吉林省農(nóng)安地區(qū)鹽漬土凍脹特性試驗(yàn)研究

萬(wàn)　健，王文華，李棟國(guó)，王　猛

(長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012)

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吉林省農(nóng)安地區(qū)鹽漬土凍脹特性試驗(yàn)研究

萬(wàn)健，王文華，李棟國(guó)，王猛

(長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012)

摘要：吉林省西部地區(qū)廣泛分布著鹽漬土。近年來(lái)由于鹽漬土凍脹而造成的建(構(gòu))筑物破壞的現(xiàn)象越來(lái)越頻繁。以吉林省農(nóng)安地區(qū)鹽漬土為研究對(duì)象，通過(guò)在室內(nèi)采用程序式高低溫試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行鹽漬土的凍脹試驗(yàn)，結(jié)果表明，凍脹量不僅與溫度有關(guān)，而且與壓實(shí)度、含水率、易溶鹽含量等因素有關(guān)。本文試驗(yàn)結(jié)果，有助于對(duì)由鹽漬土凍脹造成的破壞采取有效的防治措施。

關(guān)鍵詞：鹽漬土；凍脹量；壓實(shí)度；含水率；含鹽量

0引言

吉林省西部地區(qū)廣泛分布著鹽漬土，土中易溶鹽會(huì)隨土體含水量的改變使土體的理化性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低。鹽漬土在溫度變化時(shí)，體積會(huì)產(chǎn)生脹縮現(xiàn)象，對(duì)建筑物造成破壞[1]。鹽漬土土體發(fā)生凍脹是土中易溶鹽含量、水的含量、礦物質(zhì)含量等自身性質(zhì)及外界溫度等多種因素的變化造成的[2]。在室內(nèi)通過(guò)改變影響鹽漬土凍脹的因素，進(jìn)行大量?jī)雒浽囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，影響鹽漬土凍脹的因素有很多， 但主要是水、 溫度、 鹽、壓實(shí)度4大因

素。通過(guò)凍脹試驗(yàn)，研究鹽漬土的凍脹與溫度、含水率、壓實(shí)度及含鹽量之間的關(guān)系，為工程施工、設(shè)計(jì)提供參考。

1試驗(yàn)材料與方案設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)使用的鹽漬土取自長(zhǎng)春農(nóng)安地區(qū)，采用0.8 m深度范圍內(nèi)土樣的粒度成分、天然密度、陽(yáng)離子交換量、塑性指數(shù)及易溶鹽總量等各項(xiàng)基本理化性質(zhì)的平均值作為試驗(yàn)的主要指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)土樣主要理化指標(biāo)

1.2試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.2.1影響試驗(yàn)因素的確定

1.2.1.1含水率

外界溫度變化時(shí)，水會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生很大的影響。在溫度降至水的凍結(jié)溫度后，土體中水結(jié)冰膨脹，出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。根據(jù)之前的研究[3]表明，在封閉系統(tǒng)中，土體的起脹含水率接近土體的塑限。實(shí)驗(yàn)測(cè)得試驗(yàn)土樣的平均塑限為17%。對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行含水率測(cè)試后得土樣的平均含水率為21%，最大含水率為24.3%。所以將試驗(yàn)土樣含水率設(shè)定為16%、20%、24% 3種。

1.2.1.2溫度

在封閉系統(tǒng)中，當(dāng)溫度降至-3 ℃時(shí)，土體凍脹變形能力增強(qiáng)，凍脹量達(dá)到最大凍脹量的75%左右；當(dāng)溫度降至-3～-7 ℃時(shí)，土體凍脹速率變緩，此時(shí)凍脹量只占最大凍脹量的20%左右；當(dāng)溫度降至-7～-10 ℃時(shí)，凍脹量變化不再明顯，幾乎不增加或接近于零[4]。由此將本次試驗(yàn)溫度定為5 ℃、-3 ℃、-7 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃ 6種。

1.2.1.3鹽

1.2.1.4壓實(shí)度

壓實(shí)度對(duì)土體凍脹的影響也很大。工程施工中，規(guī)范要求填筑土料的壓實(shí)度達(dá)到90%以上。當(dāng)壓實(shí)度小于85%時(shí)，凍脹效果不太明顯；壓實(shí)度大于95%時(shí)，凍脹現(xiàn)象明顯，但變化不大[7]。所以將本試驗(yàn)土樣的壓實(shí)度定為85%、90%、95% 3種。

