上隔下疏型硫酸鹽漬土路基鹽脹模型試驗(yàn)研究

陳再，彭述權(quán)，胡毅夫，樊玲, 2

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上隔下疏型硫酸鹽漬土路基鹽脹模型試驗(yàn)研究

陳再1，彭述權(quán)1，胡毅夫1，樊玲1, 2

(1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙，410083 2. 中南大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙，410075)

在大氣環(huán)境模擬室內(nèi)進(jìn)行對(duì)比模型試驗(yàn)，對(duì)比分析升溫過程中設(shè)置有上隔下疏結(jié)構(gòu)層的新型路基與普通路基溫度變化，降溫過程中的溫度變化和鹽脹變形；。試驗(yàn)結(jié)果表明：在升溫和降溫過程中，新型路基結(jié)構(gòu)保溫層能有效減少路基內(nèi)部溫度變化幅度，影響程度隨深度增加而減弱；在升溫過程中，保溫層阻止表面蒸發(fā)，減弱內(nèi)部鹽水遷移；在降溫過程中，保溫層能減弱路基表層鹽脹變形，對(duì)深層鹽脹的抑制效果比表層抑制效果明顯；疏排水層能有效排出路基內(nèi)鹽水及減小路基深部鹽脹變形的發(fā)展；保溫層和疏排水層綜合減小鹽脹變形效果明顯。

硫酸鹽漬土；路基結(jié)構(gòu)；模型試驗(yàn)；鹽脹變形

我國西部鹽漬土地區(qū)道路病害形式主要有鹽脹、翻漿、溶陷和腐蝕，使得道路出現(xiàn)鼓包、裂縫、坑槽、冒水，降低道路服務(wù)質(zhì)量和服役年限[1]。在典型內(nèi)陸氣候的硫酸鹽漬土地區(qū)，降雨量少、蒸發(fā)量大、溫度變化幅度大等極端條件下，季節(jié)性、周期性的鹽?凍脹、溶陷表現(xiàn)更加突出。其主要原因是路面路基層中硫酸鹽誘發(fā)的鹽脹作用，表現(xiàn)為：1) 在路基水泥穩(wěn)定層的水泥水化過程中，因硫酸鹽參與形成鈣礬石等膨脹性物質(zhì)[2]；2) 路面排水較差形成的凍脹和溶沉作用導(dǎo)致路面發(fā)生破壞[3]；3) 路基硫酸鹽含量超標(biāo)，溫度變化作用形成以十水硫酸鈉為主要成分的膨脹型硫酸鈉晶體[4?5]。為此，眾多學(xué)者對(duì)硫酸鹽鹽漬土這一特殊土體進(jìn)行了深入研究。通常認(rèn)為硫酸鹽鹽脹發(fā)生必須具備一定的起脹溫度和鹽溶液濃度等條件才能發(fā)生：起脹含鹽量為0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，起脹溫度區(qū)間為5~ 20 ℃，鹽脹劇變區(qū)間為0~5 ℃[6]。研究表明硫酸鹽漬土鹽脹率受到含水量、氯化鈉含量、硫酸鈉含量、初始干容重和上覆荷載等因素，以及顆粒粒徑[7]影響，鹽脹率與各影響因素之間均呈二次拋物線規(guī)律[8]；天然硫酸鹽漬土鹽脹應(yīng)力為32~375 kPa[9]；硫酸鈉溶液對(duì)凍脹有一定的抑制作用[10]；凍融循環(huán)對(duì)鹽漬土物理和化學(xué)性質(zhì)有較大影響[11]。鹽漬土路基研究主要集中在路基內(nèi)鹽水重分布和鹽凍脹變形研究[12]，以達(dá)到控制鹽分遷移的目的，如設(shè)置隔斷層[13]和鹽漬土固化改良等路基處理方法。鹽漬土的固化改良方法主要是提高路用鹽漬土的CBR、回彈模量、抗凍性、抗鹽脹變形、水穩(wěn)定性、抗干縮和溫縮性能[14]。其中改良方法常見的有[15]有機(jī)高分子材料SH改良、水泥固化、石灰+水泥改良、粉煤灰、石灰以及鋼渣?石灰等廢渣改良和M固化劑改良等。采用水泥基、鈣基固化劑固化改良水穩(wěn)層土體或路基土體，會(huì)導(dǎo)致二次鹽脹問題，具有強(qiáng)烈的破壞作用，因此，國外目前多數(shù)已經(jīng)不再采用這種土體改良技術(shù)。同時(shí)，工程實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)城市道路中土工膜隔斷層由于隔斷了路基的水氣遷移路徑，導(dǎo)致水分和鹽脹在土工膜隔斷層附近聚集，從而引起新的鹽脹且同時(shí)加劇凍脹?溶沉作用。按照相關(guān)規(guī)范[14]，采用透水隔斷層可導(dǎo)致路基高度過高，顯著增加路基修筑成本。為此，本文作者在西部鹽漬土地區(qū)路基破壞實(shí)例研究的基礎(chǔ)上，提出一種“上隔斷，下疏排”的新型硫酸鹽漬土路基結(jié)構(gòu)以期改善路基的溫濕狀況從而有效減小鹽脹，對(duì)其鹽脹控制機(jī)理進(jìn)行室內(nèi)物理模型研究。

