新疆阿拉爾路基鹽漬土的鹽脹特性研究

2015-12-26 02:17:32張靈通,李壽寧

安徽農業科學 2015年22期

新疆阿拉爾路基鹽漬土的鹽脹特性研究

張靈通, 李壽寧*

(塔里木大學水利與建筑工程學院,新疆阿拉爾 843300)

摘要為深入研究新疆阿拉爾路基鹽漬土的鹽脹特性，在室內進行了多次凍融循環模擬試驗。通過不同鹽分分布狀態的鹽脹試驗，分析鹽分不同空間分布的鹽脹結晶規律；對初始壓實密度相同、含水率相同的含鹽和不含鹽的兩組土樣的對比，分析鹽漬土不同的含鹽量、干密度、含水率、顆粒不均勻系數對鹽脹性的影響。結果表明在以后路基施工過程中，可通過控制鹽漬土路基中的含鹽量、含水率、顆粒級配等來抑制路基鹽脹破壞程度，從而減少路基因鹽漬土鹽脹帶來的病害。

關鍵詞鹽漬土；凍融循環；含鹽量；鹽脹性

中圖分類號S26

基金項目兵團計劃項目資助(No.2010ZJ05)。

作者簡介張靈通(1988- )，男，河南商丘人，在讀碩士研究生，研究方向：農業水土建筑。*

收稿日期2015-06-10

Study on the Salt Expansion Characteristics of Xinjiang Alar Saline Soil Subgrade

ZHANG Ling-tong, LI Shou-ning*(College of Water Resource and Architectural Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

AbstractTo delve into Xinjiang Alar sea salt expansion characteristics of saline soil subgrade, the indoor simulation experiment, repeated freeze-thaw cycles through different salinity distribution state salt expansion test, analysis of the salt expansion of the spatial distribution of different salt crystallization law; The same moisture content and initial compaction density salt and salt-free two groups of soil sample was compared, the influence of saline soil with different salt content, dry density, moisture content, particle non-uniform coefficient to salt expansion was analyzed, in the future by controlling the saline soil subgrade in salt content, moisture content, grain size distribution, etc to suppress the roadbed salt heaving damage, thereby reducing the damage caused by the salt expansion of saline soil.

Key words Saline soil; The freeze-thaw cycle; The amount of salt; The salt expansion

鹽漬土是受土體中鹽堿成分作用的的各種類型土壤的統稱。在我國公路工程中，將地表一米內易溶鹽類含量達到0.3%以上的土壤，稱為鹽漬土[1]。我國是世界第四大鹽漬土分布國家，鹽漬土面積約有20多萬平方公里，約占國土總面積的2.1%[2]。近年來隨著我國經濟的迅猛發展，隨著西部大開發戰略的深度不斷加大，新疆新建和改建的道路不斷增加，交通狀況也在不斷得到改善。交通運輸是經濟發展的基礎，而道路狀況的好壞直接影響著交通運輸。然而在新疆境內分布著大面積的鹽漬土，土壤鹽漬化是新疆瀝青混凝土道路破壞的主要原因[3-4]。

鹽漬土的溶陷變形和鹽凍脹破壞是新疆鹽漬土道路的主要病害之一[5]。阿拉爾市地處塔克拉瑪干西北邊緣，屬于暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，全年雨量稀少，地表蒸發強烈，年均降水量為40～82 ml，年均蒸發量1 800～2 560 ml,其地下主要土層為風積沙層，砂性土比表面積較小，孔隙尺寸較大，因而具有良好的滲透性[6]。每年進入冬季以后高地下水位就會把鹽分帶到路基內，鹽分富集于路面層底部路基層頂部，由于外部較低的氣溫，在路基內形成鹽凍脹破壞，由于降水稀少，鹽漬土路基內主要破壞為鹽脹破壞，其原理為鹽漬土中的硫酸鹽隨著溫度的降低，其溶解度減小，吸水后形成芒硝和體積膨脹。在溫度升高時硫酸鹽失水而體積變小，土體隨之會疏松，所以在含有硫酸鹽的鹽漬土中會存在這種體積隨溫度而發生明顯變化，引起地表土體的膨脹與疏松現象，從而導致路基路面出現變形破壞，造成路面不均勻變形，形成縱橫裂縫，甚至波浪鼓包等現象，有的路面出現不均勻沉降[7-10]。不但嚴重影響當地交通，而且在經濟上也造成了很大損失，所以對阿拉爾路基鹽漬土的鹽脹特性研究很有必要，選擇阿拉爾市破壞嚴重路段的路基土作為試驗土樣進行下面的試驗。

1不同鹽分分布狀態鹽脹試驗

1.1試驗裝置將實驗室內用的長方形玻璃箱，按其尺寸大小平均分成3個長×寬×高=14.6×15.6×40.5 cm3的小長方體，分別編號為1、2、3。將該試驗裝置分別置于環境試驗箱內(恒溫-20 ℃)和室內(20 ℃)以實現升溫和降溫下的鹽-凍脹和溶沉，模擬觀察分析當鹽分以何種形式富集到路基土中其膨脹量最大。

