上隔下疏型硫酸鹽漬土路基鹽脹模型試驗研究

陳再，彭述權，胡毅夫，樊玲, 2

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上隔下疏型硫酸鹽漬土路基鹽脹模型試驗研究

陳再1，彭述權1，胡毅夫1，樊玲1, 2

(1. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083 2. 中南大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075)

在大氣環境模擬室內進行對比模型試驗，對比分析升溫過程中設置有上隔下疏結構層的新型路基與普通路基溫度變化，降溫過程中的溫度變化和鹽脹變形；。試驗結果表明：在升溫和降溫過程中，新型路基結構保溫層能有效減少路基內部溫度變化幅度，影響程度隨深度增加而減弱；在升溫過程中，保溫層阻止表面蒸發，減弱內部鹽水遷移；在降溫過程中，保溫層能減弱路基表層鹽脹變形，對深層鹽脹的抑制效果比表層抑制效果明顯；疏排水層能有效排出路基內鹽水及減小路基深部鹽脹變形的發展；保溫層和疏排水層綜合減小鹽脹變形效果明顯。

硫酸鹽漬土；路基結構；模型試驗；鹽脹變形

我國西部鹽漬土地區道路病害形式主要有鹽脹、翻漿、溶陷和腐蝕，使得道路出現鼓包、裂縫、坑槽、冒水，降低道路服務質量和服役年限[1]。在典型內陸氣候的硫酸鹽漬土地區，降雨量少、蒸發量大、溫度變化幅度大等極端條件下，季節性、周期性的鹽?凍脹、溶陷表現更加突出。其主要原因是路面路基層中硫酸鹽誘發的鹽脹作用，表現為：1) 在路基水泥穩定層的水泥水化過程中，因硫酸鹽參與形成鈣礬石等膨脹性物質[2]；2) 路面排水較差形成的凍脹和溶沉作用導致路面發生破壞[3]；3) 路基硫酸鹽含量超標，溫度變化作用形成以十水硫酸鈉為主要成分的膨脹型硫酸鈉晶體[4?5]。為此，眾多學者對硫酸鹽鹽漬土這一特殊土體進行了深入研究。通常認為硫酸鹽鹽脹發生必須具備一定的起脹溫度和鹽溶液濃度等條件才能發生：起脹含鹽量為0.2%(質量分數)，起脹溫度區間為5~ 20 ℃，鹽脹劇變區間為0~5 ℃[6]。研究表明硫酸鹽漬土鹽脹率受到含水量、氯化鈉含量、硫酸鈉含量、初始干容重和上覆荷載等因素，以及顆粒粒徑[7]影響，鹽脹率與各影響因素之間均呈二次拋物線規律[8]；天然硫酸鹽漬土鹽脹應力為32~375 kPa[9]；硫酸鈉溶液對凍脹有一定的抑制作用[10]；凍融循環對鹽漬土物理和化學性質有較大影響[11]。鹽漬土路基研究主要集中在路基內鹽水重分布和鹽凍脹變形研究[12]，以達到控制鹽分遷移的目的，如設置隔斷層[13]和鹽漬土固化改良等路基處理方法。鹽漬土的固化改良方法主要是提高路用鹽漬土的CBR、回彈模量、抗凍性、抗鹽脹變形、水穩定性、抗干縮和溫縮性能[14]。其中改良方法常見的有[15]有機高分子材料SH改良、水泥固化、石灰+水泥改良、粉煤灰、石灰以及鋼渣?石灰等廢渣改良和M固化劑改良等。采用水泥基、鈣基固化劑固化改良水穩層土體或路基土體，會導致二次鹽脹問題，具有強烈的破壞作用，因此，國外目前多數已經不再采用這種土體改良技術。同時，工程實踐中也發現城市道路中土工膜隔斷層由于隔斷了路基的水氣遷移路徑，導致水分和鹽脹在土工膜隔斷層附近聚集，從而引起新的鹽脹且同時加劇凍脹?溶沉作用。按照相關規范[14]，采用透水隔斷層可導致路基高度過高，顯著增加路基修筑成本。為此，本文作者在西部鹽漬土地區路基破壞實例研究的基礎上，提出一種“上隔斷，下疏排”的新型硫酸鹽漬土路基結構以期改善路基的溫濕狀況從而有效減小鹽脹，對其鹽脹控制機理進行室內物理模型研究。

