南疆路基鹽漬土凍融循環(huán)的鹽脹性研究

席宣宣 李壽寧

在我國公路工程中，一般將地表1 m以內(nèi)易溶鹽類含量平均達(dá)到0.3%以上的土壤，稱之為鹽漬土［1］。鹽漬土在我國分布范圍廣泛，新疆、青海、甘肅、寧夏、陜西和內(nèi)蒙等地區(qū)是鹽漬土分布面積最廣最多的地域，約占全國鹽漬土總面積的60%左右。該地區(qū)鹽漬土分類屬于內(nèi)陸鹽漬區(qū)中的干旱、過干旱鹽漬土亞區(qū)。廣泛的道路調(diào)查表明，鹽漬土鹽脹和溶陷破壞是內(nèi)陸鹽漬土地區(qū)道路主要病害之一，鹽脹導(dǎo)致路面產(chǎn)生不均勻變形，形成波浪鼓包現(xiàn)象，溶陷導(dǎo)致路基路面不均勻沉陷，從而造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。

南疆地域受塔克拉瑪干沙漠干旱氣候的影響，土質(zhì)巖性呈高礦化度的鹽堿性。分布在塔克拉瑪干沙漠周邊的五地州四個師的交通道路都不同程度的受到鹽凍脹的破壞。新修道路三年后鹽凍脹破壞的程度可將局部路面抬高近20公分，有些地方原本低于路沿石10多公分的路面，因鹽凍脹上抬反而高出路沿石近10公分。其特點是:新修道路第一年越冬破壞程度輕一些，第二、第三個冬季，破壞程度一年比一年嚴(yán)重。四五年后基本趨于穩(wěn)定，但此時的道路上凸下陷破壞已經(jīng)很嚴(yán)重了，進(jìn)入春夏有所恢復(fù)，來年入冬又開始加劇破壞。這就是典型的鹽漬土道路病害。

道路破壞的規(guī)律是夏季基本不變形或變形很小，此時道路中的鹽、水、溫依然存在，但無明顯變形，說明0℃上溫度同鹽、水共場時不促成鹽漬土體積變化。變性破壞主要發(fā)生在冬季，說明低溫同鹽、溫共場時促使鹽漬土體積膨脹，對道路破壞起著決定性的作用。

本文主要對硫酸鹽漬土在開放系統(tǒng)中進(jìn)行多次凍融循環(huán)試驗，研究對相同壓實密度在不同含水率和不同含鹽量條件下，經(jīng)過幾個不同溫度梯變的凍融循環(huán)后，對不同含鹽量和含水率的鹽漬土的室內(nèi)試驗結(jié)果進(jìn)行研究分析，找到鹽漬土的鹽脹規(guī)律，從而證實鹽、水、低溫共場時對道路所起的破壞作用。

1 試驗方法及原材

1.1 試驗方法

鹽脹的發(fā)生主要是硫酸鹽漬土中的芒硝(Na2SO4·10H2O)，隨著溫度降低，硫酸鈉溶解度減小，吸水后形成結(jié)晶體，體積膨脹［2］而破壞道路。為了獲取硫酸鹽漬土經(jīng)降升溫結(jié)晶體積膨脹的相關(guān)資料，我們選用阿拉爾市道路破壞嚴(yán)重的典型路段的路基土作為試驗用土，采用室內(nèi)模擬試驗的方法，觀察試樣在經(jīng)歷反復(fù)升降溫時的鹽脹變化，測取經(jīng)多次凍融循環(huán)后的鹽凍脹試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)分析計算整理得出規(guī)律性的結(jié)果。

表1 土樣參數(shù)表

2 實驗裝置與結(jié)果

2.1 實驗裝置

主要實驗儀器裝置如圖1所示(1－底板、2－試桶、3－固定桿、4－墊鐵、5－套筒、6－百分表、7－連接桿)。

圖1 凍脹試驗儀器

2.2 試驗設(shè)計

本試驗通過對相同壓實度、含水率的含鹽和不含鹽的兩組試驗進(jìn)行對比分析而得出試樣的凍脹率和鹽脹率。試驗主要儀器采用《公路土工規(guī)程》中承載比(CBR)試驗的整套儀器(把量力環(huán)換成百分表，見圖1)、冰箱以及其他進(jìn)行裝樣的儀器;試驗采用與滲透試驗中各種不同的不均勻系數(shù)土樣，各組土樣及裝樣參數(shù)見表1;試驗過程中，通過將整套試驗裝置放置于設(shè)定為－15℃的恒溫冰箱中模擬降溫過程中鹽脹和凍脹;當(dāng)變形達(dá)到穩(wěn)定后，將整套儀器置于室溫(10℃)中，讓其自然升溫模擬融沉。而整體則進(jìn)行4－5次凍融循環(huán)。