經(jīng)分析后，采用水、溫度、鹽、壓實(shí)度4個(gè)因素作為本次凍脹試驗(yàn)的影響因素。為確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每個(gè)試樣都做一個(gè)平行試樣，計(jì)算時(shí)取兩個(gè)試樣的平均值。如圖1所示。

圖1　凍脹試樣配置圖

1.2.2試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)使用的是程序式高低溫試驗(yàn)機(jī)，如圖2所示。溫度調(diào)控精度為0.1 ℃，溫度調(diào)控范圍為-40～120 ℃。

圖2　程序式高低溫試驗(yàn)機(jī)

1.2.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所采用的土體均為重塑土。試驗(yàn)前先將土樣過(guò)2 mm篩分篩，然后將篩后土樣調(diào)配成表2中的不同含鹽量和含水率，再將調(diào)配好的各類(lèi)土樣密封靜置24 h。24 h后根據(jù)壓實(shí)度計(jì)算出各類(lèi)土樣所需質(zhì)量，按設(shè)計(jì)時(shí)的3種壓實(shí)度均勻地壓入內(nèi)徑10 cm、高7 cm的圓形有機(jī)玻璃管內(nèi)，成型后的土樣高5 cm，預(yù)留2 cm的膨脹空間。試樣成型后裝上百分表。如圖3所示。

試驗(yàn)時(shí)，將試樣放入試驗(yàn)箱內(nèi)，溫度設(shè)置為5 ℃，穩(wěn)定24 h后，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)的溫度(-3 ℃、-7 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃)逐次降溫，每次降溫均間隔6 h，讀取每個(gè)溫度下百分表的讀數(shù)。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了能直觀(guān)地看出試樣凍脹量的變化情況，采用凍脹率來(lái)評(píng)價(jià)凍脹結(jié)果。凍脹率計(jì)算公式[8]：

式中： εfh為t時(shí)刻試樣的凍脹率(%)；Δh為0～t時(shí)間內(nèi)試樣的軸向變形(mm)；h0為試驗(yàn)前試樣高度(mm)。

2.1試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2　試樣凍脹試驗(yàn)結(jié)果　%

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1含水率對(duì)試樣凍脹的影響

1)不同含水率對(duì)0.95%含鹽量(天然含鹽量)試樣凍脹的影響。由圖4可以看出，在含鹽量均為0.95%(天然含鹽量)的時(shí)候，除85%壓實(shí)度、16%含水率試樣出現(xiàn)收縮變形外，其他試樣均表現(xiàn)為膨脹變形。95%壓實(shí)度、16%含水率的試樣凍脹率很小，基本為零。壓實(shí)度越大，含水率越高，試樣的凍脹率越大。其中95%壓實(shí)度、24%含水率的試樣凍脹率最大為4.73%，85%壓實(shí)度、16%含水率的試樣凍脹率最小為-1.12%。試樣發(fā)生收縮變形是因?yàn)樵谠嚇訅簩?shí)度及含鹽量都較低時(shí)，土體疏松，土顆粒間黏結(jié)不緊密，造成較多的孔隙，在含水率也較低的情況下，土體中少量的水在凍結(jié)時(shí)所形成的冰并不足以填充所有的孔隙，從而造成土體收縮變形的現(xiàn)象。

圖4　0.95%含鹽量時(shí)不同含水率、壓實(shí)度試樣的凍脹率隨溫度變化曲線(xiàn)

2)不同含水率對(duì)1.5%含鹽量試樣凍脹的影響。由圖5可以看出，在含鹽量均為1.5%的時(shí)候，除85%壓實(shí)度、16%含水率試樣會(huì)出現(xiàn)收縮變形外，其他試樣均表現(xiàn)為膨脹變形。壓實(shí)度越大，含水率越高，試樣的凍脹率越大。其中95%壓實(shí)度、24%含水率的試樣凍脹率最大為4.59%，85%壓實(shí)度、16%含水率的試樣凍脹率最小為-0.54%。

圖5　1.5%含鹽量時(shí)不同含水率、壓實(shí)度試樣的凍脹率隨溫度變化曲線(xiàn)

3)不同含水率對(duì)2.0%含鹽量試樣凍脹的影響。由圖6可以看出，在含鹽量均為2.0%的時(shí)候，除16%含水率試樣會(huì)出現(xiàn)收縮變形外，其他試樣均表現(xiàn)為膨脹變形。壓實(shí)度越小，含水率越高，試樣的凍脹率越大。其中85%壓實(shí)度、24%含水率的試樣凍脹率最大為4.28%，85%壓實(shí)度、16%含水率的試樣凍脹率最小為-0.94%。

