新疆某地區天然強氯鹽漬土的鹽—凍脹力規律研究

2018-02-26 02:47:03那姝姝

山西建筑 2018年3期

那姝姝

(新疆華宇建科工程勘察設計有限公司，新疆烏魯木齊 830011)

1 概述

土具有三相性，是由氣相、液相、固相三部分組成。鹽漬土是巖土中易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性的土[1]。鹽漬土的液相中含有易溶鹽，其固相除土粒外有鹽晶體的存在，鹽漬土在外部環境發生變化時，鹽漬土中的易溶鹽和鹽晶體即鹽漬土部分液、固相之間會相互轉換，這就是造成鹽漬土與非鹽漬土的液相和固相不同的主要原因，引起鹽漬土和非鹽漬土不同的工程特性。

目前對鹽漬土的研究較多，但對鹽漬土鹽—凍脹力的研究較少。工程中對膨脹壓力引起的變形較為關注，由于建筑物對地基土的變形較敏感，如果膨脹變形過大，就會引起建(構)筑物的地基或上部結構的損壞。自然條件下隨季節的交替變化，鹽漬土中部分液、固相之間會互相轉化，會發生鹽—凍脹現象，這將可能會造成鹽漬土地區的建筑物地基或上部結構破壞，所以在鹽漬土地區的建筑物在建設時應全面考慮鹽—凍脹力可能對建筑物造成的影響。因此對鹽漬土的鹽—凍脹力進行相關的試驗研究，以發現鹽—凍脹力的規律，這會對存在鹽漬土的地區建設具有重要意義。

鹽—凍脹力的常規試驗方法有兩種，第一種在外界溫度變化條件下使土樣體積膨脹，膨脹結束后施加壓力使其體積恢復原狀，從而推出膨脹體積的鹽—凍脹力。這類試驗的主要優點是儀器設備和試驗方法比較簡單、易實施。第二種是在外界溫度變化條件時，保證土樣的體積不變，測定維持土樣體積不變需要的力，從而得出鹽—凍脹力。這種試驗方法所需特定的儀器設備，試驗過程中不易控制，因此本文采用第一種試驗方法進行試驗研究。

2 鹽漬土鹽—凍脹力試驗

試驗選用新疆某地區的天然強氯鹽漬土作為試驗研究對象，考慮了不同含水率和不同干密度對鹽漬土鹽—凍脹力的影響，試驗條件選用不相同含水率和不相同干密度。選鹽漬土含水率為10%,13%和16%，3種不同含水率；干密度為1.46 g/cm3,1.56 g/cm3,1.66 g/cm3，3種不相同的土試樣干密度進行試驗。

2.1 試樣的制備

試驗材料選用新疆某地區的天然強氯鹽漬土，土試樣采用深度1.0 m～1.5 m，總含鹽量5.7%的天然鹽漬土。土樣為細粒土，主要成分以粉土為主，土體顆粒粒徑均勻，經室內土工擊實試驗得到本次采用的天然鹽漬土的最優含水率和最大干密度分別為13.0%和1.89 g/cm3。

制備試驗時選用碾碎的自然風干鹽漬土和無離子蒸餾水，制備不同含水量的土備用。在實驗室的室溫(20 ℃)將水加入風干土充分攪拌均勻之后將土裝進塑料袋密閉24 h。待水、土充分完全接觸后，將土平分三次擊實到試驗用的環刀中(土試樣制備的過程中須做到密度的一致性)，以達到土試樣所需的干密度。

將制備好的土樣放置在外界室溫下冷凍土試樣12 h，拿回恒溫25 ℃實驗室融化12 h，進行凍融循環試驗。

2.2 試驗的方法

在土樣測試儀器中按次序放入透水石、塑料紙、護環、環刀、量力環、有機玻璃板、百分表。在試驗過程中為使玻璃板能與百分表有良好接觸，避免在試驗中因為降溫產生的霜可能對試驗造成大的誤差，在試驗開始前在量力環和玻璃板的側壁以及百分表的推桿側壁涂一薄層潤滑油后，開始土樣的凍融循環試驗。

3 結論

3.1 相同含水量不同初始干密度下累加鹽—凍脹力與凍融循環次數的關系

土試驗在相同的含水量時不相同干密度的土試樣，其累加的鹽—凍脹力會隨凍融次數的變化規律見圖1～圖3，由圖1～圖3可看出，土試樣在相同含水量時土試樣的累加鹽—凍脹力會伴隨干密度的增加而增加，同一個土試樣的鹽—凍脹力會隨凍融次數的增加而增加。