1 硫酸鹽漬土道路現場調查

以西部新疆阿拉爾市新建投入使用不到2年的城市破壞道路為實例進行調查分析。阿拉爾市道路破壞時間主要集中在春季，主要表現為路面鼓包、坑洼、沿道路縱向的裂縫(見圖1)。采用HZ?20A混凝土鉆芯機對破壞道路路基進行鉆芯取樣并進行鹽分測定。結果表明路基水泥穩定層、砂礫層和風積沙是相應綠化帶相應深度土體含鹽量的3~7倍(表1)，同時，SEM微觀試驗結果表明該市路面路基中存在硫酸鈉晶體和硫酸鈣晶體等多種膨脹性結晶鹽(圖2)，由此可推測該市道路破壞主要原因是多次季節性溫度變化導致硫酸

表1 阿拉爾大道含鹽量分析

(a) 路面鼓包；(b) 路面縱向開裂

圖1 阿拉爾大道路面鼓包、縱向開裂

Fig.1 Drum kits and longitudinal cracking on Alar Avenue

(a) 水泥穩定層；(b) 水泥穩定層；(c) 砂卵石層；(d) 風積沙回填層

圖2 鹽漬土路基取樣SEM微觀結構

Fig. 2 SEM microstructures of saline soil subgrade sample鹽和氯化鹽在水泥穩定層、路基中富集并且產生多次鹽?凍脹和溶沉作用，導致損失累計最終誘發道路破壞。

2 路基模型試驗

2.1 試驗原理

飽和硫酸鈉溶液的主要特性：在32.4 ℃以下會結晶析出Na2SO4·10H2O晶體(俗稱芒硝)，硫酸鈉晶體和十水硫酸鈉晶體摩爾質量分別為142 g/mol和322 g/mol，密度分別為2.68 g/cm3和1.48 g/cm3，因此，結晶析出后硫酸鈉晶體體積約為原來體積的3.44倍。當溫度高于32.4 ℃時，芒硝晶體容易失去結晶水分子，體積膨脹消失，產生明顯的體積收縮。根據這一特性分析，影響硫酸鈉鹽脹的直接主要因素是溫度變化和水分的供給。從這2個角度出發，對路基結構進行保溫和隔水排水處理。保溫層緊貼路基表面，當外部氣溫較高時，減緩保溫層以下路基溫度升高而抑制蒸發作用引起的鹽水向上遷移；當溫度較低時，減緩路基內部熱量散失，減小下路基溫度變化幅度和影響深度。疏排水層設置于下路基層，在高溫時，隔斷蒸騰作用引起的鹽水上升通道；低溫時，隔斷地下水向鹽脹鋒面的匯集通道；同時該層含水量達到一定程度后，孔隙水在微水壓力差作用下向排水溝(管)匯集并排出路基。

2.2 路基模型設計

模型參照阿拉爾市阿拉爾大道道路結構，縱向和橫向按照12:1，結構層按照2:1制作路基模型。模型箱由模板外框，內貼50 mm泡沫板保溫層和薄膜隔水層組成，凈空尺寸的長×寬×高為300 cm×200 cm× 55 cm，路基模型的長×寬×高為300 cm×200 cm× 48 cm。路基模型分成試驗模型Ⅰ(圖3)和對比模型Ⅱ(圖4)，試驗模型路基內部包含有砂礫構成的疏排水層，而對比模型則不含疏排水層。每個模型根據有無保溫層分成A區(含保溫層)和B區(無保溫層)(見圖5)，編號為Ⅰ-A，Ⅰ-B，Ⅱ-A和Ⅱ-B。

單位：cm

圖3 路基試驗模型Ⅰ

Fig. 3 Roadbed test model Ⅰ

單位：cm

圖4 對比路基試驗模型Ⅱ

Fig. 4 Contrast roadbed test model Ⅱ

單位：cm

圖5 溫度、位移監測點布置

Fig. 5 Arrangement of temperature and displacement monitoring point

位移、溫度監測：采用百分表分別量測表層和?15 cm處位移。為方便讀數，在模型箱上架設鋼管作為百分表坐的支點，監測點布置見圖5，其中每個監測點均有1個表面點和?15 cm點，總計18個監測點。同時按照對稱原則，在中心和兩對稱軸距邊框50 cm處總計布置5個點，沿深度10，20和30 cm布置溫度傳感器，總計30個溫度監測點。

