寧夏濱河路基鹽漬化粉土的動(dòng)力特性

馬文國(guó)，張 剛，2，封少博，楊有貞，董旭光

（1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 學(xué)術(shù)期刊中心，寧夏 銀川 750021；3.榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 榆林 719000）

土壤鹽漬化是指地下水或土壤底層中的易溶鹽離子隨毛細(xì)水上升到地表，水分蒸發(fā)后鹽分積聚在表層土壤中的物理化學(xué)過(guò)程[1-2]。在農(nóng)業(yè)、交通、建筑和水利等領(lǐng)域，研究人員對(duì)鹽漬土開(kāi)展了大量的研究工作，但其各自研究的重點(diǎn)有所不同，主要的研究?jī)?nèi)容有水鹽運(yùn)移規(guī)律，鹽脹、凍脹、結(jié)晶和多場(chǎng)耦合下鹽漬土的力學(xué)性質(zhì)變化等方面。寧夏沿黃城市帶有很多基礎(chǔ)建設(shè)布局在鹽漬化區(qū)域，鹽漬土的研究具有較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

在交通領(lǐng)域，路基甚至路面的鹽漬化將導(dǎo)致土和結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度降低。很多學(xué)者對(duì)鹽漬土的力學(xué)特性進(jìn)行了比較深入的研究。劉威等[3]對(duì)不同含鹽類別和不同干密度的鹽漬土開(kāi)展了三軸試驗(yàn)，得出在干密度相同時(shí)，氯鹽漬土比硫酸鹽漬土的抗剪強(qiáng)度要小，并應(yīng)用Duncan-Chang 模型模擬了鹽漬土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。馬冰[4]通過(guò)試驗(yàn)得出，鹽漬土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加而降低。席人雙[5]通過(guò)試驗(yàn)得出，鹽漬土的抗剪強(qiáng)度和黏聚力會(huì)隨含鹽量的增加而增大，而內(nèi)摩擦角幾乎不受影響。王滬生[6]通過(guò)試驗(yàn)得出，在干濕凍融循環(huán)條件下硫酸鹽漬土的抗壓強(qiáng)度會(huì)不斷降低。姚占勇等[7]研究了鹽分在非鹽漬粉土路基中的運(yùn)移規(guī)律，得出地下水礦化程度比地下水位和路基高度對(duì)鹽分運(yùn)移的影響要大。劉康[8]對(duì)青海的氯鹽漬粉土進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，結(jié)果表明，增加含鹽量會(huì)使干密度先增大后減小，抗剪強(qiáng)度參數(shù)出現(xiàn)開(kāi)口向上拋物線的變化特點(diǎn)。呂擎峰等[9]采用石灰粉煤灰改良鹽漬土，發(fā)現(xiàn)增加粉煤灰含量會(huì)導(dǎo)致鹽漬土的強(qiáng)度先增大后減小。付玉濤[10]驗(yàn)證了礫石換填、沖擊碾壓和強(qiáng)夯等方法處理鹽漬土地基是合理的。這進(jìn)一步表明，《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50942—2014）[11]中的地基處理方法符合工程實(shí)際。封少博等[12]對(duì)寧夏北部濱河地區(qū)的鹽漬土進(jìn)行了靜力和動(dòng)力特性的測(cè)試，結(jié)果表明，鹽漬土較無(wú)鹽土有著較低的抗剪強(qiáng)度等性質(zhì)。

