羅布泊地區(qū)天然硫酸鹽漬土融沉量試驗(yàn)研究

周冬梅，張遠(yuǎn)芳，潘 蕾

(1.新疆中地巖土工程勘察設(shè)計(jì)院(有限責(zé)任公司)， 新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052)

羅布泊地區(qū)天然硫酸鹽漬土融沉量試驗(yàn)研究

周冬梅1，張遠(yuǎn)芳2，潘 蕾2

(1.新疆中地巖土工程勘察設(shè)計(jì)院(有限責(zé)任公司)， 新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052)

為研究該地區(qū)硫酸鹽漬土融沉量的影響因素，在對(duì)羅布泊地區(qū)S235公路沿線勘察調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過模擬土體在自然環(huán)境下的溫度條件變化的方法，對(duì)該地區(qū)天然硫酸鹽漬土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：天然硫酸鹽漬土的融沉量與凍融循環(huán)次數(shù)呈二次函數(shù)的關(guān)系；各周期的融沉量隨含水率的增大而增大；融沉量對(duì)含水率的變化有較強(qiáng)的敏感性，對(duì)干密度的變化敏感度相對(duì)較低。

天然硫酸鹽漬土；融沉量；含水率；干密度

鹽漬土是指含鹽量達(dá)到一定數(shù)量的鹽、堿化土的總稱，其三相組成除固、液、氣外還存在固—液相可相互轉(zhuǎn)化的易溶鹽成分[1]，且易溶鹽組成成分及含量復(fù)雜多變，導(dǎo)致天然鹽漬土具有極其特殊的物理、化學(xué)和工程特性。Blaser H P等[2]最早對(duì)鹽漬土的鹽脹進(jìn)行了研究，認(rèn)為Na2SO4吸水結(jié)晶是鹽漬土發(fā)生鹽脹的主要原因；近年來我國學(xué)者在全國開展并研究了含水率、含鹽量、凍融次數(shù)和干密度等因素對(duì)鹽漬土工程特性的影響及作用[3-5]，文桃等[6]通過擊實(shí)試驗(yàn)研究了硫酸鹽漬土擊實(shí)性能的影響因素，牛璽榮等[7]建立了鹽脹與凍脹對(duì)硫酸鹽漬土的體積變化關(guān)系式；孫勇等[8]通過凍融循環(huán)對(duì)羅布泊天然鹽漬土的強(qiáng)度變化進(jìn)行研究；王海濤等[9]研究了鹽漬土含鹽量與電導(dǎo)率及稠度指標(biāo)的關(guān)系；黃雪峰等[10]對(duì)鹽漬土的鹽脹特性和水熱狀態(tài)變化特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究；張洪萍等[11]對(duì)鹽漬土的溶陷特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析；劉賀業(yè)等[12]分析了溫度對(duì)羅布泊地區(qū)硫酸鹽巖路基的鹽脹影響。在建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范和公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中[13-14]，鹽漬土作為一種工程性質(zhì)極其不良的特殊土體被給予了較高的設(shè)計(jì)要求，且天然鹽漬土在我國特別是西部地區(qū)分布十分廣泛，故對(duì)區(qū)域性天然鹽漬土的工程特性研究具有廣泛的前景和重要的工程實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土體及制備

土樣取自羅布泊地區(qū)省道S235沿線的天然鹽漬土，選取土體深度1.0 m處取樣作為研究土體，其基本參數(shù)如表1所示，主要易溶鹽離子含量如表2所示，經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果測(cè)試分析，該土為含砂細(xì)粒硫酸鹽漬土。

表1 試驗(yàn)土樣基本參數(shù)

表2 試驗(yàn)土樣主要易溶鹽離子含量(%)

