硫酸鹽漬土在單向升溫時的室內(nèi)融沉試驗研究

張衛(wèi)兵， 劉臻祥， 任亞軍， 周鑫磊， 李曉， 雷過

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院， 銀川 750021； 2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心， 銀川 750021)

在中國西北干旱-半干旱地區(qū)分布有大量區(qū)域性硫酸鹽漬土，硫酸鹽漬土在氣溫降低的過程中，因其所含硫酸鈉結(jié)晶析出及土壤中的水產(chǎn)生冰晶共同作用下使土體產(chǎn)生一定體積膨脹的現(xiàn)象稱為鹽凍脹[1]，過量的鹽凍脹將引發(fā)地基的破壞。

近年來，許多學(xué)者針對于硫酸鹽漬土的鹽凍脹進(jìn)行了大量試驗研究并取得了較為豐富的研究成果。如張莎莎等[2]、丁兆民等[3]的研究表明了影響硫酸鹽漬土鹽脹的主要因素是含鹽量和含水率?；趩未谓禍貤l件，張衛(wèi)兵等[4]研究了壓實度、含鹽量、含水率對鹽凍脹率的影響；張莎莎等[5]分析了鹽漬土變形量隨時間的變化特點(diǎn)和影響機(jī)理。文桃等[6]、李炎等[7]、王景輝等[8]研究了凍融循環(huán)次數(shù)對硫酸鹽漬土鹽凍脹的影響。

硫酸鹽漬土產(chǎn)生鹽凍脹后在升溫過程中會出現(xiàn)融沉現(xiàn)象，體積減小，從而造成地基的二次破壞。王景輝等[8]研究了在單向凍結(jié)條件下的硫酸鹽漬土融沉特性。梁波等[9]研究得出凍融次數(shù)是總?cè)诔亮康闹饕绊懸蛩夭⒎治隽似渑c融沉系數(shù)的關(guān)系。此外，許多學(xué)者的研究表明，含水率也是影響融沉的主要因素[10-12]。徐明忻等[13]的研究得出在封閉系統(tǒng)下融沉系數(shù)與融化溫度呈先增大后減小的二次函數(shù)關(guān)系。

綜上所述，結(jié)合近年來國內(nèi)外研究學(xué)者對硫酸鹽漬土的研究，發(fā)現(xiàn)大多是對單次降溫[4-5]、凍融[6-8, 14-15]、干濕循環(huán)[16]條件下的溶陷、鹽脹、土體強(qiáng)度等的研究，而對在單向升溫條件下硫酸鹽漬土融沉特性方面的研究尚且不足。且以往研究多進(jìn)行定性分析融沉的特性及影響因素，而對硫酸鹽漬土融沉的定量預(yù)測有待補(bǔ)充。因此，以寧夏吳忠紅寺堡地區(qū)的硫酸鹽漬土為研究對象，探究在單向升溫條件下不同含鹽量和含水率對硫酸鹽漬土融沉特性的影響規(guī)律，進(jìn)而建立硫酸鹽漬土融沉率的定量預(yù)測模型，進(jìn)一步為硫酸鹽漬土融沉變形的精確預(yù)測提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗材料

試驗所用土樣取自寧夏回族自治區(qū)吳忠市紅寺堡區(qū)，該地區(qū)地處寧夏中部干旱帶，年平均降雨量不到300 mm，且蒸發(fā)量較大，在此氣候條件的影響下，土壤鹽漬化十分嚴(yán)重。將所取原狀土樣進(jìn)行篩分，作出土顆粒級配曲線如圖1所示，由曲線圖可知，試驗用原狀土的不均勻系數(shù)Cu=5.045、曲率系數(shù)Cc=1.95，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)判定該試驗用土屬于良好級配砂土。

圖1 試驗用土顆粒級配曲線Fig.1 Particle gradation curve of the test soil

試驗用土的易溶鹽含量如表1所示，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)中對鹽漬土的分類標(biāo)準(zhǔn)，該土樣屬于中亞硫酸鹽漬土。通過擊實試驗，得到試驗用土的最大干密度ρd,max=1.65 g/cm3，最優(yōu)含水率wop=17.64%。

