鹽分與壓實度對鹽漬土起始凍脹含水率的影響*

王 寧 王 清 霍珍生 馬 冰 陳 冶

WANG Ning WANG Qing HUO Zhensheng MA Bing CHEN Ye

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鹽分與壓實度對鹽漬土起始凍脹含水率的影響*

王 寧 王 清 霍珍生 馬 冰 陳 冶

季凍區(qū)鹽漬土凍脹病害影響工程質(zhì)量。水分、密度及鹽分的變化影響季凍土凍脹特性。以吉林省農(nóng)安縣旱地鹽漬土為研究對象，通過室內(nèi)凍脹實驗討論了含水率、壓實度、含鹽量對鹽漬土凍脹規(guī)律的影響，分析起始凍脹含水率隨鹽分和壓實度的變化規(guī)律。試驗研究表明：較大的壓實度和較高的含水率有利于凍脹。土體在較低含水率和較低壓實度時發(fā)生凍縮，隨著含水率和壓實度的增大，凍縮量減小至零，隨后發(fā)生凍脹，凍脹(縮)量與含水率基本呈線性關(guān)系。因此，存在起始凍脹含水率，該值隨著壓實度的增大而線性減小，隨含鹽量的增加而整體呈增大趨勢。塑限與壓實度對鹽漬土起始凍脹含水率的影響可以擬合出相應(yīng)線性公式，隨著含鹽量增加，該公式的系數(shù)整體呈增大趨勢。在前人總結(jié)出的公式基礎(chǔ)上增加壓實度這一參數(shù)，為后續(xù)季凍區(qū)鹽漬土的凍脹特性研究提供參考與理論依據(jù)。

鹽漬土 含水率 壓實度 含鹽量 起始凍脹含水率

WANG Ning WANG Qing HUO Zhensheng MA Bing CHEN Ye

0 引 言

鹽漬土是不同程度鹽堿化土的總稱。2009年修訂版《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)規(guī)定易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性時，應(yīng)判定為鹽漬巖土。

吉林西部地區(qū)的鹽漬土，地處我國松遼平原，鹽漬化程度比較嚴(yán)重，且以碳酸鹽漬土為主，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)與工業(yè)發(fā)展。為了保持生態(tài)平衡，治理濕地、草原等，吉林省啟動引水灌溉工程，通過嫩江下游與第二松花江的引水灌溉工程來淋洗鹽漬化土地(鮑碩超， 2015)，但由于該地區(qū)屬于東北典型的季凍性凍土區(qū)，引水灌溉和淋濾都會在冬季引起凍脹現(xiàn)象，同時造成水分與鹽分的遷移，使鹽分富集，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量，同時會出現(xiàn)道路翻漿及路面凍脹等道路病害。因此，研究吉林西部鹽漬土凍脹特性勢在必行。

以往研究表明，影響土體凍脹的因素主要有粒度組成、礦物成分、水分、土體密度、溫度、荷載及鹽分等(馬巍等， 2014)。張立新等(1995)研究揭示含氯化鈉鹽漬土凍脹量隨初始含水率增大而增大，與初始干密度、初始濃度呈拋物線關(guān)系； 張婷(2004)研究了含水率及干密度對土體凍脹的影響，凍脹率隨含水量的減小而線性降低。在試驗范圍內(nèi)，干密度越大，土體凍脹率越大，隨著干密度增大，土體凍脹將達到最大程度。土體產(chǎn)生凍脹的條件是凍脹敏感性土、水分補給、適當(dāng)凍結(jié)溫度和時間。程培峰等(2011)、高明星等(2012)指出，在同一含水量下，凍脹量隨壓實度的增大而減小； 在同一壓實度下，凍脹量隨含水量的增大而增大。王文華(2011)發(fā)現(xiàn)在相同擊實度下，凍脹率隨含水率增加而增大。在相同擊實度、相同含水率下，凍脹率基本是隨著含鹽量的增加而增大，但存在一最佳凍脹擊實度。即較高的含鹽量、較高的含水率以及較大的擊實度都使土樣最終凍脹率增大。張艷鴿(2011)通過對三支溝和大安地區(qū)鹽漬土凍脹特性研究發(fā)現(xiàn)：土樣的凍脹曲線分為凍縮期、凍脹增長期、結(jié)構(gòu)調(diào)整期和凍脹持續(xù)增長期4個階段。隨著密實度的增加，含鹽土樣凍縮現(xiàn)象逐漸消失，薄膜水失水現(xiàn)象減少； 含水率<24%時，擊實度和凍脹率成正比，含水率>24%時， 0.0%含鹽量各土樣為凍縮期，土樣的總凍脹率隨含水率的增加而減小，且90%擊實度土樣具有凍脹敏感性。李棟國(2015)對農(nóng)安地區(qū)鹽漬土進行凍脹試驗發(fā)現(xiàn)，凍脹性與含水率成正比，最低含水率在16%以上； 低含鹽量土凍脹與擊實度成正比，高含鹽量土凍脹與擊實度成反比； 含鹽量小于1.5%時凍脹與含鹽量成正比，反之成反比。