1 硫酸鹽漬土道路現(xiàn)場調(diào)查

以西部新疆阿拉爾市新建投入使用不到2年的城市破壞道路為實(shí)例進(jìn)行調(diào)查分析。阿拉爾市道路破壞時(shí)間主要集中在春季，主要表現(xiàn)為路面鼓包、坑洼、沿道路縱向的裂縫(見圖1)。采用HZ?20A混凝土鉆芯機(jī)對(duì)破壞道路路基進(jìn)行鉆芯取樣并進(jìn)行鹽分測定。結(jié)果表明路基水泥穩(wěn)定層、砂礫層和風(fēng)積沙是相應(yīng)綠化帶相應(yīng)深度土體含鹽量的3~7倍(表1)，同時(shí)，SEM微觀試驗(yàn)結(jié)果表明該市路面路基中存在硫酸鈉晶體和硫酸鈣晶體等多種膨脹性結(jié)晶鹽(圖2)，由此可推測該市道路破壞主要原因是多次季節(jié)性溫度變化導(dǎo)致硫酸

表1 阿拉爾大道含鹽量分析

(a) 路面鼓包；(b) 路面縱向開裂

圖1 阿拉爾大道路面鼓包、縱向開裂

Fig.1 Drum kits and longitudinal cracking on Alar Avenue

(a) 水泥穩(wěn)定層；(b) 水泥穩(wěn)定層；(c) 砂卵石層；(d) 風(fēng)積沙回填層

圖2 鹽漬土路基取樣SEM微觀結(jié)構(gòu)

Fig. 2 SEM microstructures of saline soil subgrade sample鹽和氯化鹽在水泥穩(wěn)定層、路基中富集并且產(chǎn)生多次鹽?凍脹和溶沉作用，導(dǎo)致?lián)p失累計(jì)最終誘發(fā)道路破壞。

2 路基模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理

飽和硫酸鈉溶液的主要特性：在32.4 ℃以下會(huì)結(jié)晶析出Na2SO4·10H2O晶體(俗稱芒硝)，硫酸鈉晶體和十水硫酸鈉晶體摩爾質(zhì)量分別為142 g/mol和322 g/mol，密度分別為2.68 g/cm3和1.48 g/cm3，因此，結(jié)晶析出后硫酸鈉晶體體積約為原來體積的3.44倍。當(dāng)溫度高于32.4 ℃時(shí)，芒硝晶體容易失去結(jié)晶水分子，體積膨脹消失，產(chǎn)生明顯的體積收縮。根據(jù)這一特性分析，影響硫酸鈉鹽脹的直接主要因素是溫度變化和水分的供給。從這2個(gè)角度出發(fā)，對(duì)路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行保溫和隔水排水處理。保溫層緊貼路基表面，當(dāng)外部氣溫較高時(shí)，減緩保溫層以下路基溫度升高而抑制蒸發(fā)作用引起的鹽水向上遷移；當(dāng)溫度較低時(shí)，減緩路基內(nèi)部熱量散失，減小下路基溫度變化幅度和影響深度。疏排水層設(shè)置于下路基層，在高溫時(shí)，隔斷蒸騰作用引起的鹽水上升通道；低溫時(shí)，隔斷地下水向鹽脹鋒面的匯集通道；同時(shí)該層含水量達(dá)到一定程度后，孔隙水在微水壓力差作用下向排水溝(管)匯集并排出路基。

2.2 路基模型設(shè)計(jì)