土樣在室外進行冷凍時，土體中的水分隨溫度的降低會發生凍脹現象，土體中的易溶鹽溶液發生鹽脹現象。發生鹽—凍脹時，Na2SO4·10H2O結晶體充填于土粒接觸間及土樣孔隙中使土體體積膨脹。由孔隙比公式可知，干密度大的土樣孔隙率小，容納Na2SO4·10H2O結晶體的空間小，鹽—凍脹力大。

在土樣的凍融循環試驗過程中，溫度降低使土樣產生鹽—凍脹變形，此時，處于孔隙和土粒接觸間的Na2SO4溶液隨溫度的降低Na2SO4吸水結晶膨脹，使土顆粒之間發生相對位移，土樣干密度降低。土樣在升溫的過程中，在土樣中主要處于土顆粒接觸間和小孔隙中起骨架作用的硫酸鈉結晶體和冰由固相變成了液相，土樣融化下沉體積減小，但是土樣體積會有殘余變形；而能膨脹土樣但在土體中主要位于較大孔隙中起不到骨架作用的Na2SO4·10H2O和冰溶于孔隙中，土樣在融化時不會產生沉降，使土樣體積存在殘余變形。

由上述可知，土試樣在凍融循環的過程中存在殘余變形，這就使得土試樣的累加鹽—凍脹量會隨凍融循環次數的增加而不斷增加，累加鹽—凍脹力隨凍融循環次數的增加而增大。

3.2 不同初始含水率下累加鹽—凍脹力與凍融循環次數的關系

不同含水率下土樣的累加鹽—凍脹力隨凍融次數變化的規律見圖4～圖6，從圖4～圖6中可以得到，土樣在同一干密度條件下，隨含水率的變化累加鹽—凍脹力呈現出拋物線的規律。當土試樣的含水量小于最優含水率(13%)時，土試樣的累加鹽—凍脹力會隨含水量的增大而增大；當土試樣的含水量率大于最優含水率(13%)時，隨含水量的增多土試樣的累加鹽—凍脹力減??；當含水量貼近最優含水率時土試樣有最大的累加鹽—凍脹力。

土樣在凍融循環時，含水率較小的土樣由于土顆粒之間的粘聚力、內摩擦力、土顆粒引力較大，制約土樣體積膨脹，大部分Na2SO4·10H2O結晶體充填于孔隙間，隨著含水率的減小土樣的鹽—凍脹力減??；隨含水率的逐漸增加，土顆粒之間由于水的潤滑作用，使土樣的粘聚力、內摩擦力減小，另外，含水率的增大造成土粒周圍的弱結合水增加、水膜增厚、土顆粒之間的引力減小，使得土顆粒之間容易產生相對位移，對土樣鹽—凍脹的制約作用減小，所以土體鹽—凍脹力增加。

隨著土樣的含水量再次增加，土試樣中自由水和毛細水的含量增加，這使得土體的孔隙溶液中Na2SO4含量增加，土粒接觸間的Na2SO4含量減小。同一干密度的土樣隨含水率的增大、溫度的降低，孔隙間Na2SO4·10H2O結晶含量增加，而土粒接觸之間的Na2SO4·10H2O結晶含量減小。我們知道土樣孔隙間吸收Na2SO4·10H2O結晶的能力比土粒接觸之間吸收Na2SO4結晶的能力強的多，所以隨含水率的增加土樣的鹽—凍脹量減小，鹽—凍脹力減小。

土試樣中的溶液處于孔隙中和土粒接觸間，處于土粒接觸間的鹽溶液是土體產生鹽—凍脹力的主要組成部分。當土試樣的含水率在最優含水率附近時，土樣中的鹽溶液主要處于土粒接觸之間，與此同時，土顆粒之間的粘聚力、內摩阻力及土粒間引力較小，所以含水量為最優含水率的土試樣在凍融循環時其累加鹽—凍脹力最大。

綜上，土試樣在不同含水量時土試樣的鹽—凍脹力是由鹽漬土中含鹽溶液存在位置(土粒接觸間和孔隙間)、土粘聚力、內摩擦力及土粒間引力等綜合作用的結果。