2.3 試驗過程

路基鹽漬土采用天然細河砂，顆粒級配見圖6，按照含水量為6%(質量分數)，含鹽量為3.6%加入無水Na2SO4和自來水經充分攪拌后悶料12 h；疏水層填料為洗凈的干燥無鹽1~60 mm砂礫，不均勻系數為15；保溫層為50 mm厚聚苯乙烯泡沫板(EPS)。路基Ⅰ-A從下至上依次為鹽漬土、排水溝、9 cm厚砂礫層、鹽漬土回填層、薄膜隔斷層、1 cm厚砂漿層、5 cm泡沫保溫層。路基I-B結構與Ⅰ-A類似，不包含最頂層的保溫層。對比路基Ⅱ-A為均勻填筑48 cm鹽漬土并覆蓋有薄膜隔斷層、1 cm厚砂漿層和5 cm泡沫保溫層；Ⅱ-B為48 cm鹽漬土并覆蓋有薄膜隔斷層和1 cm厚砂漿層。

1—風積沙；2—試驗用河沙

圖6 風積沙和試驗河砂顆粒級配

Fig. 6 Grain size distribution of aeolian sand and experimental sand

通過大氣環境模擬系統來控制實驗室內溫度。2012?04?14T18:40開始進行升溫試驗，設定室內溫度為50℃，升溫歷時68h 10min，試驗期間在2012?04?16T14:15(升溫試驗進行44 h)對試驗路基兩側補充10 kg質量分數為23%的硫酸鈉溶液。2012?04?18T09:00開始降溫至2012?04?23T18:50結束試驗，設定溫度為?15 ℃，降溫歷時100 h。

(a) 拌鹽前；(b) 拌鹽后

圖7 路基鹽漬土制樣

Fig. 7 Preparation of roadbed saline soil

3 試驗結果分析

3.1 路基溫度變化趨勢分析

土體溫度是影響硫酸鹽漬土鹽脹的直接因素。圖8和圖9所示分別為試驗模型I和對比模型II中A區(含保溫層)和B區(不含保溫層)不同深度的溫度變化曲線，A區溫度為第5號監測點不同埋深溫度，B區溫度為第4號監測點不同埋深溫度。

(a) 升溫過程；(b) 降溫過程

1—ⅠA-10; 2—ⅠA-20; 3—ⅠA-30; 4—ⅠB-10; 5—ⅠB-20; 6—ⅠB-30

圖8 試驗模型ⅠA/B區不同深度溫度變化曲線

Fig. 8 Temperature change curves at different depths of test model Ⅰ A/B area

(a) 升溫過程；(b) 降溫過程

1—ⅡA-10; 2—ⅡA-20; 3—ⅡB-10; 4—ⅡB-20

圖9 對比模型ⅡA/B區不同深度溫度變化曲線

Fig. 9 Temperature change curve at different depths of contrast model Ⅱ A/B area

室內升溫時，熱量通過路基表面與空氣之間的熱交換而使路基溫度升高。從圖8(a)和9(a)可見：A區和B區各深度溫度變化速率基本一致，路基內溫度梯度隨時間增大，路基溫度升高量隨深度的增加而減少，各層總的溫度升高量相差較大：試驗路基A區從上往下溫度依次升高20.5，19.7和15.7 ℃，而B區升高為22.5，20.1和16.3 ℃；對比路基A區從上往下溫度依次升高19.8 ℃和16.2 ℃，B區升高為22 ℃和19 ℃。保溫層的導熱系數遠小于水泥砂漿和鹽漬土的導熱系數，因此，能減少熱量的向下傳遞，從而導致A區表層的溫度升高量比B區的小；兩區域深層溫度升高量接近說明保溫層的保溫效果有一定范圍。

圖8(b)和9(b)所示分別為降溫過程路中基溫度曲線，路基降溫過程是從表面向下熱量往表面傳遞，然后在表面與空氣進行熱交換，使得路基溫度呈梯度下降。溫度的降低與路基表面材料以及路基的導熱性能有密切關系。由圖8和圖9可知：2種路基內溫度與時間成線性關系且變化速率一致，其原因是路基內部材料相同，導熱系數相同。不同的是2種路基結構總的溫降量不同：A區的總溫度下降量為17.0~18.7 ℃，B區的總溫度下降量為21.0~24.2 ℃；總溫度下降量隨著深度的增加而減小，A區總溫度下降量隨埋深的變化要比B區的小。因為A區表層保溫層的保溫效果，能有效減小路基內部熱量的散失，從而使得路基內溫度下降量較小。