模型參照阿拉爾市阿拉爾大道道路結(jié)構(gòu)，縱向和橫向按照12:1，結(jié)構(gòu)層按照2:1制作路基模型。模型箱由模板外框，內(nèi)貼50 mm泡沫板保溫層和薄膜隔水層組成，凈空尺寸的長×寬×高為300 cm×200 cm× 55 cm，路基模型的長×寬×高為300 cm×200 cm× 48 cm。路基模型分成試驗(yàn)?zāi)Ｐ廷?圖3)和對(duì)比模型Ⅱ(圖4)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ吐坊鶅?nèi)部包含有砂礫構(gòu)成的疏排水層，而對(duì)比模型則不含疏排水層。每個(gè)模型根據(jù)有無保溫層分成A區(qū)(含保溫層)和B區(qū)(無保溫層)(見圖5)，編號(hào)為Ⅰ-A，Ⅰ-B，Ⅱ-A和Ⅱ-B。

單位：cm

圖3 路基試驗(yàn)?zāi)Ｐ廷?/p>

Fig. 3 Roadbed test model Ⅰ

單位：cm

圖4 對(duì)比路基試驗(yàn)?zāi)Ｐ廷?/p>

Fig. 4 Contrast roadbed test model Ⅱ

單位：cm

圖5 溫度、位移監(jiān)測點(diǎn)布置

Fig. 5 Arrangement of temperature and displacement monitoring point

位移、溫度監(jiān)測：采用百分表分別量測表層和?15 cm處位移。為方便讀數(shù)，在模型箱上架設(shè)鋼管作為百分表坐的支點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)布置見圖5，其中每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)均有1個(gè)表面點(diǎn)和?15 cm點(diǎn)，總計(jì)18個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。同時(shí)按照對(duì)稱原則，在中心和兩對(duì)稱軸距邊框50 cm處總計(jì)布置5個(gè)點(diǎn)，沿深度10，20和30 cm布置溫度傳感器，總計(jì)30個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)。

2.3 試驗(yàn)過程

路基鹽漬土采用天然細(xì)河砂，顆粒級(jí)配見圖6，按照含水量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，含鹽量為3.6%加入無水Na2SO4和自來水經(jīng)充分?jǐn)嚢韬髳灹?2 h；疏水層填料為洗凈的干燥無鹽1~60 mm砂礫，不均勻系數(shù)為15；保溫層為50 mm厚聚苯乙烯泡沫板(EPS)。路基Ⅰ-A從下至上依次為鹽漬土、排水溝、9 cm厚砂礫層、鹽漬土回填層、薄膜隔斷層、1 cm厚砂漿層、5 cm泡沫保溫層。路基I-B結(jié)構(gòu)與Ⅰ-A類似，不包含最頂層的保溫層。對(duì)比路基Ⅱ-A為均勻填筑48 cm鹽漬土并覆蓋有薄膜隔斷層、1 cm厚砂漿層和5 cm泡沫保溫層；Ⅱ-B為48 cm鹽漬土并覆蓋有薄膜隔斷層和1 cm厚砂漿層。

1—風(fēng)積沙；2—試驗(yàn)用河沙

圖6 風(fēng)積沙和試驗(yàn)河砂顆粒級(jí)配

Fig. 6 Grain size distribution of aeolian sand and experimental sand

通過大氣環(huán)境模擬系統(tǒng)來控制實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度。2012?04?14T18:40開始進(jìn)行升溫試驗(yàn)，設(shè)定室內(nèi)溫度為50℃，升溫歷時(shí)68h 10min，試驗(yàn)期間在2012?04?16T14:15(升溫試驗(yàn)進(jìn)行44 h)對(duì)試驗(yàn)路基兩側(cè)補(bǔ)充10 kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%的硫酸鈉溶液。2012?04?18T09:00開始降溫至2012?04?23T18:50結(jié)束試驗(yàn)，設(shè)定溫度為?15 ℃，降溫歷時(shí)100 h。

(a) 拌鹽前；(b) 拌鹽后

圖7 路基鹽漬土制樣

Fig. 7 Preparation of roadbed saline soil

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 路基溫度變化趨勢分析

土體溫度是影響硫酸鹽漬土鹽脹的直接因素。圖8和圖9所示分別為試驗(yàn)?zāi)Ｐ虸和對(duì)比模型II中A區(qū)(含保溫層)和B區(qū)(不含保溫層)不同深度的溫度變化曲線，A區(qū)溫度為第5號(hào)監(jiān)測點(diǎn)不同埋深溫度，B區(qū)溫度為第4號(hào)監(jiān)測點(diǎn)不同埋深溫度。