在寧夏北部沿濱河大道修建了很多基礎(chǔ)設(shè)施，周圍主要是農(nóng)田、池塘和灘涂，濱河大道施工就地取材，導(dǎo)致道路兩邊有很多低洼空地，鹽漬化積聚更加嚴(yán)重。根據(jù)水文地質(zhì)環(huán)境勘察結(jié)果，由于農(nóng)田灌溉和路基臨近黃河，筆者在多個(gè)探坑采樣時(shí)發(fā)現(xiàn)地下自由水位非常淺，均在0.5～1.0 m，地表土體也很潮濕。濱河大道自運(yùn)營(yíng)以來(lái)，由于超載和地質(zhì)環(huán)境等原因，路面病害比較嚴(yán)重。因此，開(kāi)展寧夏濱河區(qū)域鹽漬化粉土在循環(huán)荷載下的力學(xué)特性研究非常重要。本文分別對(duì)寧夏北部濱河路基鹽漬粉土和洗鹽粉土進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，通過(guò)研究鹽漬土和洗鹽土的滯回曲線、骨干曲線、抗液化能力、動(dòng)彈性模量和阻尼比等多個(gè)指標(biāo)，揭示其力學(xué)特性的變化規(guī)律，從而為寧夏鹽漬土地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)提供參考。

1 路面病害與鹽漬化

1.1 路基病害特征

濱河大道自運(yùn)營(yíng)以來(lái)，病害主要表現(xiàn)在路面基層的大面積龜裂，并伴隨有縱向的貫通裂紋，裂紋尺寸較大，使用瀝青進(jìn)行了修復(fù)，如圖1 所示。

圖1 路面龜裂和縱向貫通裂紋

1.2 粉土的鹽漬化特征

在實(shí)驗(yàn)室中，將粉土重塑后制備成直徑50 mm、高度100 mm 的土樣，土樣表面形成鹽漬化結(jié)晶，如圖2 所示。本文利用離子色譜儀對(duì)土樣中的離子質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表1 所示。

表1 鹽漬化粉土的離子質(zhì)量濃度

圖2 粉土鹽漬化

由表1 可知，土壤中Cl-和Na+占據(jù)多數(shù)，其次是Mg2+，Ca2+和SO42-，也就是鹽漬土中的鹽分主要是以離子化合物NaCl 為主導(dǎo)，MgSO4和CaSO4次之。

根據(jù)《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50942—2014）對(duì)鹽漬土按鹽的化學(xué)成分分類，公式如下：

式中：c（Cl-）和分別表示氯離子和硫酸根離子在0.1 kg 土中所含毫摩爾數(shù)，mmol/0.1 kg。

當(dāng)比值≤0.3 時(shí)，土樣屬于硫酸鹽漬土；當(dāng)0.3<比值≤1.0 時(shí)，土樣屬于亞硫酸鹽漬土；當(dāng)1.0<比值≤2.0 時(shí)，土樣屬于亞氯鹽漬土；當(dāng)比值>2.0 時(shí)，土樣屬于氯鹽漬土。本文計(jì)算得出該比值為7.59，故濱河路基粉土屬于氯鹽漬土中的中鹽漬土。

2 材料與方法

2.1 試樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)

濱河大道路基主要由兩邊的農(nóng)田和灘涂取土填筑路堤和路床而成，路基主要由鹽漬化粉土、粉細(xì)砂和砂土組成，其中鹽漬化粉土的物理力學(xué)性質(zhì)如表2所示。

表2 濱河路基鹽漬化粉土的物理力學(xué)性質(zhì)

2.2 試樣的洗鹽、制備和飽和

（1）洗鹽。首先，將土樣過(guò)0.5 mm 的篩子，去除大顆粒和其他雜物；然后將土樣放入洗滌桶中，按1∶5 加入高純水進(jìn)行攪拌稀釋，土樣沉淀穩(wěn)定后把桶中水平緩倒出，如此將鹽漬粉土清洗3 次，將土樣自然風(fēng)干后再過(guò)0.5 mm 的篩子。鹽漬化粉土的循環(huán)荷載試驗(yàn)省去該步驟。

（2）制樣。首先，將土樣過(guò)0.5 mm 篩子后烘干稱重并放入塑料密封箱中，把濾紙覆蓋在土樣上方；其次，用高純水將土樣配置到22.0% 的最優(yōu)含水率；最后，將密封箱靜置24 h，測(cè)試土樣含水率是否達(dá)到要求，滿足條件以后制備直徑50 mm、高度100 mm 的重塑土樣（干密度為1.58 g/cm3）。

