粗顆粒鹽漬土室內鹽脹系數測定方法及應用

孫安元，吳亞平，張曉波，王海新

(1. 蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2. 鐵道第三勘察設計院集團有限公司 天津 300142)

工程中把易溶鹽含量超過 0.3%的巖土體稱為鹽漬土，鹽脹指的是鹽漬土在外界溫度變化的工況下由易溶鹽結晶而引起的土體膨脹現象。在世界范圍鹽漬土內均有分布，其中我國的鹽漬土面積超過19萬 km2，占國土面積的 2%左右。劉文政等[1]按鹽漬土的分布地區及含鹽特點對我國的鹽漬土地區進行了劃分，其中粗顆粒鹽漬土主要分布在甘新內流鹽漬區及青藏高原鹽漬區等半干旱地區。鹽漬土在外界水熱條件影響下會出現鹽-凍脹等特有的工程特性，作為鐵路路基填料如若處理不當將出現路基塌陷、擠出變形等病害，嚴重影響通車安全[2-10]。隨著我國高速鐵路事業的發展以及“一帶一路”戰略的提出，將有大批量的高速鐵路干線經過粗顆粒鹽漬土分布區，給高速鐵路的修建及路基的病害防治提出了不小的挑戰。20世紀30年代，前蘇聯科學家率先對鹽漬土的成土原理及基本土力學性質進行了試驗研究。建國以來，隨著鹽漬土地區鐵路干線修筑的增多，我國學者對鹽漬土的工程特性、力學性質及病害機理進行了深入研究。徐學祖等[11-12]對鹽漬土的鹽脹凍脹機理做出了深入分析，并首次把含鹽量及土體空隙率納入鹽脹敏感度的判定指標，為凍土路基建設中采取拋石護坡的路基冷卻措施提供了理論依據。楊保存等[13]結合現場監測情況對鹽漬土路基的鹽脹特性進行了試驗研究，提出了影響路基鹽脹特性的基本影響因素，并指出硫酸鹽及外部滲水的共同作用是誘發鹽漬土路基變形破壞的主要原因。張莎莎等[14]在對路用粗顆粒鹽漬土的鹽脹特性研究的基礎上進行了室內大型路堤模型試驗，證實了粗顆粒鹽漬土作為路基填料的可用性。顧強康等[15]對粗顆粒硫酸鹽漬土進行室內鹽脹試驗，研究了上附荷載作用下硫酸鹽漬土的鹽脹特性及骨架顆粒對鹽脹力的影響，推導出了關于含鹽量的鹽脹率預估公式。目前，國內對于鹽漬土鹽脹特性的研究主要集中現場試驗的監測分析，而室內試驗主要以土體溫度為影響因素，對環境溫度的影響并沒有充分考慮。粗顆粒鹽漬土因其土體組成的特殊性，按照現行的土工試驗標準并不能對其鹽脹系數進行準確測定，本文在現有試驗方法的基礎上增加環境溫度的試驗變量，提出一種新型室內粗顆粒鹽漬土鹽脹系數的測試方法，并結合實際情況對粗顆粒鹽漬土的鹽脹特性進行了探討。

1 測定原理

鹽漬土鹽脹是指土體中的易溶鹽在低溫情況下吸水結晶造成體積增大，進而引起土體的膨脹變形的現象，鹽脹系數的測定旨在測定鹽漬土的膨脹周期內土體的最大變形量。鹽脹系數測定箱放置在GDJS—150冷熱交變試驗箱內，模擬自然環境下的溫度交替變化。為確保試驗土樣的邊界條件與自然條件相似，測定箱外壁附著錫紙泡沫保溫層，防止試驗土樣與周圍環境的熱交換，使土樣在降溫時同一水平面上的溫度保持一致，模擬自然環境中土體僅在上表面受溫度影響，并在內壁均勻涂抹凡士林，減小摩擦，達到豎向一維試驗效果。為確保試驗土體的壓實系數，土體分層壓實埋設，并在土體中分層埋設溫度傳感器，實時監測土體溫度。

控制粗顆粒鹽漬土的含水量，按要求的壓實度分層填充至測定箱內，設定交變溫度箱各周期的循環交變溫度，并用精度為0.01 mm的百分表采集1個試驗周期內的最大鹽脹量，具體求解公式如下：

式中：C為鹽脹系數；H為起脹后的土體最高高度；h為土體原始高度。

2 測定應用

2.1 試驗用土基本工程性質

試驗選取取自青海河套地區的天然粗顆粒鹽漬土，以土體壓實度、模型構造為恒量，以土體含水量、環境溫度為變量進行了室內粗顆粒鹽漬土鹽脹系數測定試驗。按照《土工試驗方法標準》GB/T 50123—1999的要求，對試驗用土進行擊實試驗、顆粒篩分試驗及易溶鹽含量試驗。由擊實試驗得到試驗用土最大干密度為1.98 g/cm3，自然含水量為3.5%，最優含水量為12.2%，顆粒篩分結果如表1所示，粒徑分配曲線由圖1所示，各化學成分含量如表2所示。

表1 試驗用顆粒土篩分結果Table 1 Results of the screening of granular soil for testing

圖1 粒徑分配曲線Fig. 1 Particle size distribution curve

由土體的粒徑分配曲線可知該粗顆粒鹽漬土的特征粒徑d10=0.26，d30=0.94，d60=5.6，不均勻系數 Cu=21.5，曲線系數 Cc=0.6。依據《土工試驗規程》SL237—1999的要求，該試驗用土判定為為黏性礫石土(GC)。