已有研究都共同指出了含水率、壓實度、含鹽量3個因素對土體凍脹率的影響，含水率與凍脹率為正相關(guān)，但壓實度和含鹽量對凍脹率的影響說法不一。已有試驗研究表明，在某些含水率及壓實度下，土體不發(fā)生凍脹而是發(fā)生凍縮，存在起始凍脹含水量，即在一定條件下的土體，在凍結(jié)過程中，使凍結(jié)土體不發(fā)生體積變化的含水量的界限值，該含水量是土體發(fā)生凍脹與凍縮的界限含水量值。大部分試驗都重點研究土體凍脹部分的變化規(guī)律，對于土體凍縮部分的規(guī)律研究較少。影響鹽漬土起始凍脹含水率變化的因素及該起始凍脹含水率變化規(guī)律參考文獻較少。

馬巍等(2014)在《凍土力學(xué)》一書中指出，當(dāng)土體密度一定時，黏性土的起脹含水量與塑限含水量有較密切的關(guān)系，當(dāng)土的干密度為1.5～1.6g·cm-3時，它們之間的關(guān)系可用線性方程表示。本文將在此結(jié)論的基礎(chǔ)上，討論壓實度、含鹽量與鹽漬土起始凍脹含水率之間的關(guān)系。以吉林省農(nóng)安縣旱地鹽漬土為研究對象，通過室內(nèi)凍脹實驗測定不同含水率、壓實度、含鹽量條件下土體的凍脹量，得到含水率、壓實度、含鹽量與凍脹量的關(guān)系，以此研究該地鹽漬土凍脹特性，分別繪制出起始凍脹含水率與壓實度和含鹽量的關(guān)系曲線，建立起始凍脹含水率隨壓實度變化的公式，并分析鹽分對起始凍脹含水率的影響，為后續(xù)季凍區(qū)鹽漬土的凍脹特性研究提供參考與理論依據(jù)。

1 土樣的基本性質(zhì)

實驗土樣取于秋季，在農(nóng)安縣旱地有代表性地點從表層取至170cm。天然密度為1.77～1.93g·cm-3； 天然含水率最低為15.93%，最高可達34.3%； 粒徑小于0.075mm顆粒含量大于75%，粒徑小于0.005mm顆粒含量小于30%，為粉質(zhì)亞黏土(唐大雄等， 1999)；Cu>5、Cc=1～3，土樣級配良好； 有機質(zhì)含量最大處為1.61%，可判定為非有機質(zhì)土； 呈弱堿性； 各層易溶鹽含量變化較大，在0.74%～1.42%范圍內(nèi)波動； 陰離子以重碳酸根為主，陽離子以鈉離子為主，含量高達6.72%，遇水后可形成較厚的擴散層，使顆粒間的連結(jié)減弱直至消失(唐大雄等， 1999)，增強土的分散性，并影響滲透性和毛細性(張靜， 2010； 張旭東等， 2015)。在易溶鹽含量測試中發(fā)現(xiàn)40cm土層為易溶鹽總量轉(zhuǎn)折點和最大點，鈉離子含量也較高，因此選擇該層土作為研究農(nóng)安鹽漬土凍脹特性的試驗用土，并進行物理化學(xué)試驗，試驗結(jié)果(表1，表2)。通過室內(nèi)擊實試驗測得40cm處土的最優(yōu)含水率為21.26%，最大干密度為1.63g·cm-3。