（3）飽和。首先，將試樣裹好保鮮膜，兩端放置濾紙和透水石，制備多個(gè)試樣，裝在飽和器內(nèi)，一起放入真空桶中抽真空；其次，以壓力表的示數(shù)不變?yōu)闇?zhǔn)，將高純水緩緩注入真空桶中，待水面沒(méi)過(guò)飽和器后打開(kāi)排氣閥門，使試樣在水中浸泡3 h；最后，將試樣輕放在三軸試樣底座上，拆掉保鮮膜后套上橡皮膜，將橡皮膜兩端用損壞的橡皮膜扎緊后安裝在壓力室中，設(shè)置圍壓和反壓，保持20 kPa 的壓力差，圍壓和反壓每級(jí)增加30 kPa，直至試樣飽和度達(dá)到0.95 以上，飽和過(guò)程反壓盡量不超過(guò)200 kPa，飽和結(jié)束后進(jìn)行固結(jié)。

2.3 循環(huán)荷載試驗(yàn)方案

為研究上述飽和土樣在循環(huán)荷載下的力學(xué)特性，本文的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表3 所示，表中固結(jié)壓力和動(dòng)應(yīng)力的單位均為kPa，本文只給出了固結(jié)壓力為100，300，500 kPa 下的試驗(yàn)方案。限于篇幅沒(méi)有提供200，400 kPa 的試驗(yàn)方案和結(jié)果，動(dòng)應(yīng)力和固結(jié)壓力的比例均相同。為研究骨干曲線和超靜孔隙水壓力發(fā)展情況，設(shè)計(jì)兩種動(dòng)態(tài)加載方案。

表3 循環(huán)荷載試驗(yàn)方案

（1）逐級(jí)加載試驗(yàn)：荷載頻率1 Hz，固結(jié)比1.7，固結(jié)壓力分別為100，300，500 kPa，其中動(dòng)應(yīng)力幅值從30 kPa 起，每級(jí)振動(dòng)10 次，每級(jí)增加30 kPa，研究逐級(jí)加載條件下滯回曲線、骨干曲線、滯回曲線面積、動(dòng)彈性模量和阻尼比的發(fā)展規(guī)律。

（2）恒定動(dòng)載試驗(yàn)：為得出相同固結(jié)壓力不同動(dòng)應(yīng)力幅值下滯回曲線、滯回曲線面積和孔隙水壓力等變化趨勢(shì)，設(shè)置頻率為1 Hz，固結(jié)比為1。限于篇幅只給出300 kPa 固結(jié)壓力下，動(dòng)應(yīng)力幅值為固結(jié)壓力的0.4 和0.5 倍的試驗(yàn)結(jié)果用于比較。

3 逐級(jí)加載下粉土的動(dòng)力特性對(duì)比

3.1 逐級(jí)加載下滯回曲線的比較

為清晰比較洗鹽土和鹽漬土在逐級(jí)加載下的滯回曲線，取試樣破壞前3 個(gè)加載階段的第6 個(gè)周期，繪制應(yīng)力-應(yīng)變的滯回曲線，如圖3 所示。

由圖3 可知，固結(jié)壓力為100 kPa 時(shí)，鹽漬土和洗鹽土的動(dòng)荷載均達(dá)到了相同的150 kPa；固結(jié)壓力為300 kPa 時(shí)，鹽漬土的動(dòng)荷載達(dá)到了300 kPa，洗鹽土的動(dòng)荷載達(dá)到了330 kPa；固結(jié)壓力為500 kPa時(shí)，鹽漬土的動(dòng)荷載達(dá)到了420 kPa，洗鹽土的動(dòng)荷載達(dá)到了480 kPa。因此，洗鹽土較鹽漬土具有較高的強(qiáng)度，但在100 kPa 固結(jié)壓力下表現(xiàn)得不夠明顯。

3.2 逐級(jí)加載下骨干曲線的比較

本文將逐級(jí)加載各階段第6 周期滯回曲線兩端的頂點(diǎn)相連接，得出對(duì)應(yīng)的骨干曲線，并對(duì)不同固結(jié)壓力下鹽漬土與洗鹽土的骨干曲線進(jìn)行比較，如圖4所示。