1.2試樣制備以破壞路段的路基土為試驗土樣，以無水硫酸鈉、初始加水量為控制量，使得每個試樣的總的含水量、含鹽量和初始干密度一致。

1.3試驗設計及觀測結果試驗模擬3種不同的鹽漬土路基狀況：1號玻璃箱采用土和鹽混合后分層裝樣并充分搗實至設計密實度，控制每層裝樣不超過8 cm；2號玻璃箱將土樣均勻分成10份，鹽分成9份。按照鋪一份土樣并搗實，然后按照對稱形式在中心和四邊中點位置按照2∶1∶1∶1∶1的比例分配并以圓形或半圓形布置；鋪設第2層土、鹽直至填筑完成；3號玻璃箱將土樣分成3等份，鹽分成2等份。按照一層土，一層鹽的形式鋪設并搗實(表1)。

表1　不同鹽分分布形態鹽脹試驗裝樣情況

將3個玻璃試驗箱按照上述步驟裝好后放入恒溫-20 ℃環境中，在該3個玻璃箱上加蓋一層玻璃板，把測量鹽脹的的百分表插入試驗箱的土中，表頭安放在玻璃板上，以方便觀測數據，每隔30 min記錄一次百分表讀數，當試驗箱中的3個百分表都達到連續3次讀數相同時，再把試驗裝置放置到室內20 ℃的環境里，讓其自然溶沉，如此連續進行3～4次凍融循環，在試驗中通過體試顯微鏡對3個試樣中的土樣的鹽脹進行觀測分析(圖1、2)。

圖1　鹽-凍脹試驗裝置

圖2　鹽脹結晶體

通過觀測發現分層分塊分布的2號箱和3號箱的硫酸鹽結晶了，2號箱和3號箱凍融循環后的土樣如圖2所示：放入時成粉末狀，試驗結束時都結晶成塊狀，具有較高的強度。這說明在試驗過程中無水Na2SO4粉末與水分子結合形成Na2SO4·10H2O晶體，體積膨脹，連結增強。根據試驗記錄結果繪制鹽分不同空間分布鹽脹曲線圖(圖3)。

圖3　鹽分不同空間分布鹽脹曲線

由圖3可知，試驗過程中0～288 min、728～1 450 min為降溫過程，288～728 min、1 450～2 100 min為升溫過程，共進行了2個凍融循環過程，其中，1號試樣的鹽脹變形明顯大于2號、3號試樣的鹽脹變形，2號試樣的鹽脹變形量大于3號試樣，由此可見當鹽分按照土和鹽混合后分層裝樣的形式存在于土壤中時其鹽脹量最大。

2鹽-凍脹循環試驗

2.1試驗設備實驗室里測鹽凍脹變形百分表8個、試筒8個、溫度計2個、可以調節到-15 ℃的冰箱1臺和其他裝樣設備。

2.2試驗設計通過對初始壓實度、含水率都相同的含鹽和不含鹽的2組相同土樣鹽-凍脹循環試驗。對比分析兩組試樣的鹽脹量和凍脹量。

不同顆粒級配的土樣的配備是通過調整各粒組占整體土樣的質量百分比，從而可以計算出其不均勻系數與曲率系數。因為不均勻系數Cu≥5，且曲率系數Cc≥1～3 時稱級配良好，所以試驗采用級配取值為Cu=3、5、10、15的土樣，對土樣進行含水率，含鹽量測定設置。

通過將初始壓實度、含水率都相同的含鹽和不含鹽的2組相同土樣試驗裝置放在設置零下15度的冰箱中，進行模擬自然狀態下降溫過程中土中的鹽-凍脹變形；每30 min觀測一次百分表讀數，當百分表讀數達到穩定后，將試驗裝置置于室內恒溫10度的環境中，讓其自然升溫溶沉。在整個試驗過程中共進行了5次凍融循環。

為了確保試驗準確性，分成4組試驗，每組不均勻系數做2個試樣(含鹽的和不含鹽的試樣各一個)，總共8個試樣。其中，6個架設百分表，2個和測土樣鹽凍脹變化值架設溫度計(1-1和3-1)于試樣正中心。土樣鹽凍脹變化值測試裝置如圖4所示。

注：1-底板；2-試樣；3-拉桿；4-帶調節桿的多孔板；5-試筒；6-百分表；7-百分表支座。圖4　土樣鹽凍脹變化值測試裝置(單位：cm)

2.3試驗結果與分析觀察結果如表2所示。利用Matlab編程軟件進行數據處理分析，對試驗結果進行擬合得到如圖5的結果。

對圖5、6試驗結果進行分析表明：①隨著溫度的逐漸降低，試驗土樣發生凍-鹽脹變形，對比2-1和2-2、4-1和4-2的試驗土樣，從中可以得出在試驗過程中試樣的縱向變形主要是由鹽脹引起的；隨著溫度的逐漸升高，試樣出現溶沉現象，并且變形有殘留，其殘留變形具有累加性。②鹽脹變形具有累加效應，而凍脹變形沒有累加效應。③當含水量較小時，試樣變形隨著循環次數增加，其增長速率也將減小。