新疆阿拉爾路基鹽漬土的鹽脹特性研究

新疆阿拉爾路基鹽漬土的鹽脹特性研究

張靈通, 李壽寧*

(塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,新疆阿拉爾 843300)

摘要為深入研究新疆阿拉爾路基鹽漬土的鹽脹特性，在室內(nèi)進(jìn)行了多次凍融循環(huán)模擬試驗(yàn)。通過(guò)不同鹽分分布狀態(tài)的鹽脹試驗(yàn)，分析鹽分不同空間分布的鹽脹結(jié)晶規(guī)律；對(duì)初始?jí)簩?shí)密度相同、含水率相同的含鹽和不含鹽的兩組土樣的對(duì)比，分析鹽漬土不同的含鹽量、干密度、含水率、顆粒不均勻系數(shù)對(duì)鹽脹性的影響。結(jié)果表明在以后路基施工過(guò)程中，可通過(guò)控制鹽漬土路基中的含鹽量、含水率、顆粒級(jí)配等來(lái)抑制路基鹽脹破壞程度，從而減少路基因鹽漬土鹽脹帶來(lái)的病害。

關(guān)鍵詞鹽漬土；凍融循環(huán)；含鹽量；鹽脹性

中圖分類號(hào)S26

基金項(xiàng)目兵團(tuán)計(jì)劃項(xiàng)目資助(No.2010ZJ05)。

作者簡(jiǎn)介張靈通(1988- )，男，河南商丘人，在讀碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)水土建筑。*

收稿日期2015-06-10

Study on the Salt Expansion Characteristics of Xinjiang Alar Saline Soil Subgrade

ZHANG Ling-tong, LI Shou-ning*(College of Water Resource and Architectural Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

AbstractTo delve into Xinjiang Alar sea salt expansion characteristics of saline soil subgrade, the indoor simulation experiment, repeated freeze-thaw cycles through different salinity distribution state salt expansion test, analysis of the salt expansion of the spatial distribution of different salt crystallization law; The same moisture content and initial compaction density salt and salt-free two groups of soil sample was compared, the influence of saline soil with different salt content, dry density, moisture content, particle non-uniform coefficient to salt expansion was analyzed, in the future by controlling the saline soil subgrade in salt content, moisture content, grain size distribution, etc to suppress the roadbed salt heaving damage, thereby reducing the damage caused by the salt expansion of saline soil.

Key words Saline soil; The freeze-thaw cycle; The amount of salt; The salt expansion

鹽漬土是受土體中鹽堿成分作用的的各種類型土壤的統(tǒng)稱。在我國(guó)公路工程中，將地表一米內(nèi)易溶鹽類含量達(dá)到0.3%以上的土壤，稱為鹽漬土[1]。我國(guó)是世界第四大鹽漬土分布國(guó)家，鹽漬土面積約有20多萬(wàn)平方公里，約占國(guó)土總面積的2.1%[2]。近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的深度不斷加大，新疆新建和改建的道路不斷增加，交通狀況也在不斷得到改善。交通運(yùn)輸是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，而道路狀況的好壞直接影響著交通運(yùn)輸。然而在新疆境內(nèi)分布著大面積的鹽漬土，土壤鹽漬化是新疆瀝青混凝土道路破壞的主要原因[3-4]。

鹽漬土的溶陷變形和鹽凍脹破壞是新疆鹽漬土道路的主要病害之一[5]。阿拉爾市地處塔克拉瑪干西北邊緣，屬于暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，全年雨量稀少，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均降水量為40～82 ml，年均蒸發(fā)量1 800～2 560 ml,其地下主要土層為風(fēng)積沙層，砂性土比表面積較小，孔隙尺寸較大，因而具有良好的滲透性[6]。每年進(jìn)入冬季以后高地下水位就會(huì)把鹽分帶到路基內(nèi)，鹽分富集于路面層底部路基層頂部，由于外部較低的氣溫，在路基內(nèi)形成鹽凍脹破壞，由于降水稀少，鹽漬土路基內(nèi)主要破壞為鹽脹破壞，其原理為鹽漬土中的硫酸鹽隨著溫度的降低，其溶解度減小，吸水后形成芒硝和體積膨脹。在溫度升高時(shí)硫酸鹽失水而體積變小，土體隨之會(huì)疏松，所以在含有硫酸鹽的鹽漬土中會(huì)存在這種體積隨溫度而發(fā)生明顯變化，引起地表土體的膨脹與疏松現(xiàn)象，從而導(dǎo)致路基路面出現(xiàn)變形破壞，造成路面不均勻變形，形成縱橫裂縫，甚至波浪鼓包等現(xiàn)象，有的路面出現(xiàn)不均勻沉降[7-10]。不但嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)亟煌?，而且在?jīng)濟(jì)上也造成了很大損失，所以對(duì)阿拉爾路基鹽漬土的鹽脹特性研究很有必要，選擇阿拉爾市破壞嚴(yán)重路段的路基土作為試驗(yàn)土樣進(jìn)行下面的試驗(yàn)。

