 ℃～-10 ℃區(qū)段。在這一區(qū)段, 凍脹率隨溫度的降低增長較快, 同時含鹽量對凍脹率的影響具有明顯的規(guī)律性。由圖9 可知, 當(dāng)溫度由0 ℃下降到-10 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了1.01%；含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了1.12%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了1.21%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了1.41%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了1.51%。而試件含水率為19%時, 凍脹率增加值分別為0.62%、0.70%、0.81%、0.89%和1.06%。到-10 ℃時, 試件凍脹率的增長量已達(dá)到總增長量的67%, 說明0 ℃～-10 ℃區(qū)段是凍脹增加的主要區(qū)段。同時, 隨著含鹽量的增加, 凍脹率也增加。

（3）-10 ℃～-20 ℃區(qū)段。在這一區(qū)段, 凍脹率隨溫度的降低仍呈增長趨勢, 但增長速率相對于0 ℃～-10 ℃區(qū)段減小。當(dāng)溫度由-10 ℃下降到-20 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了0.33%；含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了0.35%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了0.38%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了0.32%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了0.35%。而試件含水率為19%時, 凍脹率增加值分別為0.27%、0.29%、0.30%、0.34%、0.32%, 因此隨著含水量的增加, 試件在-10 ℃～-20 ℃區(qū)段凍脹量的增加量也變大。同時, 在這一溫度區(qū)段內(nèi), 對于不同含鹽量的試件, 凍脹率的增長率也較為接近。

（4）-20 ℃～-35 ℃區(qū)段。在這一區(qū)段, 凍脹率隨溫度的降低增長緩慢, 增長趨勢不再明顯。當(dāng)溫度由-20 ℃下降到-35 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了0.08%；含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了0.07%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了0.07%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了0.05%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了0.04%。而試件含水率為19%時, 凍脹率增加值分別為0.04%、0.05%、0.07%、0.06%和0.07%, 因此在這一階段, 含水量的增加對凍脹率的影響較小。同時, 含鹽量對凍脹率變化的影響也不再明顯。

2.3 含水率為27%時, 不同含鹽量下凍脹率隨溫度下降的變化規(guī)律研究

當(dāng)試件的含水率為27%時, 土樣的含鹽量與凍脹率關(guān)系如圖10所示。

圖10 含水率為27%, 不同含鹽量時凍脹率隨溫度變化曲線圖

由圖10可知, 當(dāng)試件的含水量為27%時, 隨著溫度的降低, 試件的凍脹率總體呈現(xiàn)規(guī)律性變化, 但變化規(guī)律較含水量為23%有所不同。下面將曲線分區(qū)段進(jìn)行描述。

（1）10 ℃～0 ℃區(qū)段。在這一區(qū)段, 同樣出現(xiàn)隨著溫度的降低, 凍脹率減小的現(xiàn)象, 也就是凍脹率出現(xiàn)了負(fù)值, 試件收縮。比如溫度從10 ℃降到0 ℃, 當(dāng)含鹽量為0.71%時, 試件的凍脹率增加了-0.10%, 含鹽量為2.0%時的凍脹率增加了-0.13%, 含鹽量為3.0%時試件的凍脹率增加了-0.16%, 含鹽量為4.0%時試件的凍脹率增加了-0.19%, 含鹽量為5.0%時試件的凍脹率增加了-0.22%。而含水率為23%試件的凍脹率增加量為-0.08%、-0.11%、-0.13%、-0.15%和-0.16%, 含水量27%的試件膨脹率的數(shù)值絕對值均增大, 說明隨著含水率增大, 試件出現(xiàn)的冷縮現(xiàn)象更明顯。同時, 不同含鹽量對試件冷縮現(xiàn)象的影響更大, 含鹽量高的試件冷縮現(xiàn)象更明顯。

（2）0 ℃～-10 ℃區(qū)段。在這一區(qū)段, 凍脹率隨溫度的降低增長較快, 同時含鹽量對凍脹率的影響具有明顯規(guī)律性。由圖10 可知, 當(dāng)溫度由0 ℃下降到-10 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了1.21%, 含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了1.35%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了1.52%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了1.68%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了1.84%。而試件含水率為23%時, 凍脹率增加值分別為1.01%、1.12%、1.21%、1.41%和1.51%, 因此隨著含水量的增加, 試件在0 ℃～-10 ℃區(qū)段的凍脹率也增加。同時, 隨著含鹽量的增加, 試件的凍脹率也增大。

（3）-10 ℃～-20 ℃區(qū)段。在這一區(qū)段, 凍脹率隨溫度的降低仍呈增長趨勢, 但增長速率相對于0 ℃～-10 ℃區(qū)段減小。當(dāng)溫度由-10 ℃下降到-20 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了0.45%, 含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了0.41%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了0.37%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了0.34%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了0.33%。而試件含水率為23%時, 凍脹率增加值分別為0.33%、0.35%、0.38%、0.32%和0.35%, 因此隨著含水量的增加, 試件在-10 ℃～-20 ℃區(qū)段的凍脹量稍大于含水率為23%時的凍脹率。同時, 隨著含鹽量的增大, 試件凍脹率的增長率反而出現(xiàn)下降趨勢。

（4）-20 ℃～-35 ℃區(qū)段。在這一區(qū)段, 凍脹率隨溫度的降低增長緩慢, 增長趨勢不再明顯。當(dāng)溫度由-20 ℃下降到-35 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了0.10%, 含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了0.10%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了0.09%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了0.09%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了0.08%。而試件含水率為23%時, 凍脹率增加值分別為0.08%、0.07%、0.07%、0.05%和0.04%, 因此, 在這一溫度階段, 含水量對凍脹率的影響已經(jīng)很小；含鹽量對凍脹率的影響也很小。

3 結(jié)論

（1）隨著溫度降低, 試件凍脹率有著明顯的變化規(guī)律：在10 ℃～0 ℃區(qū)段, 試件出現(xiàn)冷縮現(xiàn)象, 但冷縮量相對較?。辉? ℃～-10 ℃區(qū)段, 試件凍脹率增長速度最快；在-10 ℃～-20 ℃區(qū)段, 試件凍脹率增長速度放緩；而在-20 ℃～-35 ℃區(qū)段, 試件凍脹率的增長趨勢已不再明顯。

（2）試件的含鹽量對凍脹率有明顯的影響, 隨著含鹽量的增加, 在相同的溫度降低幅度范圍, 試件的凍脹率也增大, 含鹽量增加幅度與凍脹率增加幅度近似呈正比。

（3）試件的含水率對凍脹率有明顯的影響, 隨著含水率的增加, 在相同的溫度降低幅度內(nèi), 試件的凍脹率也增大。