硫酸鹽漬土機場鹽脹破壞試驗研究

劉小川 吳愛紅 劉俊紅 周 奇

(1.中國航空港建設第九工程總隊，四川 成都 611430； 2.南部戰區空軍勘察設計院，廣東 廣州 510000； 3.東戰區空軍勘察設計院，江蘇 南京 210000)

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硫酸鹽漬土機場鹽脹破壞試驗研究

劉小川1吳愛紅2劉俊紅2周 奇3

(1.中國航空港建設第九工程總隊，四川 成都 611430；
2.南部戰區空軍勘察設計院，廣東 廣州 510000； 3.東戰區空軍勘察設計院，江蘇 南京 210000)

通過室內試驗，模擬研究了機場浸水條件下不同壓實度、不同硫酸鈉含量的土質區與道面區鹽漬土的膨脹性，分析了壓實度、含鹽量、水分、荷載對硫酸鹽漬土機場破壞的影響，結果表明，壓實度、含鹽量越大，膨脹量亦越大，壓實度、含鹽量不均勻是機場破壞內因；水分、荷載是道面破壞的外部因素，水分對膨脹影響很大；道面區的膨脹比土質區要小得多，道面結構層自重荷載對膨脹有較好抑制作用，但25 kPa還不足以抑制膨脹。

機場，地基，硫酸鹽漬土，膨脹量

硫酸鹽漬土對道路的主要危害是鹽脹。據青海、新疆等內陸鹽漬土地區道路調查表明[1,2]，鹽漬土鹽脹對道路的破壞形式主要表現在：路面產生不均勻變形，形成波浪、鼓包，使路面的平整度嚴重下降；因鹽脹的反復作用，促使路基土體的結構遭到破壞，引起路基整體強度和穩定性下降。鹽脹導致的不均勻變形使路面開裂，經行車碾壓，會加速路面破壞。敦煌機場[3,4]等幾個機場的調查資料也表明，鹽漬土對機場工程的主要危害包括引起道面板錯臺、斷裂、平整度顯著降低、鼓包、道肩邊坡失穩、隆起。

目前公路、鐵路部門對鹽漬土研究得比較多，取得了豐碩的成果，機場部門研究較少，對鹽漬土機場破壞的原因和機理研究還很不夠，機場地基壓實度高，平整度限制嚴格，與公路、鐵路有很大不同。本文擬通過室內試驗模擬機場浸水條件下不同壓實度、不同硫酸鈉含量的土質區與道面區鹽漬土的膨脹，以研究鹽脹量與含鹽量、壓實度之間的關系，分析道面結構層自重荷載對硫酸鹽漬土機場地基膨脹的影響，并在此基礎上分析鹽漬土機場破壞的原因，以探討鹽漬土機場破壞機理。

1 實驗方法

1.1 實驗儀器

無載膨脹試驗參考T 0125—1993公路土工試驗規程規定進行，儀器用膨脹儀。有載膨脹試驗儀器為三聯中壓式固結儀，參考T 0137—1993公路土工試驗規程規定進行[5]。

1.2 實驗方案

機場工程壓實度一般要求超過90%,試驗壓實度考慮90%,95%,98%；西北地區氣候干旱，土壤含水量低，戈壁沙漠天然含水量一般僅1%～3%[6]，因此考慮最不利情況，將試樣完全烘干。

道面承受的荷載還有很多，有飛機靜荷載、飛機動荷載、風雪荷載以及人、車等，但長期作用于道面的荷載主要還是道面結構層自重，因此試驗的上覆荷載只考慮道面結構層自重。西北地區機場道面板厚度按30 cm、混凝土容重按2 500 kg/cm3計，道面產生的自重應力約為7.35 kPa；道面下結構層厚度粗略按1 m算，容重按1 800 kg/cm3計，產生的自重應力約為17.64 kPa；因此兩者之和約為25 kPa。故本次試驗上覆荷載采用25 kPa。

1.3 實驗步驟

試驗時，在膨脹儀(固結儀)底座中置濕潤的透水石1塊，將環刀鈍口端旋在底座上，使試樣底面與透水石頂面接觸，然后一并放到水盆中。將有孔活塞板放在試樣頂面上，對準活塞中心，將百分表裝好，并記錄百分表初始讀數。注純水入盆，盆內水面約與試樣底部高度齊平。記下開始注水時間，按30 min,2 h,3 h,24 h及以后每隔24 h記錄百分表讀數，直至試樣不再膨脹為止。移去百分表，將試樣從環刀內推出，放入表面皿中，稱皿、土總質量，精確至0.01 g。然后將試樣放入烘箱，烘至恒量，取出后，放在干燥器內，待冷卻后稱量，精確至0.01 g。

