吉林省農安地區鹽漬土凍脹特性試驗研究

萬　健，王文華，李棟國，王　猛

(長春工程學院，長春130012)

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吉林省農安地區鹽漬土凍脹特性試驗研究

萬健，王文華，李棟國，王猛

(長春工程學院，長春130012)

摘要：吉林省西部地區廣泛分布著鹽漬土。近年來由于鹽漬土凍脹而造成的建(構)筑物破壞的現象越來越頻繁。以吉林省農安地區鹽漬土為研究對象，通過在室內采用程序式高低溫試驗機進行鹽漬土的凍脹試驗，結果表明，凍脹量不僅與溫度有關，而且與壓實度、含水率、易溶鹽含量等因素有關。本文試驗結果，有助于對由鹽漬土凍脹造成的破壞采取有效的防治措施。

關鍵詞：鹽漬土；凍脹量；壓實度；含水率；含鹽量

0引言

吉林省西部地區廣泛分布著鹽漬土，土中易溶鹽會隨土體含水量的改變使土體的理化性質發生變化，導致土體強度降低。鹽漬土在溫度變化時，體積會產生脹縮現象，對建筑物造成破壞[1]。鹽漬土土體發生凍脹是土中易溶鹽含量、水的含量、礦物質含量等自身性質及外界溫度等多種因素的變化造成的[2]。在室內通過改變影響鹽漬土凍脹的因素，進行大量凍脹試驗，試驗結果表明，影響鹽漬土凍脹的因素有很多， 但主要是水、 溫度、 鹽、壓實度4大因

素。通過凍脹試驗，研究鹽漬土的凍脹與溫度、含水率、壓實度及含鹽量之間的關系，為工程施工、設計提供參考。

1試驗材料與方案設計

1.1試驗材料

本次試驗使用的鹽漬土取自長春農安地區，采用0.8 m深度范圍內土樣的粒度成分、天然密度、陽離子交換量、塑性指數及易溶鹽總量等各項基本理化性質的平均值作為試驗的主要指標，見表1。

表1　試驗土樣主要理化指標

1.2試驗方案設計

1.2.1影響試驗因素的確定

1.2.1.1含水率

外界溫度變化時，水會對土體產生很大的影響。在溫度降至水的凍結溫度后，土體中水結冰膨脹，出現凍脹現象。根據之前的研究[3]表明，在封閉系統中，土體的起脹含水率接近土體的塑限。實驗測得試驗土樣的平均塑限為17%。對試驗土樣進行含水率測試后得土樣的平均含水率為21%，最大含水率為24.3%。所以將試驗土樣含水率設定為16%、20%、24% 3種。

1.2.1.2溫度

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

1.2.1.3鹽

1.2.1.4壓實度

壓實度對土體凍脹的影響也很大。工程施工中，規范要求填筑土料的壓實度達到90%以上。當壓實度小于85%時，凍脹效果不太明顯；壓實度大于95%時，凍脹現象明顯，但變化不大[7]。所以將本試驗土樣的壓實度定為85%、90%、95% 3種。

經分析后，采用水、溫度、鹽、壓實度4個因素作為本次凍脹試驗的影響因素。為確保試驗的準確性，每個試樣都做一個平行試樣，計算時取兩個試樣的平均值。如圖1所示。

圖1　凍脹試樣配置圖

1.2.2試驗設備

試驗使用的是程序式高低溫試驗機，如圖2所示。溫度調控精度為0.1 ℃，溫度調控范圍為-40～120 ℃。

圖2　程序式高低溫試驗機

1.2.3試驗方法

試驗所采用的土體均為重塑土。試驗前先將土樣過2 mm篩分篩，然后將篩后土樣調配成表2中的不同含鹽量和含水率，再將調配好的各類土樣密封靜置24 h。24 h后根據壓實度計算出各類土樣所需質量，按設計時的3種壓實度均勻地壓入內徑10 cm、高7 cm的圓形有機玻璃管內，成型后的土樣高5 cm，預留2 cm的膨脹空間。試樣成型后裝上百分表。如圖3所示。

試驗時，將試樣放入試驗箱內，溫度設置為5 ℃，穩定24 h后，按照試驗設計時的溫度(-3 ℃、-7 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃)逐次降溫，每次降溫均間隔6 h，讀取每個溫度下百分表的讀數。

2試驗結果與分析

為了能直觀地看出試樣凍脹量的變化情況，采用凍脹率來評價凍脹結果。凍脹率計算公式[8]：

式中： εfh為t時刻試樣的凍脹率(%)；Δh為0～t時間內試樣的軸向變形(mm)；h0為試驗前試樣高度(mm)。

2.1試驗結果

試驗結果見表2所示。

表2　試樣凍脹試驗結果　%

2.2試驗結果分析

2.2.1含水率對試樣凍脹的影響

1)不同含水率對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)的時候，除85%壓實度、16%含水率試樣出現收縮變形外，其他試樣均表現為膨脹變形。95%壓實度、16%含水率的試樣凍脹率很小，基本為零。壓實度越大，含水率越高，試樣的凍脹率越大。其中95%壓實度、24%含水率的試樣凍脹率最大為4.73%，85%壓實度、16%含水率的試樣凍脹率最小為-1.12%。試樣發生收縮變形是因為在試樣壓實度及含鹽量都較低時，土體疏松，土顆粒間黏結不緊密，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時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象。