圖4 不同鹽分條件下骨干曲線

由圖4 可知，洗鹽土與鹽漬土的骨干曲線相似，當(dāng)動(dòng)應(yīng)變較小時(shí)，兩種土樣的骨干曲線幾乎重合；隨著動(dòng)應(yīng)變的增大，鹽漬土與洗鹽土的骨干曲線開(kāi)始有所分離，洗鹽土的骨干曲線始終在鹽漬土的骨干曲線的外面。因此，洗鹽土比鹽漬土有更高的抗變形能力。

3.3 逐級(jí)加載下滯回曲線面積的比較

不同鹽分條件下（鹽漬土、洗鹽土）滯回曲線面積與振次關(guān)系的曲線如圖5 所示，本文從另一個(gè)角度揭示鹽分對(duì)土體的力學(xué)特性所帶來(lái)的影響。

圖5 不同鹽分條件下滯回曲線面積與振次關(guān)系的曲線

由圖5 可知，在前幾級(jí)動(dòng)應(yīng)力作用下，兩種土樣的滯回曲線包圍的面積S很小且?guī)缀跸嗟?，土樣處于彈性階段。隨著動(dòng)應(yīng)力的增大，S出現(xiàn)指數(shù)式增長(zhǎng)，曲線斜率持續(xù)增大，相同的振次下鹽漬土滯回曲線包圍的面積明顯大于洗鹽土，意味著相同振次下鹽漬土耗散的能量更大，產(chǎn)生的變形也會(huì)更大。

3.4 逐級(jí)加載下動(dòng)彈性模量及阻尼比的比較

圖6 為濱河路基鹽漬土與洗鹽土的動(dòng)彈性模量及阻尼比的曲線。

圖6 不同鹽分條件下動(dòng)彈性模量及阻尼比曲線

由圖6 可知，鹽漬土與洗鹽土的動(dòng)彈性模量和阻尼比隨動(dòng)應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律基本相同。在彈性階段，鹽漬土的動(dòng)彈性模量明顯大于洗鹽土的動(dòng)彈性模量，隨著動(dòng)應(yīng)變的增加，鹽漬土的動(dòng)彈性模量逐漸地小于洗鹽土的動(dòng)彈性模量，而且固結(jié)壓力越大，二者的差異就越大。在彈性階段鹽分的膠結(jié)作用較強(qiáng)，在彈塑性階段這種膠結(jié)作用被逐漸破壞。鹽漬土的阻尼比要大于洗鹽土的阻尼比，主要是由于鹽漬土在動(dòng)應(yīng)變過(guò)程中耗散的能量更多，土樣的變形更大導(dǎo)致的。

4 恒定動(dòng)載下粉土的動(dòng)力特性

4.1 恒定動(dòng)載下的滯回曲線

限于篇幅，圖7 僅給出鹽漬土和洗鹽土在固結(jié)壓力為300 kPa，動(dòng)應(yīng)力幅值為固結(jié)壓力的0.4 倍和0.5 倍的恒定動(dòng)載應(yīng)力下的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線。

圖7 恒定動(dòng)載條件下滯回曲線

由圖7 可知，在彈性階段，滯回圈接近封閉，隨著振次的不斷增加，滯回曲線不斷右移，形成不可恢復(fù)的累計(jì)塑性變形，滯回曲線的傾斜角度不斷變大。兩種土樣在相同固結(jié)壓力下都是趨近于拉升破壞，鹽漬土的滯回圈更大，能夠消耗更多的動(dòng)能。

4.2 恒定動(dòng)載下滯回曲線面積的比較

將鹽漬土和洗鹽土的滯回曲線包圍的面積進(jìn)行比較，更能反映兩種土樣對(duì)應(yīng)的滯回曲線的差異。圖8 給出了固結(jié)壓力為300 kPa，動(dòng)應(yīng)力幅值為固結(jié)壓力的0.4 倍和0.5 倍的恒定動(dòng)載應(yīng)力下的滯回曲線面積對(duì)比圖。