表1 原狀土易溶鹽離子含量Table 1 Content of soluble salt ions in the original soil

2 試驗方案

2.1 試驗儀器設(shè)備及變溫方案

使用GDJS-225型高低溫交變濕熱試驗箱(控溫范圍-40～150 ℃)模擬溫度變化，依據(jù)寧夏地區(qū)氣候條件，同時考慮所設(shè)溫度能使得試樣土樣充分鹽脹，設(shè)置試驗溫度區(qū)間為-24～24 ℃。變溫過程為：經(jīng)過24 h由室溫降溫至-24 ℃，保持-24 ℃凍結(jié)24 h使土樣完全凍結(jié)，最后經(jīng)過24 h升溫至24 ℃，試驗時間為72 h。進(jìn)行凍脹融沉試驗的儀器內(nèi)徑為100 mm，土樣高250 mm，使用YHD-20型位移計測量采集土柱高度變化，從試樣頂部開始每隔60 mm設(shè)立土壤溫度傳感器測量土體內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，同時在土樣外部設(shè)立溫度傳感器測量環(huán)境溫度變化。為實現(xiàn)單向升溫的試驗條件，將試驗儀器周圍及底部包裹上保溫材料，使得土樣僅能從頂部向底部升溫，試驗儀器實物如圖2所示。融沉試驗階段土樣內(nèi)部不同位置處溫度及土體外部溫度隨試驗時間變化情況如圖3所示。從圖3所示的溫度變化來看，土體內(nèi)部溫度和土體外部溫度存在明顯差異，同一時間土體內(nèi)部不同位置處也存在一定的差異，越靠近土體底部溫度越低，隨著試驗時間的增加，土體內(nèi)部和外部溫差在逐漸減小。

圖2 儀器實物圖Fig.2 Physical diagram of the instrument

圖3 不同位置處溫度隨時間變化情況Fig.3 Temperature variation with time at different locations

2.2 融沉試驗方案

用蒸餾水將原狀土進(jìn)行充分洗鹽、風(fēng)干、過2 mm篩，采用干法配置試驗土樣。設(shè)置土樣含水率(w)分別為15%、17%、19%和21%，含鹽量(s)分別設(shè)置為0、1%、2%、3%和5%，將各組試樣所需硫酸鈉充分溶解于適量蒸餾水中，與適量干土拌和均勻，并密封悶料24 h以保證土中水分布均勻。將悶料后的土樣裝入試驗裝置桶內(nèi)，分三層壓實，考慮人工壓實條件，設(shè)置試驗土樣壓實度為90%(以90%壓實度和試樣桶體積計算所需土樣質(zhì)量，每次壓實時將確定質(zhì)量的土樣錘擊至桶內(nèi)壁刻度尺1/3處，刨毛后進(jìn)行第二層壓實，以此類推，完成土樣裝填后，其壓實度為90%)。以此試驗探究單向升溫條件下含水率、含鹽量對硫酸鹽漬土體融沉特性的影響規(guī)律，每組試驗做1組平行試驗(對于兩組試驗結(jié)果差距較大的工況進(jìn)行重做以保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性)，共做40組。

3 試驗結(jié)果與分析

測量經(jīng)歷48 h凍結(jié)后的土樣在升溫過程中的融沉量，為方便分析試驗結(jié)果，定義融沉率為融沉量與土柱初始高度的比值，其表達(dá)式為

(1)

式(1)中：η為融沉率；δ為融沉量；h為試樣土柱高度，h=250 mm。

3.1 環(huán)境溫度變化對融沉的影響

環(huán)境溫度的變化會對硫酸鹽漬土的融沉產(chǎn)生較大影響。相同壓實度，不同含水量條件下融沉率與環(huán)境溫度間的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同含水率條件下含鹽量隨溫度變化對融沉量的影響Fig.4 Effect of salt content with temperature on the amount of melt and sink under different water content conditions