表2 試驗用土化學成分分析Table 2 Analysis of chemical constituents in soil for test

依據《鐵路路基設計規范》TB10001—2005，及實測易溶鹽各離子含量可將試驗用土劃定為弱硫酸鹽漬土。

2.2 試驗方案

1) 分別以 3.5%和 12.2%的含水量配比土樣，混合均勻后室內養生24 h。

2) 將養生好的土樣裝入鹽脹系數測定箱，參照《鐵路路基工程施工質量驗收標準》TB 10414—2003，試驗土樣壓實系數取K=0.92。

3) 將裝填好的鹽脹系數測定箱放入高低溫交變溫度箱內，以3 ℃的環境溫度保持48 h，使土體整體溫度達到試驗所模擬青海河套地區 10月平均地溫。待土體溫度穩定后，模擬試驗地區秋冬交替晝夜溫差大的工況，環境箱內溫度設定為-15 ℃制冷12 h，10 ℃回溫12 h，1個周期24 h共進行7周期循環。

4) 每隔1 h讀取百分表，測得Δh=H-h代入式(1)即可測得試驗過程中各階段的粗顆粒鹽漬土的鹽脹系數，其中Δhmax對應鹽漬土最大鹽脹系數。

3 測定結果分析

自然狀態下，外界氣溫為漸進變化，本試驗為更加顯著的體現粗顆粒鹽漬土在晝夜溫差較大工況下的鹽脹特性，采用恒定溫度降溫升溫模擬外界氣溫變化。由于溫度變化較實際更為劇烈，土體的鹽脹特性在試驗初期就有相對較明顯的體現，但土體最終的鹽脹系數會存在一定誤差。由圖2可見，自然含水量為 3.5%的天然粗顆粒鹽漬土的鹽脹曲線在7個周期內有較好的累加性，但1個循環周期內土體的變形量不能完全恢復。在凍融循環的前 2個周期內鹽脹增長速率較小，鹽脹現象不明顯，最大鹽脹量僅為穩定后最大鹽脹量的30%。由圖3可見自第3周期，中深層土體整體溫度才開始出現較為明顯的降溫，這是因為中深層土體溫度對外界氣溫變化存在滯后性。在等3至第5周期內鹽脹增量明顯，其中第5周期的最大鹽脹量已達最大鹽脹量的90%以上。自第4周期開始，在升溫階段土體的體縮現象明顯，這與表層凍結的起脹土體迅速降溫融化有關。在鹽脹試驗的后2個周期，土體的整體脹縮速率明顯加快，但最大鹽脹量不再有明顯變化，最大鹽脹量較第1凍融循環周期有近3.5倍的提高。最大鹽脹量及鹽脹系數見表3。

按最優含水量配比的天然粗顆粒土鹽脹系數較自然含水率狀態的鹽脹系數有較為明顯的改變，最大鹽脹量有接近40%的提高，整體鹽脹曲線與低含水率狀態下的曲線走勢相似。土體的鹽脹敏感度較自然含水率狀態有明顯提高，其中第 1，2周期就能表現出較為明顯的鹽脹特性，這是因為液態水充足能較好的滿足硫酸鹽低溫狀態下結晶的需要。在降溫階段的上半段鹽脹積累量較為明顯，可達整體鹽脹量的70%以上。在第5循環周期，最大鹽脹量已經接近峰值，可認為土體內的易溶鹽已有較為充分的結晶膨脹。因土體含水量較高，在多次凍融循環后土體整體溫度降低，土體表層會出現凍結現象。在升溫階段的前期，表層凍結土層迅速融化，液態水在土體表層富集，造成局部的溶陷現象，凍結土層的融化與表層土體溶陷的疊加造成了土體迅速的體縮，這在圖4的第4至5周期的鹽脹曲線中有較好的體現。在第6至第7周循環周期，土體整體溫度的進一步降低，在多次凍融循環后表層土體的壓實度降低，這使土體的鹽脹敏感度進一步增強，各階段的脹縮速率都有明顯提高。但因地溫傳遞的滯后性，整個試驗周期內中深層土體并未出現凍結現象，這也是試驗后2周期整體鹽脹量保持穩定的關鍵因素。

圖2 土體自然含水量(3.5%)24 h鹽脹曲線Fig. 2 Soil natural water content (3.5%) 24 h salt swelling curves

圖3 各土層平均溫度曲線Fig. 3 Average temperature curves of each soil layer

圖4 土體最優含水量(12.2%)24 h鹽脹曲線Fig. 4 Soil natural water content (12.2%) 24 h salt swelling curves

表3 土體鹽脹量及鹽脹系數表Table 3 Salt bulking volume and salt expansion coefficient of soil

4 結論

1) 提出了一種室內粗顆粒鹽漬土鹽脹系數的測定方法，并把環境溫度的周期性改變考慮在內，能較好的測定粗顆粒鹽漬土鹽脹量的改變，為實際工程建設提供有效依據。

2) 在外界溫度周期性改變的情況下，土體的鹽脹量有較好的累加性，隨著試驗土體整體溫度的降低，土體的鹽脹敏感度會出現較大幅度的提高，但最大鹽脹量與鹽脹敏感度無關。

3) 與低含水量狀態相比，粗顆粒鹽漬土在最優含水量條件下能表現出較強的鹽脹特性，其鹽脹敏感度亦有較大幅度提高。多次凍融循環試驗的中后期，高含水率試樣表層土體出現凍結現象，在升溫期會出現表層凍土融化塌陷及溶陷的共同作用，加快土體體縮速率。深層土體受外界氣溫擾動較弱，試驗土體整體未出現明顯凍脹現象，在一定試驗周期內最大鹽脹量保持穩定。

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