表1 40cm深度土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

Table1 Basic physical properties of soil samples at 40cm depth

天然密度ρ/g·cm-3天然含水率ω/%塑限ωP/%液限ωL/%塑性指數(shù)IP顆粒含量/%>0.075mm0.075～0.005mm<0.005mm1.9226.552243210.3881.3718.25

表2 40cm深度土樣的基本化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

Table2 Basic chemical properties of soil samples at 40cm depth

pH易溶鹽總量/%K+/mmol·100g-1Na+/mmol·100g-1SO2-4/mmol·100g-1HCO-3/mmol·100g-1陽離子交換/mmol·100g-17.031.420.203.481.721.870.06

2 室內(nèi)凍脹試驗

土體凍脹是由土中水成冰引起體積膨脹的現(xiàn)象。凍土地區(qū)工程建筑會由于土體的凍脹遭受破壞(徐學(xué)祖等， 2010)。凍脹的表現(xiàn)形式之一是凍脹量，表現(xiàn)為土體凍結(jié)后垂直方向上的增量。

2.1 影響因素的確定

以往研究成果表明，土體的凍脹性受內(nèi)部和外部因素影響。內(nèi)部因素包括土的粒度成分、物理化學(xué)性質(zhì)、含水率、密實度和含鹽量等； 外部因素指外荷載、溫度、凍融作用等(李廣信， 2004)。本次試驗主要針對研究成果未達到共識的壓實度和含鹽量兩種因素，研究起始凍脹含水率隨含鹽量和壓實度的變化規(guī)律。

2.1.1 含鹽量

所取土樣深度范圍內(nèi)易溶鹽含量在0.74%～1.42%之間變化，最高曾經(jīng)達到2.6%，經(jīng)調(diào)查農(nóng)安地區(qū)易溶鹽含量高于吉林西部其他地區(qū)，而且以往研究表明含鹽量對凍脹性的影響復(fù)雜，應(yīng)增大含鹽量變化范圍，因此選取0、0.5%、1%、1.4%(天然含鹽量)、2%、3%作為指標(biāo)。此外，含鹽類型影響鹽漬土的鹽脹，從而對試驗結(jié)果產(chǎn)生一定影響。當(dāng)硫酸鈉含量大于2%時，鹽脹量隨硫酸鈉含量的增加而迅速增大(楊保存， 2009)。研究區(qū)鹽漬土硫酸鹽含量低于2%，所以在研究其凍脹特性的時候可不考慮硫酸鹽的影響。當(dāng)碳酸鹽含量超過0.5%時，鹽脹量顯著增大，而農(nóng)安地區(qū)鹽漬土很容易達到該標(biāo)準(zhǔn)，因此選取碳酸氫鈉為實驗用鹽研究其凍脹特性。

2.1.2 含水率

如前文所述，馬巍等(2014)指出，當(dāng)土體密度一定時，黏性土的起脹含水量與塑限含水量有較密切的關(guān)系，當(dāng)土的干密度為1.5～1.6g·cm-3時，它們之間的關(guān)系可用線性方程表示：

(1)

式中，ωP為塑限；ω0為起始凍脹含水量。

試驗觀測資料統(tǒng)計表明，上述條件下α為0.71～0.86，取平均值為0.8。封閉系統(tǒng)中黏性土的起始凍脹含率接近塑限(徐學(xué)祖等， 1995； 趙安平等， 2008)，含水率過小時發(fā)生凍縮，過大時會發(fā)生冰的凍脹。因此，結(jié)合起始凍脹含水率與塑限的關(guān)系并考慮最優(yōu)含水率與工程要求，采用隔斷水源的封閉系統(tǒng)，選取含水率值分別為16%、18%、20%、22%、24%、26%。