1.2 試驗(yàn)方案

將具有一定含水率且攪拌均勻的土體于密封袋內(nèi)悶樣，采用常規(guī)室內(nèi)擊實(shí)法分層擊實(shí)制備[15]。為模擬羅布泊地區(qū)溫度變化范圍，將土樣置于-20℃的恒溫箱中24 h模擬冬季寒冷環(huán)境；恒定溫度20℃模擬春夏季溫度環(huán)境。試驗(yàn)土樣容器采用8 cm×8 cm×5 cm的金屬盒，為消除邊界效應(yīng)的影響，在金屬盒內(nèi)壁涂抹凡士林以減小摩擦力。試驗(yàn)設(shè)計(jì)7次凍融循環(huán)周期，單次凍融循環(huán)周期為將土體于±20℃環(huán)境中各放置24 h。為探究含水率和干密度對(duì)融沉量的影響，設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)分別為干密度1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3，含水率10%、13%、16%，試驗(yàn)分組如表3所示。

表3 試驗(yàn)分組

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 含水率對(duì)天然硫酸鹽漬土融沉量影響

不同含水率條件下天然硫酸鹽漬土各周期融沉量如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 干密度1.5 g/cm3的各周期融沉量曲線

圖2干密度1.6 g/cm3的各周期融沉量曲線

圖3干密度1.7 g/cm3的各周期融沉量曲線

硫酸鹽漬土的融沉作用主要由兩個(gè)因素導(dǎo)致，即冰晶體的融化和鹽結(jié)晶體的溶解。 隨外界溫度的上升， 土體內(nèi)部已被凍結(jié)成固態(tài)的冰晶體融化成液態(tài)自由水，導(dǎo)致土體孔隙結(jié)構(gòu)大幅增加，土體內(nèi)部產(chǎn)生架空結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性減弱，土體骨架發(fā)生失穩(wěn)塌落引起土體融沉；同時(shí)鹽漬土中的易溶鹽成分(主要為Na2SO4)的溶解度隨溫度升高呈數(shù)十倍大幅增加，吸水結(jié)晶后的Na2SO4·10H2O溶解于融化后新產(chǎn)生的自由水，促進(jìn)了大孔隙結(jié)構(gòu)的形成引起土體失穩(wěn)融沉；二者的疊加作用決定了天然硫酸鹽漬土土體融沉量的大小及變化情況。

如圖1、圖2、圖3所示隨含水率增加，硫酸鹽漬土各凍融循環(huán)周期的融沉量隨之增大，各曲線之間分離度較大，可知含水率的增加對(duì)天然硫酸鹽漬土的融沉量有顯著的增益效果。隨含水率的增加，融化的冰晶體增多，且隨冰晶體的融化溶解于液態(tài)水中的鹽結(jié)晶體數(shù)量增加，導(dǎo)致硫酸鹽漬土的融沉量隨含水率的增加有顯著的增大現(xiàn)象。

2.2 干密度對(duì)天然硫酸鹽漬土融沉量影響

不同干密度條件下天然硫酸鹽漬土各周期融沉量如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 含水率10%的各周期融沉量曲線

圖5 含水率13%的各周期融沉量曲線

圖6含水率16%的各周期融沉量曲線

干密度代表土體的密實(shí)程度，反映了土體孔隙結(jié)構(gòu)組成及粒間摩擦力、咬合力等的作用大小，同時(shí)干密度不僅會(huì)影響土體的初始孔隙結(jié)構(gòu)組成，還會(huì)對(duì)凍融循環(huán)過程中土體骨架結(jié)構(gòu)的受力及變化情況產(chǎn)生后續(xù)影響。

分析圖4、圖5、圖6發(fā)現(xiàn)，在相同含水率條件下，不同初始干密度的融沉量曲線間距很小，部分區(qū)域呈緊密貼合或交叉狀態(tài)。由此可知干密度對(duì)天然硫酸鹽漬土的融沉量具有一定的影響但相對(duì)較小，相比含水率作用效果，融沉量對(duì)干密度變化的敏感性較低。

同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)在不同含水率分組下，土體干密度為1.6 g/cm3的融沉量曲線整體處于最上方，即羅布泊地區(qū)天然硫酸鹽漬土在干密度為1.6 g/cm3時(shí)有較大的融沉量。這是由于干密度的大小決定了土體內(nèi)部孔隙的大小及組成方式，在凍融循環(huán)過程中，冰晶體和吸水后析出的Na2SO4·10H2O結(jié)晶體在改變土體孔隙結(jié)構(gòu)上的作用效果發(fā)生改變；當(dāng)干密度為1.6 g/cm3時(shí)土體骨架結(jié)構(gòu)相對(duì)較易遭到冰晶體及鹽結(jié)晶體的破壞，當(dāng)溫度上升時(shí)，冰晶體的消融作用和鹽結(jié)晶體的溶解作用導(dǎo)致其融沉量相對(duì)較大。