(a) 升溫過程；(b) 降溫過程

1—ⅠA-10; 2—ⅠA-20; 3—ⅠA-30; 4—ⅠB-10; 5—ⅠB-20; 6—ⅠB-30

圖8 試驗(yàn)?zāi)Ｐ廷馎/B區(qū)不同深度溫度變化曲線

Fig. 8 Temperature change curves at different depths of test model Ⅰ A/B area

(a) 升溫過程；(b) 降溫過程

1—ⅡA-10; 2—ⅡA-20; 3—ⅡB-10; 4—ⅡB-20

圖9 對(duì)比模型ⅡA/B區(qū)不同深度溫度變化曲線

Fig. 9 Temperature change curve at different depths of contrast model Ⅱ A/B area

室內(nèi)升溫時(shí)，熱量通過路基表面與空氣之間的熱交換而使路基溫度升高。從圖8(a)和9(a)可見：A區(qū)和B區(qū)各深度溫度變化速率基本一致，路基內(nèi)溫度梯度隨時(shí)間增大，路基溫度升高量隨深度的增加而減少，各層總的溫度升高量相差較大：試驗(yàn)路基A區(qū)從上往下溫度依次升高20.5，19.7和15.7 ℃，而B區(qū)升高為22.5，20.1和16.3 ℃；對(duì)比路基A區(qū)從上往下溫度依次升高19.8 ℃和16.2 ℃，B區(qū)升高為22 ℃和19 ℃。保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于水泥砂漿和鹽漬土的導(dǎo)熱系數(shù)，因此，能減少熱量的向下傳遞，從而導(dǎo)致A區(qū)表層的溫度升高量比B區(qū)的?。粌蓞^(qū)域深層溫度升高量接近說明保溫層的保溫效果有一定范圍。

圖8(b)和9(b)所示分別為降溫過程路中基溫度曲線，路基降溫過程是從表面向下熱量往表面?zhèn)鬟f，然后在表面與空氣進(jìn)行熱交換，使得路基溫度呈梯度下降。溫度的降低與路基表面材料以及路基的導(dǎo)熱性能有密切關(guān)系。由圖8和圖9可知：2種路基內(nèi)溫度與時(shí)間成線性關(guān)系且變化速率一致，其原因是路基內(nèi)部材料相同，導(dǎo)熱系數(shù)相同。不同的是2種路基結(jié)構(gòu)總的溫降量不同：A區(qū)的總溫度下降量為17.0~18.7 ℃，B區(qū)的總溫度下降量為21.0~24.2 ℃；總溫度下降量隨著深度的增加而減小，A區(qū)總溫度下降量隨埋深的變化要比B區(qū)的小。因?yàn)锳區(qū)表層保溫層的保溫效果，能有效減小路基內(nèi)部熱量的散失，從而使得路基內(nèi)溫度下降量較小。

3.2 路基變形分析

根據(jù)路基溫度監(jiān)測，在試驗(yàn)過程中路基溫度最低為0.3 ℃，說明在試驗(yàn)過程中路基監(jiān)測范圍內(nèi)的水沒有發(fā)生凍脹，路基變形以硫酸鈉結(jié)晶析出芒硝而膨脹為主。圖10所示為試驗(yàn)?zāi)Ｐ虯區(qū)(含保溫層)第3測點(diǎn)和B區(qū)(不含保溫層)第1測點(diǎn)的縱向位移，圖11所示為對(duì)比試驗(yàn)?zāi)Ｐ虯區(qū)第5測點(diǎn)和B區(qū)第4測點(diǎn)表層和?15 cm處的縱向位移。從圖10和圖11可知：表層位移是?15 cm處變形量的3~11倍，因?yàn)?15 cm處位移受到上部土體自重的抑制，而且?15 cm處溫度比表層路基溫度高，發(fā)生鹽脹的時(shí)間較短；圖10中A區(qū)和B區(qū)的鹽脹速率比較接近，且起脹時(shí)間一致，但路基A區(qū)表層鹽脹變形量明顯比B區(qū)的小，保溫層能在同等時(shí)間內(nèi)保持路基內(nèi)部熱量散失，從而使得鹽脹要比B區(qū)的??；試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?duì)比模型A區(qū)內(nèi)的表層以及?15 cm對(duì)應(yīng)變形量不超過1.2 mm，但B區(qū)的?15 cm處變形量差達(dá)2.87 mm。說明在沒有保溫層作用時(shí)，路基內(nèi)部的疏水層能阻斷下路堤的地下水補(bǔ)充，起到一定的鹽脹抑制作用。