2.1.3 壓實度

一般壓實度越大越容易發(fā)生凍脹，但到一定程度凍脹率反而減小(李棟國， 2015)。工程中對土的壓實度要求各有不同，公路工程中壓實度要求一般都在90%以上，其他工程至少都在85%以上，壓實度超過95%時，土體就很難壓實了。而且從經(jīng)濟效益上講不宜用過大的壓實度。因此，結(jié)合本次試驗?zāi)康?，選取壓實度分別為： 85%、88%、90%、92%、95%。

2.2 試驗方法〗2.2.1 洗鹽

配制不同含鹽量所用的土需要進行脫鹽，將土樣放入土樣桶內(nèi)，注入蒸餾水，充分?jǐn)嚢杈鶆颍o置24h澄清后抽取上部清水，后再注入蒸餾水，重復(fù)上述步驟多次后，取10mL土樣濾下溶液平均放入兩個試管中，向其中一個試管中加入數(shù)滴100mL·L-1硝酸和50mL·L-1硝酸銀溶液，向另一個試管中加入數(shù)滴100mL·L-1鹽酸和50mL·L-1氯化鋇溶液，如出現(xiàn)白色沉淀，則需要繼續(xù)用去蒸餾水對實驗用土進行脫鹽。按上述檢驗方法進行重復(fù)檢查，直至不再出現(xiàn)白色沉淀為止，此時表明鹽分清洗干凈(邴慧等， 2011)，將洗鹽后的土烘干備用。

2.2.2 制樣

將碾散的烘干土樣通過2mm的篩，取篩下足夠試驗用的土，按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)稱取干土質(zhì)量、碳酸氫鈉質(zhì)量，量取蒸餾水體積，將稱好的土樣平鋪于搪瓷盤內(nèi)，將配好的鹽水均勻噴灑于土樣上，充分?jǐn)嚲笱b入塑料袋密封，置入保濕缸中悶料24h，再將土用分層擊實法按預(yù)定壓實度分3層擊入凍脹儀的模具中，層間用刮土刀刮毛，制成180個高10cm，直徑5cm的圓柱試樣。

2.2.3 凍脹

將制好的試件固定在凍脹儀底座上，在土樣表面的中心點預(yù)先安放好凍脹承力片(避免百分表活動端在未凍結(jié)時壓入土中而產(chǎn)生試驗誤差)，安裝和調(diào)試好百分表，最后，將凍脹儀放入凍融實驗箱中進行試驗(圖1)。凍融實驗開始前，先把試件放入凍融箱在5℃的環(huán)境下穩(wěn)定24h，穩(wěn)定后，按照設(shè)計溫度逐級降溫，降溫速率為1℃·h-1，停機溫度分別設(shè)置為0℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃，每一停機溫度間隔12h，保證試樣充分凍脹，最后觀測試件在-25℃時凍脹12h后的凍脹量，并記錄數(shù)據(jù)。

圖1 凍脹實驗裝置

3 各因素對凍脹特性的影響

3.1 含鹽量、壓實度、含水率對凍脹特性的影響

繪制不同含鹽量、不同壓實度下含水率與凍脹量關(guān)系的散點圖(圖2～圖7)。同一壓實度下，凍脹量隨含水率增大基本上呈線性增大，凍縮量隨含水率增大基本呈線性減小，存在一臨界含水率，土樣既不發(fā)生凍脹也不發(fā)生凍縮； 含水率相同時，凍脹量隨壓實度增大而增大，凍縮量隨壓實度增大而減小，同樣存在一臨界壓實度，使得凍脹量為0。