由圖4可以看出，硫酸鹽漬土的融沉率隨著環(huán)境溫度的上升呈現(xiàn)出由緩慢到快速上升的變化過程。在升溫初期(-24～5 ℃)，土體的融沉率很小，均低于0.15%。這是由于單向升溫試驗條件，土體內(nèi)部不同位置處溫度和土體外部溫度存在較大的延遲現(xiàn)象，如圖3所示，升溫初期土體內(nèi)部的溫度顯著低于外部溫度，最大溫差可達(dá)到19.7 ℃，此時土體內(nèi)部仍處于負(fù)溫階段，因而土中水和鹽大部分還是以晶體狀態(tài)填充著土壤孔隙，只有靠近試樣頂端的少部分鹽溶解造成融沉，因此，在升溫初期土樣的融沉率較小且增長緩慢；升溫中期(5～20 ℃)，土樣內(nèi)部溫度和環(huán)境溫度差值減小，隨著溫度上升未凍水含量不斷增加，在含水量和溫度上升的雙重影響下，硫酸鈉開始快速溶解。土中的孔隙由于沒有鹽晶和冰晶的支承，在重力的作用發(fā)生下沉；升溫后期(20～24 ℃)，此時低含鹽量土體內(nèi)部的硫酸鹽完全溶解于水中，融沉量也趨于穩(wěn)定，而高含鹽量土體因溫度尚且較低，硫酸鈉的溶解程度不高，因而呈現(xiàn)出繼續(xù)緩慢增加的趨勢。

由圖4(a)、圖4(b)還可看出，在含水率小于最優(yōu)含水率時(15%和17%)，2%含鹽量的土體融沉率在環(huán)境溫度為20 ℃時達(dá)到最大，分別為0.75%和0.92%。究其原因，當(dāng)含鹽量高于2%時，溫度升高后土中的未凍水含量不足以溶解硫酸鈉晶體使得一部分的結(jié)晶硫酸鈉仍填充著孔隙并起著一定的支承作用；含鹽量低于2%時，在凍脹過程中，土樣的鹽凍脹量較小，而凍脹和融沉往往具有正相關(guān)聯(lián)性[17]，因此融沉量也比較小。而當(dāng)含水率大于最優(yōu)含水率時(19%和21%)，如圖4(c)、圖4(d)，融沉率最高的是含鹽量為5%的土樣，此時環(huán)境溫度為24 ℃。這是因為在含水量較高的情況下，在升溫的過程中硫酸鈉晶體的溶解程度也在增加，因此，在高于最優(yōu)含水率時融沉率隨著含鹽量的增加而增大。此外，隨著含水量的逐漸增大，含有硫酸鈉土樣的融沉率均呈現(xiàn)隨著含鹽量的增加而增大，而不含鹽的土樣隨含水率的增加其融沉率略有增大，這是由于在沒有硫酸鹽的情況下，土體的凍脹量均是由水結(jié)晶成冰產(chǎn)生體積膨脹造成，故而在溫度升高的過程中土體下沉量會隨著含水率的升高有所增大。

3.2 含鹽量對最大融沉率的影響

含鹽量是影響硫酸鹽漬土鹽凍脹的主要因素之一，而融沉與鹽凍脹也有著密切的關(guān)聯(lián)[17]。圖5展示了不同含鹽量、含水率時硫酸鹽漬土的最大融沉率。

圖5 不同含鹽量下的最大融沉率Fig.5 Maximum melting and sinking rates at different salt contents

融沉率的大小取決于凍脹量的大小，而凍脹量是由鹽結(jié)晶和水結(jié)晶成冰造成的體積膨脹疊加而成。從圖5可以看出，隨著含鹽量的增大，土體的最大融沉率總體呈現(xiàn)出增大的變化趨勢。以含鹽量2%為界，當(dāng)含鹽量低于2%時，融沉率隨著含鹽量的增大近似呈線性增大的變化趨勢，且上升速率較快，說明含鹽量較低(<2%)時硫酸鈉含量是影響融沉率的主要因素。當(dāng)含鹽量大于2%后，隨著含鹽量的增長，高含水率(高于最優(yōu)含水率)繼續(xù)緩慢增加，而低含水率(低于最優(yōu)含水率)開始下降并趨于穩(wěn)定。究其原因，含水率較高時，硫酸鈉溶液吸水結(jié)晶為十水硫酸鈉時體積擴(kuò)大3.18倍[18]，土體鹽凍脹量會隨著含水率的增大而增大，在升溫過程中，相對而言土中有充足的水溶解硫酸鹽晶體，土體沒有了鹽晶的支撐便會在重力的作用下下沉，因而在表現(xiàn)為融沉率隨著含水率的增大而增大；當(dāng)含水率較低時，在環(huán)境溫度較低的情況下，土壤中的未凍水含量較少，其溶解硫酸鈉晶體的能力較小，使得部分硫酸鈉在土壤孔隙中繼續(xù)充當(dāng)土顆粒并起支承作用，含鹽量越大時，起到該做用的鹽晶越多，因此最大融沉率出現(xiàn)低含鹽量增加，而高含鹽量降低的現(xiàn)象。而當(dāng)含鹽量為5%時，由于其鹽脹量較大，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)相較于含鹽量為3%時更為疏松，在升溫過程中隨著部分鹽晶的溶解，破壞了土壤原有的支承結(jié)構(gòu)，使得土顆粒下沉，因此出現(xiàn)了最大融沉率小幅增大的現(xiàn)象。