3.2 路基變形分析

根據路基溫度監測，在試驗過程中路基溫度最低為0.3 ℃，說明在試驗過程中路基監測范圍內的水沒有發生凍脹，路基變形以硫酸鈉結晶析出芒硝而膨脹為主。圖10所示為試驗模型A區(含保溫層)第3測點和B區(不含保溫層)第1測點的縱向位移，圖11所示為對比試驗模型A區第5測點和B區第4測點表層和?15 cm處的縱向位移。從圖10和圖11可知：表層位移是?15 cm處變形量的3~11倍，因為?15 cm處位移受到上部土體自重的抑制，而且?15 cm處溫度比表層路基溫度高，發生鹽脹的時間較短；圖10中A區和B區的鹽脹速率比較接近，且起脹時間一致，但路基A區表層鹽脹變形量明顯比B區的小，保溫層能在同等時間內保持路基內部熱量散失，從而使得鹽脹要比B區的小；試驗模型和對比模型A區內的表層以及?15 cm對應變形量不超過1.2 mm，但B區的?15 cm處變形量差達2.87 mm。說明在沒有保溫層作用時，路基內部的疏水層能阻斷下路堤的地下水補充，起到一定的鹽脹抑制作用。

1—ⅠA-F; 2—ⅠA-D; 3—ⅠB-F; 4—ⅠB-D

圖10 試驗模型變形

Deformation of test model

1—ⅡA-F; 2—ⅡA-D; 3—ⅡB-f; 4—ⅡB-D

圖11 對比試驗模型變形

Fig. 11 Deformation of contrast test model

3.3 路基排鹽水效果分析

為檢測路基疏排水層以及排水溝的排鹽水效果，在升溫試驗過程中對路基進行鹽水補充和鹽水排出量收集和測試。04?16T14:15(升溫試驗進行44 h)分別對試驗路基和對比試驗路基兩側分別補充10 kg質量分數為23%的硫酸鈉溶液，16:00便發現排水溝中開始有鹽水排出，累計排鹽水及含鹽量見圖12。結果表明：在路基疏水層和排水溝能有效排出路基內多余的水分。04?17T14:50(加水后累計時間23 h)停止升溫試驗，對比前后2個排鹽水階段可得：第Ⅰ階段排水速率呈減小趨勢，含鹽量呈上升趨勢；而第Ⅱ階段排水速率隨時間而增大，含鹽量則急劇下降。這主要是因為隨著溫度的升高，硫酸鈉的溶解度增加，鹽水下滲過程中帶走了一部分路基內的鹽分，所以含鹽量呈上升趨勢；路基內部溫度梯度增大，路基內毛細水強度較大，鹽水的排出速率降低。第Ⅱ階段停止升溫試驗，路基表面溫度逐漸降低，溫度梯度減小，排水速率增大，而排出的鹽水的含鹽量減小。

1—含鹽量；2—累計排出鹽水

圖12 排水溝排鹽效果

Fig. 12 Drains row salt effect

4 結論

1) 保溫層能有效減小保溫層以下路基一定深度路基內部溫度變化幅度，減少內部鹽水遷移，從而縮短了路基鹽脹時間，在一定程度上減小了表層和深層鹽脹變形。

2) 疏排水層能隔斷毛細水通道，阻斷鹽脹過程中鹽水補給，防止鹽分向表層富集，在路基含水量達到一定程度時能有效排出鹽水，能有效減小深層鹽脹變形。

3) 提出的“上隔下疏”型鹽漬土路基結構能減少路基內部溫度變化，減小路基內部硫酸鹽結晶析出產生的鹽脹變形，保溫層和疏排水層的綜合抑制鹽脹作用的效果明顯。

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Model test research on salt expansion of partition above and channelize below sulfuric acid saline soil roadbed

CHEN Zai1, PENG Shuquan1, HU Yifu1, FAN Ling1, 2

(1. School of Resource and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

, and salt expansion deformation during the cooling process. Brine draining effect of the test roadbed model was analyzed. The results show that during the warming and cooling process, the thermal insulation layer can effectively reduce roadbed internal temperature variation amplitude, and the influence degree decreases with the increase of the depth. The thermal insulation layer can prevent surface evaporation and weaken the internal brine migration during the warming process. The thermal insulation layer can weaken the surface salt expansion deformation and have more obvious effect on deep salt expansion than surface. The drainage layer can drain saline and effectively reduce roadbed deformation development of deep salt expansion. The comprehensive effect of thermal insulation layer and drainage layer on the reduction of salt expansion is obvious.

sulfuric acid saline soil; roadbed structure; model test; salt expansion deformation

U416.166

A

1672?7207(2015)01?0248?07

2014?03?12；

2014?05?27

() (Project(2010ZJ05) supported by Science and Technology Program of Xinjiang, China)

彭述權，博士后，講師，從事巖土工程細觀破壞以及城市地下空間研究；E-mailpqr97linger@163.com

10.11817/j.issn.1672?7207.2015.01.033

(編輯 楊幼平)