2.3 天然硫酸鹽漬土峰值融沉量影響

觀察圖1～圖6發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)硫酸鹽漬土樣的最大融沉量都發(fā)生在第三次凍融循環(huán)周期，說 明在前兩次凍融循環(huán)作用下，凍脹作用與鹽脹作用嚴(yán)重?fù)p害了土體骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；進(jìn)行第三次凍融循環(huán)時(shí)土體中大孔隙數(shù)量增多，隨著溫度的上升，冰晶體融化與鹽結(jié)晶體的溶解導(dǎo)致土體融沉量產(chǎn)生最大值。

如圖7所示為干密度分組下含水率與融沉量峰值關(guān)系曲線，分析曲線發(fā)現(xiàn)隨含水率的等量增加，各干密度分組下的融沉量峰值近似呈線性增加。如圖8所示含水率分組下的干密度與融沉量峰值呈二次函數(shù)關(guān)系，當(dāng)干密度為1.6 g/cm3時(shí)土體融沉量峰值達(dá)到最大值。對(duì)比圖7、圖8中的關(guān)系曲線，易知融沉量峰值對(duì)含水率變化的敏感性遠(yuǎn)大于對(duì)干密度變化的敏感性，相互驗(yàn)證了上文所述中融沉量的敏感性分析。

圖7 干密度分組下含水率與融沉量峰值曲線

圖8含水率分組下干密度與融沉量曲線

3 結(jié) 語

(1) 羅布泊地區(qū)天然硫酸鹽漬土的融沉量與凍融循環(huán)次數(shù)近似呈二次函數(shù)關(guān)系，由于在凍融循環(huán)作用下土體結(jié)構(gòu)性達(dá)到臨界點(diǎn)，融沉量峰值發(fā)生在第三次凍融循環(huán)周期。

(2) 隨含水率的增加，融化的冰晶體增多，硫酸鹽漬土的融沉量隨含水率的增大而增大，且其峰值大小與含水率近似呈線性關(guān)系。

(3) 硫酸鹽漬土的融沉量對(duì)含水率的變化有較強(qiáng)的敏感性，對(duì)干密度的變化敏感性相對(duì)較低。

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ThawingSettlementAmountofLopNur’sNaturalSulphateSalineSoil

ZHOU Dongmei1, ZHANG Yuanfang2, PAN Lei2

(1.XinjiangZhongdiGeotechnicalEngineeringInvestigationandDesigningInstituteCo.,Ltd.,Urumqi,Xinjiang830000,China; 2.CollegeofHydraulicandCivilEngineeringofXinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China)

In order to analyze the influence factors of the thawing settlement amount of natural sulphate saline soil, on the bases of the survey and research for the Lop Nur’s S235 road, the freeze-thaw tests of natural sulphate saline soil in this area was carried out to simulated the temperature conditions of the natural environment. The results indicate that the quadratic function relationship between the thawing settlement amount of natural sulphate saline soil and freeze-thaw times; Each cycle’s thawing settlement amount will be larger when the soil water content increasing; The thawing settlement amount’s sensitivity for the change of the soil water content is stronger than the change of the soil dry density.

naturalsulphatesalinesoil;thawingsettlementamount;watercontent;drydensity

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.016

2017-05-30

2017-07-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“凍融循環(huán)條件下鹽漬土工程特性研究”(41262012)

周冬梅(1988—)，女，新疆烏魯木齊人，工程師，主要從事巖土工程方面的工作。E-mail：509676191@qq.com

張遠(yuǎn)芳(1963—)，女，江蘇無錫人，教授，主要從事巖土方向的教學(xué)與科研工作。E-mail：610107064@qq.com

TU411

A

1672—1144(2017)06—0081—03