1不同鹽分分布狀態(tài)鹽脹試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)裝置將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用的長(zhǎng)方形玻璃箱，按其尺寸大小平均分成3個(gè)長(zhǎng)×寬×高=14.6×15.6×40.5 cm3的小長(zhǎng)方體，分別編號(hào)為1、2、3。將該試驗(yàn)裝置分別置于環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)(恒溫-20 ℃)和室內(nèi)(20 ℃)以實(shí)現(xiàn)升溫和降溫下的鹽-凍脹和溶沉，模擬觀察分析當(dāng)鹽分以何種形式富集到路基土中其膨脹量最大。

1.2試樣制備以破壞路段的路基土為試驗(yàn)土樣，以無(wú)水硫酸鈉、初始加水量為控制量，使得每個(gè)試樣的總的含水量、含鹽量和初始干密度一致。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)及觀測(cè)結(jié)果試驗(yàn)?zāi)M3種不同的鹽漬土路基狀況：1號(hào)玻璃箱采用土和鹽混合后分層裝樣并充分搗實(shí)至設(shè)計(jì)密實(shí)度，控制每層裝樣不超過(guò)8 cm；2號(hào)玻璃箱將土樣均勻分成10份，鹽分成9份。按照鋪一份土樣并搗實(shí)，然后按照對(duì)稱形式在中心和四邊中點(diǎn)位置按照2∶1∶1∶1∶1的比例分配并以圓形或半圓形布置；鋪設(shè)第2層土、鹽直至填筑完成；3號(hào)玻璃箱將土樣分成3等份，鹽分成2等份。按照一層土，一層鹽的形式鋪設(shè)并搗實(shí)(表1)。

表1　不同鹽分分布形態(tài)鹽脹試驗(yàn)裝樣情況

將3個(gè)玻璃試驗(yàn)箱按照上述步驟裝好后放入恒溫-20 ℃環(huán)境中，在該3個(gè)玻璃箱上加蓋一層玻璃板，把測(cè)量鹽脹的的百分表插入試驗(yàn)箱的土中，表頭安放在玻璃板上，以方便觀測(cè)數(shù)據(jù)，每隔30 min記錄一次百分表讀數(shù)，當(dāng)試驗(yàn)箱中的3個(gè)百分表都達(dá)到連續(xù)3次讀數(shù)相同時(shí)，再把試驗(yàn)裝置放置到室內(nèi)20 ℃的環(huán)境里，讓其自然溶沉，如此連續(xù)進(jìn)行3～4次凍融循環(huán)，在試驗(yàn)中通過(guò)體試顯微鏡對(duì)3個(gè)試樣中的土樣的鹽脹進(jìn)行觀測(cè)分析(圖1、2)。

圖1　鹽-凍脹試驗(yàn)裝置

圖2　鹽脹結(jié)晶體

通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)分層分塊分布的2號(hào)箱和3號(hào)箱的硫酸鹽結(jié)晶了，2號(hào)箱和3號(hào)箱凍融循環(huán)后的土樣如圖2所示：放入時(shí)成粉末狀，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)都結(jié)晶成塊狀，具有較高的強(qiáng)度。這說(shuō)明在試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)水Na2SO4粉末與水分子結(jié)合形成Na2SO4·10H2O晶體，體積膨脹，連結(jié)增強(qiáng)。根據(jù)試驗(yàn)記錄結(jié)果繪制鹽分不同空間分布鹽脹曲線圖(圖3)。

圖3　鹽分不同空間分布鹽脹曲線

由圖3可知，試驗(yàn)過(guò)程中0～288 min、728～1 450 min為降溫過(guò)程，288～728 min、1 450～2 100 min為升溫過(guò)程，共進(jìn)行了2個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程，其中，1號(hào)試樣的鹽脹變形明顯大于2號(hào)、3號(hào)試樣的鹽脹變形，2號(hào)試樣的鹽脹變形量大于3號(hào)試樣，由此可見(jiàn)當(dāng)鹽分按照土和鹽混合后分層裝樣的形式存在于土壤中時(shí)其鹽脹量最大。

2鹽-凍脹循環(huán)試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室里測(cè)鹽凍脹變形百分表8個(gè)、試筒8個(gè)、溫度計(jì)2個(gè)、可以調(diào)節(jié)到-15 ℃的冰箱1臺(tái)和其他裝樣設(shè)備。

2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)初始?jí)簩?shí)度、含水率都相同的含鹽和不含鹽的2組相同土樣鹽-凍脹循環(huán)試驗(yàn)。對(duì)比分析兩組試樣的鹽脹量和凍脹量。