圖2 0%含鹽量不同壓實度凍脹量與含水率關(guān)系

圖3 0.5%含鹽量不同壓實度凍脹量與含水率關(guān)系

圖4 1%含鹽量不同壓實度凍脹量與含水率關(guān)系

圖5 1.4%含鹽量不同壓實度凍脹量與含水率關(guān)系

圖6 2%含鹽量不同壓實度凍脹量與含水率關(guān)系

圖7 3%含鹽量不同壓實度凍脹量與含水率關(guān)系

0%含鹽量下， 85%和90%壓實度時，隨著含水率增加曲線斜率先增大后減小， 22%(塑限)附近凍脹變化量最大； 90%壓實度凍脹變化幅度較均勻； 92%、95%壓實度時，塑限附近凍脹變化幅度較小，高含水率變化幅度較大； 且各壓實度凍脹(縮)量在塑限處相差較小。

0.5%含鹽量時，凍脹變化量隨含水率增大先增大后減小，塑限附近變化最大。

1%含鹽量時，各壓實度曲線基本在塑限處存在一拐點，兩側(cè)基本呈線性變化，高含水率斜率大于低含水率斜率。1.4%含鹽量，高含水率凍脹量變化幅度較大，低含水率變化幅度較?。?塑限處各壓實度凍脹量接近。

2%含鹽量，曲線波動較大，低壓實度線性關(guān)系較好，高壓實度較差，塑限處存在一拐點，斜率有先增大后減小的趨勢。

3%含鹽量，塑限附近存在一微小平臺，該處凍脹量相對減小，兩側(cè)斜率接近?？梢娝芟迣雒浱匦缘奶厥庑杂绊?。

3.2 壓實度與鹽分對起始凍脹含水率的影響

圖8 不同含鹽量起脹含水率與壓實度關(guān)系

由圖8 可以看出，起始凍脹含水率隨著壓實度的增大而線性減小。這是由于壓實度較小時，土體中存在較大孔隙，使孔隙中的水有足夠的凍結(jié)空間，弱結(jié)合水結(jié)冰后向孔隙移動，使顆粒間距離減小，宏觀上表現(xiàn)為土體凍縮，隨著初始含水率的增加，未凍水含量增加，使得孔隙沒有足夠的空間容納冰的凍脹，弱結(jié)合水凍結(jié)擠壓顆粒，宏觀上表現(xiàn)為土體的凍脹； 當(dāng)壓實度較大時，土中孔隙較小，孔隙水和弱結(jié)合水凍結(jié)成冰后很快充滿土體中的孔隙，并擠壓顆粒，表現(xiàn)為土體凍脹，因此隨著壓實度的增大，起始凍脹含水率降低。

各含鹽量下起脹含水率與壓實度的擬合公式如下：

3%：

y=-0.3689x+55.893

R2=0.985

(2)

2%：

y=-0.4685x+64.531

R2=0.9986

(3)

1.4%：

y=-0.2783x+45.923

R2=0.9928

(4)

1%：

y=-0.3928x+59.79

R2=0.9893

(5)

0.5%：

y=-0.4705x+63.295

R2=0.991

(6)

0%：

y=-0.5364x+69.777

R2=0.9929

(7)

繪制各公式斜率的絕對值與含鹽量關(guān)系曲線，(圖9)。隨著含鹽量增大，起始凍脹含水率隨壓實度減小的幅度整體上呈現(xiàn)下降趨勢。其中1.4%含鹽量的土樣為天然土樣，由于存在鹽分的遷移，造成該土樣鹽分的不均勻與富集，使得該點值較小。

圖9 起脹含水率隨壓實度減小幅度與含鹽量關(guān)系

圖10 不同壓實度起脹含水率與含鹽量關(guān)系

不同壓實度起脹含水率與含鹽量關(guān)系(圖10)，起脹含水率隨含鹽量的增加整體增大，但影響不大，且隨壓實度的增加這種趨勢越明顯。說明鹽分對凍脹有一定的抑制作用。原因是鹽分使溶液的冰點降低，增加未凍水含量。

(8)

