羅布泊天然亞硫酸鹽漬土鹽-凍脹試驗研究

胡浩

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000）

新疆羅布泊地區鹽漬土分布廣泛，尤以亞硫酸鹽漬土最為突出，該地區鹽漬化程度高，鹽脹、鹽漬化軟土發育明顯[1,2]。隨外界環境的變化，鹽漬土固相中包含的易溶鹽會溶解轉化為液相，又因水分蒸發鹽分結晶而成固相。可溶鹽在反復溶解與結晶過程中，頻繁出現積鹽與脫鹽，最終造成凍脹、鹽脹和融沉等問題[3]。本文旨在研究鹽漬土在多次凍融循環下的鹽-凍脹累加規律，為保障工程運行安全和鹽漬土化程度高的地區項目施工、設計提供理論指導依據。

1 試驗方案及試樣基本參數

1.1 試驗方案

試驗土樣為天然亞硫酸鹽漬土，試驗土樣取自羅布泊片區省級道路S235 沿線。為保證試驗土的最大干密度為93%，采用輕型擊實法對試驗土樣進行擊實。試驗模擬現場為20 ℃，經7 個循環周期，每個循環周期為48 h，由凍融循環設備測定試驗土在每個周期的鹽凍脹量及累加數據。

1.2 試驗方法

該地區降水量較小，晝夜溫差大。試驗保持冷端階梯式持續降溫升溫，采用室內開放系統大尺寸模擬試驗，分析試樣在經歷反復的溫度變化時的鹽-凍脹量。

試驗步驟：在室溫下，將試驗土密封養護24 h，成型后，用輕型擊實法單向擊實至所需干密度，然后分12 次裝入高60 cm、內徑30 cm 的有機玻璃桶中；采用凍融循環儀控制升降溫，考慮到羅布泊地區冬季極端的氣溫變化，現設定上部冷端溫度為-25 ℃，下部暖端始終控制在+5 ℃，見圖1。

圖1 冷端升降溫示意圖

羅布泊地區羅中氣象站監測數據顯示：該地區歷史氣溫變化范圍-22.7～48.0 ℃，最大晝夜溫差達38.2 ℃。上下制冷頭都可調設溫度（溫度區間-30～100 ℃），以實現溫度變化時土壤是從頂端向底端逐漸變化的過程；采用保溫材料包裹有機玻璃桶以隔離外界熱交換，模擬現場的一維溫度傳遞，使土樣可以縱向自由膨脹。在有機筒體周圍開孔安裝溫度測量裝置，由TES-1310 溫度儀監測不同深度土層溫度，制冷頭上部安裝位移測量百分表，可直接顯示土體鹽-凍脹變形量大小；在有機筒底部通過四通管連接外部補水裝置模擬地下補水，為使補充的鹽水濃度與地下水含鹽濃度相近，取當地鹵水從低端自下而上補水。試驗裝置示意圖見圖2。

圖2 試驗裝置示意圖

1.3 試驗土樣的基本性質

按照SL 237-1999《土工試驗規程》，對試樣進行室內試驗分析，測定基本參數[4]，見表1、表2。

表1 易溶鹽漬土試樣中各離子含量

表2 試樣基本參數

按照GB 50021-2009《巖土工程勘察規范》中對鹽漬土分類[5]，此次試驗用天然鹽漬土，屬強鹽漬土。

2 鹽脹累加試驗結果分析

通過凍融循環試驗得到亞硫酸鹽漬土鹽脹累加試驗數據，繪制成關系曲線[6,7]，見圖3。

圖3 亞硫酸鹽漬土的鹽脹累加過程線

由圖3 可知：

1）在第1次循環周期，土體的傳熱性不好，鹽脹量的增長幅度不明顯。當頂端溫度緩慢降低2 h后，鹽脹量緩慢增大，說明土樣體積變化對溫度變化敏感，鹽脹作用較顯著。

2）在第2—6 次循環過程中鹽脹增長較快，這主要是由于硫酸鹽漬土的鹽脹屬于結晶鹽脹，即土樣空隙中的鹽水因失去水分而結晶成鹽分，引起土體體積膨脹。

3）第7 次循環后累加鹽脹量最大為3.14 mm。

3 結論

1）亞硫酸鹽漬土變形過程可劃分為3 個階段：第一階段冷縮與鹽脹，隨著溫度的緩慢降低引起土體的冷縮，在冷縮與鹽體積膨脹的共同作用下使土體產生鹽脹；第二階段為鹽脹與凍脹，溫度降低一段時間后水固結成冰，硫酸鈉溶解度急劇降低，多余的硫酸鈉吸收的10 個水分子不斷結晶析出，形成Na2SO4·10H2O，使土體產生鹽-凍脹；第三階段為升溫回落階段，即冰融化與晶體溶解。

2）在溫度逐漸升高階段，鹽脹量急劇下降，開始時下降較明顯，而后期下降幅度較緩。原因是土體的孔隙可容納硫酸鈉的膨脹量，融化階段融化穩定值趨于穩定。雖然升溫階段使融化下沉量增大，但硫酸鹽具有較好的鹽脹累加性。當融沉增量逐漸減少，減小到一定程度趨于不變，使融化下沉值趨于穩定。

3）羅布泊亞硫酸鹽漬土的鹽脹累加速度在第4 次凍融循環后逐漸降低，7 次凍融周期最大累加鹽脹量為3.14 mm。