2 土樣基本性質

取土地點為西安灞橋區東李，土樣為黃土，天然含水量為19.8%，天然容重為19.78 kN/m3，干容重為16.5 kN/m3，土粒容重為26.84 kN/m3，孔隙比為0.63，孔隙率為0.38，飽和度為86.3%，液限為37.2%，塑限為20.2%，塑性指數Ip=17，液性指數Il≤0。

土樣采集后，通過曬干、木槌敲碎，再做篩分。篩分試驗結果如表1所示。

表1 篩分試驗表

通過擊實試驗得土樣最大干密度和最佳含水量，擊實試驗結果如下，土樣最大干密度為18.4 kN/m3，最佳含水量為14.5%。

原土樣摻入無水硫酸鈉粉末，含鹽量按無水硫酸鈉粉末摻量0%,0.5%,1%,2%,4%配置五種土樣，攪拌均勻，按最佳含水量拌好土樣，塑料袋密封燜制24 h，試件制備時按指定壓實度計算高20 mm、內徑61.8 mm試樣需土質量，裝模，用千斤頂壓實至20 mm，用頂土塊頂出后置于烘箱內完全烘干。

3 實驗數據

1)土質區不同含鹽量的膨脹試驗數據如表2所示。2)道面區不同含鹽量的膨脹試驗數據如表3所示。從試驗數據看，當鹽脹穩定時，浸水條件下道面區鹽漬土鹽脹率仍然較大，但與土質區鹽脹比起來要小許多。含鹽量4%時土質區鹽脹率最高達40.9%，而道面區鹽脹率僅為13.2%，以鹽漬土厚度1 m計，粗估土質區鹽脹量能達40 cm以上，道面區13.2 cm，兩者的鹽脹量相差27.7 cm，可見土質區與道面區的鹽脹是有很大區別的。

4 機場鹽脹破壞原因分析

硫酸鹽漬土地基的鹽脹一般可分為兩類，即結晶鹽脹與非結晶鹽脹。結晶鹽脹是指硫酸鹽漬土因溫度降低或失去水分后，溶于土中孔隙中的鹽濃縮并析出結晶而產生的體積膨脹，或者是失水后，土體存在無水硫酸鈉，當含水量逐漸增大時，無水硫酸鈉吸水結晶引起土體膨脹。非結晶膨脹是指由于鹽漬土中存在大量的吸附性陽離子，具有較強的親水性，遇水后很快地與膠粒相互作用，在膠粒顆粒和粘土顆粒周圍形成穩固的結合水薄膜，導致土體膨脹。

表2 土質區不同含鹽量的膨脹試驗數據表 %

表3 道面區不同含鹽量的膨脹試驗數據表 %

4.1 壓實度對機場破壞的影響

對試驗數據進行分析，可以得到膨脹率與壓實度的關系。從圖1,圖2都可以看到，壓實度大，鹽脹率也大。這主要是由于壓實度越大，土體顆粒間越緊密，孔隙率越小，從而鹽脹越明顯。機場工程壓實度高，機場面積大，土基壓實時難以保證各處壓實度完全一致，水分滲入時容易不均勻膨脹，降低道面平整度，加速機場破壞。

4.2 含鹽量對機場破壞的影響

根據試驗數據，可以得到膨脹率與含鹽量的關系曲線。圖3,圖4表明，隨著含鹽量增大，鹽脹率明顯增大。含鹽量是鹽脹的主要影響因素，含鹽量越大，吸水結晶的硫酸鈉越多，鹽脹越明顯。機場面積大，覆蓋的區域廣。機場選址難以保證飛行區地層含鹽量均一，而機場地基處理時又不能使地基各處含鹽量均勻分布，因此地基中硫酸鹽含量是不均勻的。在雨季或者地下水上升時，會發生不均勻膨脹，導致機場破壞。