圖6　2.0%含鹽量時(shí)不同含水率、壓實(shí)度試樣的凍脹率隨溫度變化曲線(xiàn)

3.2.2含鹽量對(duì)試樣凍脹的影響

1)不同含鹽量對(duì)16%含水率試樣凍脹的影響。由圖7可以看出，在85%壓實(shí)度、16%含水率時(shí)，不同含鹽量的試樣在降溫后均表現(xiàn)為收縮變形現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因?yàn)?6%含水率的試樣中水的含量相對(duì)較少，鹽的含量相對(duì)較多，土中含有大量的Na+，而Na+吸附大量的水，致使土體中的結(jié)合水膜較厚，結(jié)合水在降溫后并不能像自由水那樣凍結(jié)成冰，就不能填滿(mǎn)土中的孔隙，導(dǎo)致土體出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。Na+越多，形成的結(jié)合水就越多，收縮就越明顯。95%壓實(shí)度的試樣表現(xiàn)為含鹽量越高，凍脹率越大的現(xiàn)象。90%壓實(shí)度的試樣雖然表現(xiàn)為膨脹變形，凍脹率卻隨含鹽量的增大而減小。其中90%壓實(shí)度、0.95%含鹽量的試樣凍脹率最大為1.15%，85%壓實(shí)度、0.95%含鹽量的試樣凍脹率最小為-1.12%。

2)不同含鹽量對(duì)20%含水率試樣凍脹的影響。由圖8可以看出，在20%含水率時(shí)，試樣均表現(xiàn)為膨脹變形，其中85%和95%壓實(shí)度的試樣的凍脹率隨含鹽量的增大而增大，90%壓實(shí)度的試樣的凍脹率隨含鹽量的增大而減小。其中95%壓實(shí)度、2.0%含鹽量的試樣凍脹率最大為3.34%，90%壓實(shí)度、2.0%含水率的試樣凍脹率最小為-1.55%。

圖8　20%含水率時(shí)不同含鹽量、壓實(shí)度試樣的凍脹率隨溫度變化曲線(xiàn)

3)不同含鹽量對(duì)24%含水率試樣凍脹的影響。由圖9可以看出，在24%含水率時(shí)，試樣均表現(xiàn)為膨脹變形，凍脹率都很接近。其中95%壓實(shí)度、0.95%含鹽量的試樣凍脹率最大為4.73%，85%壓實(shí)度、0.95%含鹽量的試樣凍脹率最小為3.04%。

圖9　24%含水率時(shí)不同含鹽量、壓實(shí)度試樣的凍脹率隨溫度變化曲線(xiàn)

3.2.3壓實(shí)度對(duì)試樣凍脹的影響

1)不同壓實(shí)度對(duì)0.95%含鹽量試樣凍脹的影響。由圖10看出，在0.95%含鹽量時(shí)，不同壓實(shí)度試樣基本上表現(xiàn)為膨脹變形，凍脹率都為正值。只有16%含水率的85%和95%壓實(shí)度試樣凍脹率為負(fù)值。95%壓實(shí)度、24%含水率試樣凍脹率最大4.73%，85%壓實(shí)度、16%含水率試樣凍脹率最小-1.12%。

圖10　0.95%含鹽量時(shí)不同壓實(shí)度、含水率試樣的凍脹率隨溫度變化曲線(xiàn)

2)不同壓實(shí)度對(duì)1.5%含鹽量試樣凍脹的影響。由圖11可以看出，在1.5%含鹽量時(shí)，不同壓實(shí)度的試樣基本上表現(xiàn)為膨脹變形，凍脹率都為正值。只有16%含水率時(shí)85%壓實(shí)度的試樣凍脹率為負(fù)值。其中95%壓實(shí)度、24%含水率的試樣凍脹率最大為4.59%，85%壓實(shí)度、16%含水率的試樣凍脹率最小為-0.94%。

圖11　1.5%含鹽量時(shí)不同壓實(shí)度、含水率試樣的凍脹率隨溫度變化曲線(xiàn)

3)不同壓實(shí)度對(duì)2.0%含鹽量試樣凍脹的影響。由圖12可以看出，在2.0%含鹽量時(shí)，不同壓實(shí)度的試樣基本上表現(xiàn)為膨脹變形，凍脹率都為正值。只有16%含水率時(shí)85%和90%壓實(shí)度的試樣凍脹率為負(fù)值。其中85%壓實(shí)度、24%含水率的試樣凍脹率最大為4.28%，85%壓實(shí)度、16%含水率的試樣凍脹率最小為-0.54%。