圖4　0.95%含鹽量時不同含水率、壓實度試樣的凍脹率隨溫度變化曲線

2)不同含水率對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%的時候，除85%壓實度、16%含水率試樣會出現收縮變形外，其他試樣均表現為膨脹變形。壓實度越大，含水率越高，試樣的凍脹率越大。其中95%壓實度、24%含水率的試樣凍脹率最大為4.59%，85%壓實度、16%含水率的試樣凍脹率最小為-0.54%。

圖5　1.5%含鹽量時不同含水率、壓實度試樣的凍脹率隨溫度變化曲線

3)不同含水率對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%的時候，除16%含水率試樣會出現收縮變形外，其他試樣均表現為膨脹變形。壓實度越小，含水率越高，試樣的凍脹率越大。其中85%壓實度、24%含水率的試樣凍脹率最大為4.28%，85%壓實度、16%含水率的試樣凍脹率最小為-0.94%。

圖6　2.0%含鹽量時不同含水率、壓實度試樣的凍脹率隨溫度變化曲線

3.2.2含鹽量對試樣凍脹的影響

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

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

圖8　20%含水率時不同含鹽量、壓實度試樣的凍脹率隨溫度變化曲線

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

圖9　24%含水率時不同含鹽量、壓實度試樣的凍脹率隨溫度變化曲線

3.2.3壓實度對試樣凍脹的影響

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

圖10　0.95%含鹽量時不同壓實度、含水率試樣的凍脹率隨溫度變化曲線

2)不同壓實度對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，不同壓實度的試樣基本上表現為膨脹變形，凍脹率都為正值。只有16%含水率時85%壓實度的試樣凍脹率為負值。其中95%壓實度、24%含水率的試樣凍脹率最大為4.59%，85%壓實度、16%含水率的試樣凍脹率最小為-0.94%。

圖11　1.5%含鹽量時不同壓實度、含水率試樣的凍脹率隨溫度變化曲線

3)不同壓實度對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，不同壓實度的試樣基本上表現為膨脹變形，凍脹率都為正值。只有16%含水率時85%和90%壓實度的試樣凍脹率為負值。其中85%壓實度、24%含水率的試樣凍脹率最大為4.28%，85%壓實度、16%含水率的試樣凍脹率最小為-0.54%。

圖12　2.0%含鹽量時不同壓實度、含水率試樣的凍脹率隨溫度變化曲線

3結語

本文主要內容是對室內封閉系統下鹽漬土的凍脹特性試驗的結果進行分析。試驗結果以土體的平均凍脹率大小來評判，現得出以下幾點結論：

1)部分試樣在剛降溫時并未表現出膨脹現象，而是出現收縮變形，繼續降溫后才出現膨脹變形，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定，因此，-10℃接近土體的凍脹穩定溫度。

2)通過觀察試驗結果發現，低于20%含水率的試樣大多表現出收縮現象，等于或高于20%含水率的試樣基本表現為膨脹現象，凍脹率隨含水率增大而增大。當含水率小于24%時，試樣的凍脹率隨壓實度的增大而增大，在含水率較高時，90%壓實度試樣的凍脹率高于85%和95%壓實度的試樣，90%壓實度的試樣凍脹率增幅最大，且與含鹽量成正比，85%和95%壓實度的試樣的凍脹率增長緩慢。

3)鹽分含量的不同也會對凍脹率造成影響，鹽會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，各壓實度試樣的凍脹率大小差別越來越小，因為土體越密實，孔隙就越少，在凍結過程中，鹽分的分解減小，鹽含量越高，結晶析出的結晶鹽含量就越高，土中孔隙被結晶鹽填充，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%壓實度的試樣的凍脹率最小為-1.12%。由此看出，較大的壓實度、較高的含水率、較低的含鹽量的土體更有利于凍脹的產生。試樣在2.0%含鹽量時，85%壓實度、24%含水率時有最大凍脹率為4.28%，90%壓實度、16%含水率時凍脹率最小為-0.29%，由此看來，在高含鹽量時，低壓實度的試樣的凍脹性能反而更好。

在對各種影響因素對比后發現，這些因素均在不同程度上對土體的凍脹率產生著影響，且并不是相互分離單獨作用，而是相互制約、相互的，所以應從整體上研究幾種影響因素間的關系，這樣才能得出較為準確的結論。

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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

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2016)01-0015-07

中圖分類號：TU448

通訊作者：王文華

作者簡介：萬健(1989-)，男(漢)，湖北，碩士

基金項目：國家自然科學基金項目(41302247，41430642，41372267)

收稿日期：2015-09-25

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.004

博士點基金(20120061110054)

吉林省教育廳科技項目(吉教科合字2013第295號)

建設部項目(2012BAJ19B02)

主要研究道路工程。