1—ⅠA-F; 2—ⅠA-D; 3—ⅠB-F; 4—ⅠB-D

圖10 試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥冃?/p>

Deformation of test model

1—ⅡA-F; 2—ⅡA-D; 3—ⅡB-f; 4—ⅡB-D

圖11 對(duì)比試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥冃?/p>

Fig. 11 Deformation of contrast test model

3.3 路基排鹽水效果分析

為檢測路基疏排水層以及排水溝的排鹽水效果，在升溫試驗(yàn)過程中對(duì)路基進(jìn)行鹽水補(bǔ)充和鹽水排出量收集和測試。04?16T14:15(升溫試驗(yàn)進(jìn)行44 h)分別對(duì)試驗(yàn)路基和對(duì)比試驗(yàn)路基兩側(cè)分別補(bǔ)充10 kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%的硫酸鈉溶液，16:00便發(fā)現(xiàn)排水溝中開始有鹽水排出，累計(jì)排鹽水及含鹽量見圖12。結(jié)果表明：在路基疏水層和排水溝能有效排出路基內(nèi)多余的水分。04?17T14:50(加水后累計(jì)時(shí)間23 h)停止升溫試驗(yàn)，對(duì)比前后2個(gè)排鹽水階段可得：第Ⅰ階段排水速率呈減小趨勢，含鹽量呈上升趨勢；而第Ⅱ階段排水速率隨時(shí)間而增大，含鹽量則急劇下降。這主要是因?yàn)殡S著溫度的升高，硫酸鈉的溶解度增加，鹽水下滲過程中帶走了一部分路基內(nèi)的鹽分，所以含鹽量呈上升趨勢；路基內(nèi)部溫度梯度增大，路基內(nèi)毛細(xì)水強(qiáng)度較大，鹽水的排出速率降低。第Ⅱ階段停止升溫試驗(yàn)，路基表面溫度逐漸降低，溫度梯度減小，排水速率增大，而排出的鹽水的含鹽量減小。

1—含鹽量；2—累計(jì)排出鹽水

圖12 排水溝排鹽效果

Fig. 12 Drains row salt effect

4 結(jié)論

1) 保溫層能有效減小保溫層以下路基一定深度路基內(nèi)部溫度變化幅度，減少內(nèi)部鹽水遷移，從而縮短了路基鹽脹時(shí)間，在一定程度上減小了表層和深層鹽脹變形。

2) 疏排水層能隔斷毛細(xì)水通道，阻斷鹽脹過程中鹽水補(bǔ)給，防止鹽分向表層富集，在路基含水量達(dá)到一定程度時(shí)能有效排出鹽水，能有效減小深層鹽脹變形。

3) 提出的“上隔下疏”型鹽漬土路基結(jié)構(gòu)能減少路基內(nèi)部溫度變化，減小路基內(nèi)部硫酸鹽結(jié)晶析出產(chǎn)生的鹽脹變形，保溫層和疏排水層的綜合抑制鹽脹作用的效果明顯。

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Model test research on salt expansion of partition above and channelize below sulfuric acid saline soil roadbed

CHEN Zai1, PENG Shuquan1, HU Yifu1, FAN Ling1, 2

(1. School of Resource and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

, and salt expansion deformation during the cooling process. Brine draining effect of the test roadbed model was analyzed. The results show that during the warming and cooling process, the thermal insulation layer can effectively reduce roadbed internal temperature variation amplitude, and the influence degree decreases with the increase of the depth. The thermal insulation layer can prevent surface evaporation and weaken the internal brine migration during the warming process. The thermal insulation layer can weaken the surface salt expansion deformation and have more obvious effect on deep salt expansion than surface. The drainage layer can drain saline and effectively reduce roadbed deformation development of deep salt expansion. The comprehensive effect of thermal insulation layer and drainage layer on the reduction of salt expansion is obvious.

sulfuric acid saline soil; roadbed structure; model test; salt expansion deformation

U416.166

A

1672?7207(2015)01?0248?07

2014?03?12；

2014?05?27

() (Project(2010ZJ05) supported by Science and Technology Program of Xinjiang, China)

彭述權(quán)，博士后，講師，從事巖土工程細(xì)觀破壞以及城市地下空間研究；E-mailpqr97linger@163.com

10.11817/j.issn.1672?7207.2015.01.033

(編輯 楊幼平)