整套試驗進(jìn)行四組試驗，每組包括兩個試樣。整個試驗分兩批進(jìn)行，每批四個試樣(第二組與第三組作為一批、第一組合第四組作為一批)其中三個架設(shè)百分表，一個架設(shè)溫度計(1－2和3－2)于試樣正中心

2.3 試驗結(jié)果

表2 鹽－凍脹試樣結(jié)果

2.4 實驗數(shù)據(jù)擬合及分析

采用最小二乘法原理，利用matlab編程分析，對試驗結(jié)果進(jìn)行擬合得到如下公式。

方式一假定Y1=A1Cu+A2W+A3Ws+A4d+A5

方式二假定Y2=B1

y 為鹽脹率，A1，A2，A3，A4，A5為待定系數(shù)，Cu為不均勻系數(shù)，w為含水率，Ws為含鹽量，d為試樣干密度

兩次分別擬合得到

從上兩公可知:A3＞A2＞A4＞A1，B3＞B2＞B4＞B1，因此對膨脹率影響最大的為含鹽量，含水量次之，干密度相對較小，不均勻系數(shù)對鹽脹率影響最小。鹽脹率隨干密度的增加而減小。

2.4.1 不同含鹽量的變形實驗

圖2 鹽－凍脹試驗結(jié)果

從圖2可以看出隨著時間的增加，各試樣的變形量也逐步增加，溫度降低引起了試樣的2.4.2 不同含鹽量的溫度實驗

圖3 鹽－凍脹試樣中心溫度

鹽－凍脹試驗結(jié)果見圖2、圖3，綜合分析可得:

(1)隨著溫度的降低試樣發(fā)生凍脹和鹽脹，對比2－1和2－2、4－1和4－2可知試驗過程中試樣的縱向變形主要是由鹽脹引起;隨著溫度的升高，試樣出現(xiàn)溶沉，并且變形有殘留，殘留變形具有累加性。

(2)鹽脹變形有累加效應(yīng)，而凍脹沒有累加效應(yīng)。因為鹽脹過程中有 Na2SO4·10H2O(芒硝晶體)產(chǎn)生，體積發(fā)生膨脹是原來體積的3倍，這使得試樣土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞、土顆粒間空隙增大，在溫度降低時殘留了變形;而凍脹會隨著溫度的升高，在自重應(yīng)力下發(fā)生恢復(fù)。因此對應(yīng)路基結(jié)構(gòu)中路基土在多次凍融循環(huán)后，土體結(jié)構(gòu)的損失也是累積的，多次凍融循環(huán)必然導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)損傷破壞。

(3)當(dāng)含水量較小時，試樣變形隨著循環(huán)次數(shù)增加，其增長速率減小，但不會出現(xiàn)溶沉現(xiàn)象(如試樣3－1);當(dāng)含水量較高，出現(xiàn)明顯的溶沉和變形殘存和累加。

(4)在同樣的溫變環(huán)境中，含鹽試樣對溫度的敏感范圍比不含鹽試樣低20度左右，為5℃ ～－20℃。

3 結(jié)論

溫度使鹽漬土發(fā)生鹽凍脹變形;對于不含鹽的土樣，隨著溫度的降低只發(fā)生凍脹變形，通過試驗數(shù)據(jù)分析可得單純發(fā)生凍脹變形的土體總體變形量比較平緩，在消融的過程結(jié)束后基本能恢復(fù)到初始變形狀態(tài);而當(dāng)鹽漬土發(fā)生鹽凍脹變形時，隨著時間的增加，變形量基本呈現(xiàn)有規(guī)律的上升狀態(tài)，幅度較大且每次消融后都會有變形殘余存在，隨著凍融的不斷增加，每次發(fā)生的變形在消融后的變形殘余也逐步增加。

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