圖12　2.0%含鹽量時(shí)不同壓實(shí)度、含水率試樣的凍脹率隨溫度變化曲線(xiàn)

3結(jié)語(yǔ)

本文主要內(nèi)容是對(duì)室內(nèi)封閉系統(tǒng)下鹽漬土的凍脹特性試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果以土體的平均凍脹率大小來(lái)評(píng)判，現(xiàn)得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)部分試樣在剛降溫時(shí)并未表現(xiàn)出膨脹現(xiàn)象，而是出現(xiàn)收縮變形，繼續(xù)降溫后才出現(xiàn)膨脹變形，其凍脹率隨溫度降低而逐漸增大，但溫度降至-10℃后，試樣的凍脹變形基本趨于穩(wěn)定，因此，-10℃接近土體的凍脹穩(wěn)定溫度。

2)通過(guò)觀(guān)察試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低于20%含水率的試樣大多表現(xiàn)出收縮現(xiàn)象，等于或高于20%含水率的試樣基本表現(xiàn)為膨脹現(xiàn)象，凍脹率隨含水率增大而增大。當(dāng)含水率小于24%時(shí)，試樣的凍脹率隨壓實(shí)度的增大而增大，在含水率較高時(shí)，90%壓實(shí)度試樣的凍脹率高于85%和95%壓實(shí)度的試樣，90%壓實(shí)度的試樣凍脹率增幅最大，且與含鹽量成正比，85%和95%壓實(shí)度的試樣的凍脹率增長(zhǎng)緩慢。

3)鹽分含量的不同也會(huì)對(duì)凍脹率造成影響，鹽會(huì)在一定程度上抑制土體的凍脹特性。隨著試樣含鹽量的增加，各壓實(shí)度試樣的凍脹率大小差別越來(lái)越小，因?yàn)橥馏w越密實(shí)，孔隙就越少，在凍結(jié)過(guò)程中，鹽分的分解減小，鹽含量越高，結(jié)晶析出的結(jié)晶鹽含量就越高，土中孔隙被結(jié)晶鹽填充，水分遷移通道受阻，致使土體凍脹受到影響。

4)在所有試樣中，0.95%含鹽量、24%含水率、95%壓實(shí)度的試樣的凍脹率最大為4.73%，0.95%含鹽量、16%含水率、85%壓實(shí)度的試樣的凍脹率最小為-1.12%。由此看出，較大的壓實(shí)度、較高的含水率、較低的含鹽量的土體更有利于凍脹的產(chǎn)生。試樣在2.0%含鹽量時(shí)，85%壓實(shí)度、24%含水率時(shí)有最大凍脹率為4.28%，90%壓實(shí)度、16%含水率時(shí)凍脹率最小為-0.29%，由此看來(lái)，在高含鹽量時(shí)，低壓實(shí)度的試樣的凍脹性能反而更好。

在對(duì)各種影響因素對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，這些因素均在不同程度上對(duì)土體的凍脹率產(chǎn)生著影響，且并不是相互分離單獨(dú)作用，而是相互制約、相互的，所以應(yīng)從整體上研究幾種影響因素間的關(guān)系，這樣才能得出較為準(zhǔn)確的結(jié)論。

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Experimental Study on Frost Heaving Characteristics of Saline Soil in Nong’an Area Jilin Province

WAN Jian, etc.

(ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：Saline soil is widely distributed in Western part of Jilin province. In recent years the phenomenon of damaged construction in buildings (structures) is becoming more and more frequent caused by the soil frost heave. In this paper, saline soil in Nong’an area Jilin Province has been taken as the research subject, and through indoors program type high and low temperature test machine saline soil frost heaving test has been made. The test results indicate that, frost heaving amount is not only related to the temperature, but also related to many factors such as compaction degree, moisture content, soluble salt content, etc. The results of this test are helpful to take effective measures to prevent and control the damage caused by frost heaving of saline soil, and have very important theoretical and practical significance.

Key words：saline soil; frost heave amount; compaction degree; moisture content; salt content

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-8984(2016)01-0015-07

中圖分類(lèi)號(hào)：TU448

通訊作者：王文華

作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)健(1989-)，男(漢)，湖北，碩士

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41302247，41430642，41372267)

收稿日期：2015-09-25

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.004

博士點(diǎn)基金(20120061110054)

吉林省教育廳科技項(xiàng)目(吉教科合字2013第295號(hào))

建設(shè)部項(xiàng)目(2012BAJ19B02)

主要研究道路工程。