4.3 水分對機場破壞的影響

試驗后測定含水量可以發現，含水量都有不同程度的增大，膨脹大的土樣含水量也大。實測資料[3]也表明，膨脹變形主要發生在地溫明顯回升，日夜溫差變化最大的冬末春初和降水量較集中的七、八月間，正是上述兩個季節的降雨為硫酸鈉的結晶創造了外界條件。多雨季節，雨水可通過道面裂縫和接縫處，進入道面基層和土基，無水硫酸鈉結晶，導致鹽脹現象發生，且各處滲入的水分不盡相同，造成道面不均勻膨脹。而后隨著水分的蒸發，膨脹也會慢慢緩解趨于穩定，每年周而復始地重復上述過程，土基不斷地膨脹與收縮，土體結構被破壞，承載力降低，造成道面開裂破壞。

4.4 荷載對機場破壞的影響

試驗發現，道面區的膨脹比土質區要小得多，道面結構層自重荷載對鹽漬土地基的膨脹有明顯的抑制作用，但25 kPa作用下鹽脹仍然較大，足夠對道面造成破壞。機場道面在飛機靜荷載、飛機動荷載、風雪荷載以及人、車等活載的作用下，地基各處膨脹會因荷載大小以及荷載作用時間不同而有很大差異。一般來說，跑道兩側鼓起，整體上道面產生鼓脹。跑道輪跡范圍內的道面膨脹很少，甚至發生沉陷；輪跡范圍外道面鼓起，膨脹逐漸增大，道肩的膨脹大于道面，土質區大于道肩。當道面整體發生鼓起時，飛機起落滑行重量抑制了輪跡范圍內道面的鼓起變形，使這部分道面不能產生與外側道面同樣量級的變形，因而在輪跡分界處產生了拉應力，容易導致輪跡分界處道面沿跑道縱向開裂[3]。另外，因水分、壓實度、含鹽量不均勻導致的道面板錯臺、斷裂、平整度顯著降低、鼓包、隆起等危害，在飛機、人、車等活載以及環境因素的反復作用下，道面的破壞迅速加劇。

5 結語

壓實度、含鹽量不均勻是硫酸鹽漬土機場破壞的內因，而水分的滲入以及荷載的反復作用是其破壞的外部因素。試驗表明，壓實度、含鹽量越大時膨脹量亦越大，地基處理時應控制好含鹽量；在滿足承載力要求的條件下壓實度可以適當降低；應控制好施工質量，保證各處壓實度、含鹽量盡量均勻；雨水下滲對地基膨脹的影響很大，應重視排水設計；道面區的膨脹比土質區要小得多，結構層自重荷載對膨脹有較好抑制作用，但25 kPa還不足以抑制膨脹；飛機、人、車等活載反復作用會加劇道面破壞。

[1] 張長福,王曉陽.加強鹽漬土路面的養護及防治病害的措施[J].青海交通科技，2000(1):34-35.

[2] 王智明.青海省西寧地區鹽漬土的特征及其對建筑物的危害[J].軍工勘查,1996(1):29-32.

[3] 楊茂華.敦煌機場道面病害分析[J].青海交通科技,2006(5):32.

[4] 張平川,董兆祥.敦煌民用機場地基的破壞機制與治理對策[J].水文地質工程地質,2003(3):78-80.

[5] JTG E40—2007,公路土工試驗規程[S].

[6] 華尊孟,沈秋武.西北內陸盆地粗顆粒鹽漬土研究[J].工程勘察,2001(1)：27-28.

The experiment of sulphate saline soil airport salt heaving ruin

Liu Xiaochuan1Wu Aihong2Liu Junhong2Zhou Qi3

(1.ChinaAirportConstructionNinthEngineeringCorps,Chengdu611430,China;2.AirforceEngineeringDesignDepartmentofSouthernWarZone,Guangzhou510000,China;3.AirforceEngineeringDesignDepartmentofEasternWarZone,Nanjing210000,China)

Through indoors experiments, salt heaving of sulphate saline soil in terrene area and pavement district of airport is simulated under the condition of water soakage, considering different compaction degree and saltness. The effect to sulphate saline soil airport ruin produced by compaction and saltness degree, water and load were analyzed. The result is that, higher degree of compaction and saltness bring bigger salt heaving,different degree of compaction and saltness are the inside reasons of airport ruin, water and load are out reasons, water is especially important factor, salt heaving in pavement district is much more small than terrene area, deadweight of structural layer can restrain the salt heaving well, but 25 kPa is not enough to reduce it to zero.

airport, foundation, sulphate saline soil, swell increment

1009-6825(2017)11-0075-03

2017-02-07

劉小川(1982- ),男,工程師

TU448

A