3.3 硫酸鹽漬土的融沉率計算公式的建立

由前文可知，含鹽量和含水率對硫酸鹽漬土融沉率的影響各有不同，為了定量地分析硫酸鹽漬土融沉率和含鹽量、含水率之間的關(guān)系，將含鹽量和含水率與融沉率分別進(jìn)行線性和二次多項式擬合，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，當(dāng)含鹽量在0～5%變化時，其與融沉率之間的定量關(guān)系接近于開口向下的二次拋物線關(guān)系，而含水率與融沉率之間更接近于線性關(guān)系。

表2 融沉率擬合結(jié)果比較Table 2 Comparison of the fitting results of the melting and sinking rate

含鹽量和含水率共同影響最大融沉率，基于擬合結(jié)果，構(gòu)建最大融沉率預(yù)測計算模型為

ηmax=af(s)+bf(w)+c

(2)

式(2)中：f(s)為含鹽量函數(shù)；f(w)為含水率函數(shù)；a、b、c為計算系數(shù)。

將各工況下最大融沉率實測值代入式(2)，使用全局優(yōu)化法計算得

ηmax=-0.735+0.889f(s)+0.673f(w)

(3)

將表2中所得關(guān)于不同含鹽量、含水率計算最大融沉率計算式代入式(3)得

ηmax=-0.698+0.343s-0.04s2+0.056w

(4)

將各工況含鹽量和含水率數(shù)值代入式(4)得到硫酸鹽漬土最大融沉率預(yù)測值，并與實測值進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖6所示，由圖6可以看出，各試驗組別的實測值和計算值相關(guān)性很高，因此該計算式可以用來計算硫酸鹽漬土的最大融沉率，其對預(yù)測和評價硫酸鹽漬土的融沉具有一定的參考價值。

圖6 最大融沉率計算值和實測值對比Fig.6 Comparison of calculated and measured values of maximum melting and sinking rate

4 結(jié)論

通過對寧夏地區(qū)硫酸鹽漬土在單向升溫條件下的室內(nèi)融沉試驗研究，得出如下主要結(jié)論。

(1)凍結(jié)完成后的試樣土體在融沉?xí)r可根據(jù)環(huán)境溫度的不同分為三個階段：升溫初期(-24～5 ℃)，融沉率增長較為緩慢，且最大不超過0.15%；升溫中期(5～20 ℃)，土體融沉率增長速率顯著，最大增長幅度接近671.16%；升溫后期(20～24 ℃)，在含鹽量較低時融沉率基本達(dá)到穩(wěn)定，含鹽量較高時增長幅度漸緩。

(2)受含水率的影響，隨含鹽量的增加，達(dá)到融沉率最大值時的溫度有所滯后。含水率低于最優(yōu)含水率時，2%含鹽量土樣在升溫中期時融沉率達(dá)到最大；高于最優(yōu)含水率時，5%含鹽量土樣的融沉率在升溫后期達(dá)到最大。

(3)含鹽量較低(<2%)時，土體的融沉率呈現(xiàn)隨著含鹽量的增大而快速增長的趨勢；含鹽量較高(>2%)時，土體因含水率的高低呈現(xiàn)兩種不同的變化趨勢：隨著含鹽量的繼續(xù)增加，低含水率(小于最優(yōu)含水率)土體融沉率開始出現(xiàn)下降并趨向于穩(wěn)定的變化趨勢，而高含水率(大于最優(yōu)含水率)的土體融沉率繼續(xù)緩慢增加。

(4)含鹽量與融沉率之間的定量關(guān)系近似呈二次拋物線關(guān)系，而含水率與融沉率之間更接近與線性關(guān)系。通過建立的硫酸鹽漬土最大融沉率預(yù)測計算式所得的計算值和實測值有較高的相關(guān)性，對預(yù)測和評價硫酸鹽漬土地區(qū)地基的融沉具有一定的參考價值。