圖8 不同鹽分條件下滯回曲線面積與振次關(guān)系的曲線

由圖8 可知，當(dāng)所有加載條件都相同時(shí)，同等振次下鹽漬土的滯回曲線面積明顯大于洗鹽土的滯回曲線面積，鹽漬土的能量耗散大于洗鹽土，洗鹽土抵抗變形的能力比鹽漬土更強(qiáng)。

4.3 超級(jí)孔隙水壓力

鹽漬土與洗鹽土在相同條件下抗液化破壞能力的比較，主要以超靜孔隙水壓力的發(fā)展情況為依據(jù)。圖9 給出了固結(jié)壓力為300 kPa，兩種動(dòng)應(yīng)力（固結(jié)應(yīng)力的0.4 倍和0.5 倍）條件下的孔壓比比較圖。

圖9 孔壓比與振次關(guān)系的曲線

由圖9 可知，鹽漬土的超靜孔隙水壓力增長(zhǎng)比洗鹽土快得多。這可能是因?yàn)橥馏w中鹽分的存在會(huì)降低土體抗液化破壞的能力，隨著振次的增加，土中易溶鹽溶解速度加快，溶解后的易溶鹽加速了中溶鹽的溶解，大量鹽分的溶解導(dǎo)致土中孔隙結(jié)構(gòu)的破壞，土體顆粒迅速重新排列，土中孔隙體積減小，孔隙水來(lái)不及排出使得土中孔壓急劇升高，有效應(yīng)力降低，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

（1）在相同的加載條件下，鹽漬土更加容易產(chǎn)生變形，隨著土中鹽分含量的減少，土體抗變形能力得到一定的提升。相同振次下，鹽漬土的滯回曲線面積比洗鹽土的大。

（2）當(dāng)動(dòng)應(yīng)變較小時(shí)，鹽漬土的動(dòng)彈性模量要大于洗鹽土的動(dòng)彈性模量，隨著動(dòng)應(yīng)變的增大，鹽漬土的動(dòng)彈性模量出現(xiàn)了比洗鹽土動(dòng)彈性模量小的趨勢(shì)。當(dāng)動(dòng)應(yīng)變較小時(shí)，兩種土樣的阻尼比曲線幾乎重合，隨著動(dòng)應(yīng)變的增大，鹽漬土的阻尼比明顯高于洗鹽土的阻尼比，說(shuō)明鹽漬土在動(dòng)載下更容易遭破壞。

（3）相同條件下，洗鹽土的孔壓比增長(zhǎng)明顯慢于鹽漬土，當(dāng)達(dá)到某一固定孔壓比，洗鹽土所需的振次明顯大于鹽漬土，說(shuō)明經(jīng)過(guò)洗鹽以后，土體抗液化的能力得到了提升。

5.2 討論

綜上所述，通過(guò)對(duì)洗鹽土和鹽漬土的試驗(yàn)結(jié)果比較可知，隨著土中鹽分的降低，土體抗變形、抗液化能力得到提升?？赡艿脑蚴峭林械柠}分是以晶體存在，這種晶體增強(qiáng)了土顆粒間的膠結(jié)，表現(xiàn)為在動(dòng)應(yīng)變較小的時(shí)候，要達(dá)到一定的動(dòng)應(yīng)變量所需的動(dòng)應(yīng)力有所提高，隨著動(dòng)荷載的持續(xù)施加，應(yīng)變累積量不斷增大，土顆粒間的這種膠結(jié)被破壞，土顆粒間出現(xiàn)相對(duì)錯(cuò)動(dòng)并且進(jìn)行了重新排列，孔隙通道被連通，更利于飽和試樣中孔壓的增長(zhǎng)，升高的孔壓同時(shí)也會(huì)加速土中鹽分的溶解，更容易發(fā)生液化。而對(duì)洗鹽土來(lái)說(shuō)，其顆粒間主要靠摩擦力和咬合力接觸，剛度和強(qiáng)度更高，對(duì)應(yīng)力波的傳遞也更好，不易發(fā)生破壞。