式中，ωP為塑限；ω0為起始凍脹含水量；c為壓實度。

隨著含鹽量的不同，推算出α的范圍為0.8528～0.9936(圖11)。隨著含鹽量增加，α值整體呈增大趨勢，使得起始凍脹含水率呈增大趨勢。

圖11 系數(shù)α值與含鹽量關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)相同含鹽量條件下，土體隨著含水率和壓實度的增大首先發(fā)生凍縮，隨后發(fā)生凍脹，即存在臨界含水率和臨界壓實度使得凍脹量為零； 凍脹量隨含水率和壓實度的增大而增大，凍縮量隨含水率和壓實度的減小而增大，凍脹(縮)量與含水率基本呈線性關(guān)系。較大的壓實度和較高的含水率利于凍脹。塑限對凍脹特性的影響特殊。

(2)起始凍脹含水率隨著壓實度的增大而線性減小，原因是壓實度的提高使得土體變得密實，減小了未凍水凍脹的空間，因而較低的初始含水率即可發(fā)生凍脹。隨著含鹽量增大，起始凍脹含水率隨壓實度增大而減小的幅度整體上呈現(xiàn)下降趨勢，原因是鹽分降低溶液的冰點，增加未凍水含量，起到抑制凍脹的作用。

(3)起脹含水率隨含鹽量的增加整體增大，但這種影響較小，且隨壓實度的增加這種趨勢越明顯。

(4)通過實驗可以看出塑限和壓實度對起始凍脹含水率有影響，在前述公式的基礎(chǔ)上提出一個新的經(jīng)驗公式：

式中，ωP為塑限；ω0為起始凍脹含水量；c為壓實度。含鹽量不同，α在0.8528～0.9936之間變化，隨著含鹽量增加，α值整體呈增大趨勢，使得起始凍脹含水率亦呈增大趨勢。

數(shù)日后，李叔和不但沒聽李老鬼的話，也說話不算數(shù)，在一個下著細雨的晚上，真把老梅睡了，老梅給他一張兩千塊錢的卡。事情開始的時候，李叔和只是想著發(fā)泄一下，并不愿跟老梅建立太深的感情。他和老梅上床的另一個原因，是在金石灘見到了付玉。

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JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)學(xué)報 1004-9665/2016/24(5)- 0959- 08

INFLUENCE OF SALT AND COMPACTION ON CRITICAL WATER CONTENT OF FROST HEAVING OF SALINE SOIL

Frost heaving hazards of saline soil in seasonal region affect engineering quality. The change of water， density and salt influences the frost heaving characteristics of seasonal soil. By taking the saline soil from dry land in Nong’an County， Jilin province， frost heaving tests are conducted to examine the frost heaving regularity of saline soil with different water contents， compaction degrees and salt contents. Under different water contents， compaction degrees and salt contents， the changing rule of the critical water content of frost heaving of saline soil is analyzed. The research indicates that higher compaction degree and higher water content are in favor of frost heaving. In lower water content and lower compaction degree， shrinkage occurs. Shrinkage disappears and then expansion appears with the increase of water content and compaction degree. Frost heaving quantity and water content have a nearly linear relationship. Therefore， a critical water content of frost heaving exists. The critical water content decreases in a linear rule with the increase of compaction degree. But as the salt content increases， the critical water content rises generally. The influence of plastic limit and compaction degree on the critical water content of frost heaving can be fitted in a linear equation. The coefficient of the equation rises overall with the increase of salt content. On the basis of the formula summed up previously， a new parameter， compaction degree has been added， which provides reference and theoretical basis for the research of the frost heaving characteristics of seasonal saline soil in future．

Saline soil， Water content， Compaction degree， Salt content， Critical water content of frost heaving

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.026

2016-05-27;

2016-09-05.

國家自然科學(xué)基金項目(41372267， 41430642)資助.

王寧(1992-)，女，碩士生，主要從事鹽漬土方面的研究. Email: 1208986821@qq.com

簡介： 陳冶(1958-)，男，博士，副教授，主要從事工程地質(zhì)工作. Email: wangqing@jlu.edu.cn

TU448

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