不同顆粒級(jí)配的土樣的配備是通過(guò)調(diào)整各粒組占整體土樣的質(zhì)量百分比，從而可以計(jì)算出其不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)。因?yàn)椴痪鶆蛳禂?shù)Cu≥5，且曲率系數(shù)Cc≥1～3 時(shí)稱級(jí)配良好，所以試驗(yàn)采用級(jí)配取值為Cu=3、5、10、15的土樣，對(duì)土樣進(jìn)行含水率，含鹽量測(cè)定設(shè)置。

通過(guò)將初始?jí)簩?shí)度、含水率都相同的含鹽和不含鹽的2組相同土樣試驗(yàn)裝置放在設(shè)置零下15度的冰箱中，進(jìn)行模擬自然狀態(tài)下降溫過(guò)程中土中的鹽-凍脹變形；每30 min觀測(cè)一次百分表讀數(shù)，當(dāng)百分表讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定后，將試驗(yàn)裝置置于室內(nèi)恒溫10度的環(huán)境中，讓其自然升溫溶沉。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中共進(jìn)行了5次凍融循環(huán)。

為了確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性，分成4組試驗(yàn)，每組不均勻系數(shù)做2個(gè)試樣(含鹽的和不含鹽的試樣各一個(gè))，總共8個(gè)試樣。其中，6個(gè)架設(shè)百分表，2個(gè)和測(cè)土樣鹽凍脹變化值架設(shè)溫度計(jì)(1-1和3-1)于試樣正中心。土樣鹽凍脹變化值測(cè)試裝置如圖4所示。

注：1-底板；2-試樣；3-拉桿；4-帶調(diào)節(jié)桿的多孔板；5-試筒；6-百分表；7-百分表支座。 圖4　 土樣鹽凍脹變化值測(cè)試裝置(單位：cm)

2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析觀察結(jié)果如表2所示。利用Matlab編程軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析， 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合得到如圖5的結(jié)果。

對(duì)圖5、6試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析表明：①隨著溫度的逐漸降低，試驗(yàn)土樣發(fā)生凍-鹽脹變形，對(duì)比2-1和2-2、4-1和4-2的試驗(yàn)土樣，從中可以得出在試驗(yàn)過(guò)程中試樣的縱向變形主要是由鹽脹引起的；隨著溫度的逐漸升高，試樣出現(xiàn)溶沉現(xiàn)象，并且變形有殘留，其殘留變形具有累加性。②鹽脹變形具有累加效應(yīng)，而凍脹變形沒(méi)有累加效應(yīng)。③當(dāng)含水量較小時(shí)，試樣變形隨著循環(huán)次數(shù)增加，其增長(zhǎng)速率也將減小。

表2　試樣鹽-凍脹結(jié)果

圖5　1-1和3-1樣品中心溫度變化情況

圖6　不同含鹽量鹽-凍脹變化值

3結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)2個(gè)凍融循環(huán)試驗(yàn)可以得出，當(dāng)鹽分按照一層土，一層鹽的形式存在于土壤中時(shí)其鹽脹量最大。鹽脹變形具有累加效應(yīng)，而單純的凍脹則沒(méi)有累加效應(yīng)。含有鹽分的土樣比不含鹽分的土樣對(duì)溫度變化范圍更加靈敏，含鹽試樣對(duì)溫度的敏感范圍比不含鹽試樣低20度左右。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)交通部.公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG20D30)[M].北京：人民交通出版社，2004:112-115.

[2] 王強(qiáng).改變鹽漬土路基結(jié)構(gòu)防治鹽漬土病害的試驗(yàn)分析與研究[D].阿拉爾：塔里木大學(xué),2013.

[3] 王延偉，徐慧芬，文進(jìn)，等.新疆地區(qū)鹽漬土的鹽脹特性研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版,2006(3):531-534.

[4] 彭琴,吳以江,駱建新.兵團(tuán)墾區(qū)鹽漬土路基鹽凍脹變形規(guī)律的試驗(yàn)研究[J].公路,2011(4):78-82.

[5] 楊保存,劉新榮,汪為巍,等.阿拉爾市區(qū)道路鹽-凍脹變形破壞機(jī)理與成因分析[J].塔里木大學(xué)學(xué) 報(bào),2009(2):1-6.

[6] 楊柳,張勤玲,楊保存,等.阿拉爾市交通參數(shù)分析與瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].塔里木大學(xué)學(xué)報(bào),2010(3):8-15.

[7] 曹福貴.硫酸鹽漬土地區(qū)路基水、熱、鹽、力四場(chǎng)耦合效應(yīng)的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路數(shù)值模擬研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2009.

[8] 牛璽榮,李志農(nóng),高江平.鹽漬土鹽脹特性與機(jī)理研究進(jìn)展[J].土壤通報(bào),2008(1):163-168.

[9] 孫國(guó)紅.鹽漬土地區(qū)瀝青混凝土路面病害試驗(yàn)及研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2013.

[10] 楊保存,汪為巍,牛新平，等.南疆不同地區(qū)鹽漬土工程性質(zhì)的試驗(yàn)研究[J].塔里木大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(4)：12-17.