粗顆粒鹽漬土室內(nèi)溶陷裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

孫安元，吳亞平，蒲增鋼，陳坤，張曉波

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；3. 中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

目前，對于粗顆粒鹽漬土沒有明確的定義，一般認(rèn)為粗粒質(zhì)量大于總質(zhì)量的 50%且含鹽量在0.3%以上的土體稱為粗顆粒鹽漬土[1]。鹽漬土的溶陷是指浸水土體在荷載的作用下產(chǎn)生的沉陷現(xiàn)象，主要由易溶鹽結(jié)晶的浸水溶解及土體潛蝕變形引起[2?3]。在我國，粗顆粒鹽漬土主要分布在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)密度不高的西部經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，因此其工程特性并未引起充分的重視[4?6]。隨著我國一帶一路戰(zhàn)略的推進(jìn)以及經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，將有越來越多的新修鐵路、公路干線經(jīng)過粗顆粒鹽漬土地區(qū)，但目前對于鹽漬土的研究主要集中在細(xì)顆粒方面，對粗顆粒鹽漬土的工程力學(xué)特性的研究并沒有形成相對成熟的理論。特別是在溶陷特性方面，粗顆粒鹽漬土溶陷性的判定標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)生機(jī)理、影響因素及病害防治等方面缺乏系統(tǒng)的研究及理論支持，這給粗顆粒鹽漬土地區(qū)的工程建設(shè)帶來極大不便[7?9]。對于路用粗顆粒鹽漬土的研究國內(nèi)起步較晚，自20世紀(jì)90年代以來，高樹森等[10?12]先后對粗顆粒鹽漬土的成土原因、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)造特性及工程病害等方面進(jìn)行了分析研究。程東幸等[13]結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)及工程病害案例對粗顆粒鹽漬土溶陷特性的影響因素進(jìn)行了分析，提出溫度、易溶鹽含量、滲透系數(shù)為粗顆粒鹽漬土溶陷特性的主要影響因素。張莎莎等[14]通過室內(nèi)路堤模型試驗(yàn)對粗顆粒鹽漬土作為路基填料的可用性進(jìn)行了研究，以鹽脹、溶陷系數(shù)為主要參數(shù)，初步建立了的粗顆粒鹽漬土作為路堤填料可用性的判定標(biāo)準(zhǔn)。近期，國內(nèi)對于粗顆粒鹽漬土溶陷性的研究主要集中在輸電線路的建設(shè)方面，李耀杰等[15]通過對實(shí)際工程病害的調(diào)查分析并結(jié)合室內(nèi)外試驗(yàn)，對粗顆粒鹽漬土的溶陷特征進(jìn)行了研究，分析了重塑土樣與自然狀態(tài)下粗顆粒鹽漬土的溶陷差異，探討了粗顆粒鹽漬土溶陷病害的處理方法。目前，關(guān)于粗顆粒鹽漬土溶陷特性的研究主要集中在現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬，室內(nèi)試驗(yàn)研究較為缺乏?，F(xiàn)行的室內(nèi)試驗(yàn)規(guī)范沒有針對粗顆粒鹽漬土溶陷系數(shù)測試方法的說明，其溶陷系數(shù)的獲得大都通過現(xiàn)場浸水載荷試驗(yàn)，耗費(fèi)大量人力物力，這給實(shí)際工程建設(shè)帶來很大的不便。針對以上不足，本文參照現(xiàn)場浸水試驗(yàn)原理，創(chuàng)新性的提出了一種室內(nèi)粗顆粒鹽漬土陷系數(shù)的測試方法，并結(jié)合現(xiàn)場浸水試驗(yàn)數(shù)據(jù)對粗顆粒鹽漬土的溶陷特性進(jìn)行分析，同時(shí)驗(yàn)證了該試驗(yàn)方法的合理性。

1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

常規(guī)的固結(jié)儀溶陷系數(shù)測試適用于顆粒小于 2 mm的細(xì)粒土，粗顆粒鹽漬土溶陷系數(shù)的測試不能采用以上方法?，F(xiàn)有的室內(nèi)測試裝置大多為固結(jié)儀的簡單放大，沒有定量的分析顆粒容積比的要求，且承壓板直徑與測試桶徑基本一致，未能考慮試驗(yàn)土體的分層溶陷及邊界效應(yīng)對溶陷性的影響，造成較大的試驗(yàn)誤差。

本文針對以上問題，對現(xiàn)有的室內(nèi)粗顆粒鹽漬土溶陷系數(shù)測試裝置進(jìn)行了改進(jìn)。測試桶采用5 mm厚無縫鋼管制作，保證足夠的側(cè)向支撐強(qiáng)度；桶徑25 cm，容土高度50 cm，最大測試土樣粒徑60 mm，經(jīng)計(jì)算最大顆粒容積比為2.44×10?6小于常規(guī)固結(jié)儀最大顆粒容積比(2.47×10?5)，滿足測試需要；承壓板下設(shè)自制排水板直徑10 cm，圍繞排水板邊緣3 cm處分層埋設(shè)沉降標(biāo)，標(biāo)頂架設(shè)SIWI-10數(shù)顯式自采百分表采集溶陷數(shù)據(jù)，測試承壓范圍內(nèi)的土樣溶陷量，能較好的模擬自然狀態(tài)下溶陷的邊界條件；桶底開設(shè)出水孔，底部鋪設(shè)5 cm厚的顆粒級配良好的砂作為過濾層，測試裝置如圖1所示。選取GDJS-150冷熱交變試驗(yàn)箱內(nèi)模擬不同的環(huán)境溫度，采用1:20的自制杠桿式加載裝置加載。

圖1 測試裝置Fig. 1 Measuring device

2 測試方法

溶陷系數(shù)的測定旨在確定浸水土體在自重及外加荷載作用下的沉陷量。控制測試粗顆粒鹽漬土樣的含水量，按要求的壓實(shí)度分層填充至測試桶內(nèi)，并分層埋設(shè)沉降標(biāo)。參照《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50942—2014)的要求對試驗(yàn)土樣自50 kPa分級加載至200 kPa，待土樣沉降變形穩(wěn)定(沉降量＜0.01 mm/h)后浸水溶濾，采用SIWI-10數(shù)顯式自采百分表采集溶陷數(shù)據(jù)，并計(jì)算溶陷系數(shù)。

溶陷系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：δrx為溶陷系數(shù)；Δs為承壓板壓力為P時(shí)，鹽漬土層浸水前后沉降量之差，mm；h為承壓板下鹽漬土浸水深度，mm。

3 測試應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)土樣選取

德伊高鐵北起德黑蘭南至伊斯法罕，沿線廣布含鹽母巖，造成線路沿線覆蓋層大多含鹽，經(jīng)初步地質(zhì)調(diào)查及取樣分析，覆蓋層多為粗顆粒鹽漬土。為了在鐵路設(shè)計(jì)階段對沿線鹽漬土地基做出溶陷性評價(jià)，選取代表性點(diǎn)位進(jìn)行鹽漬土溶陷系數(shù)測試。試驗(yàn)分別選取伊朗德伊高鐵—德庫段 DK76+987點(diǎn)位、DK77+300點(diǎn)位、DK102+516點(diǎn)位取得的粗顆粒鹽漬土，進(jìn)行室內(nèi)溶陷系數(shù)測試試驗(yàn)。試驗(yàn)用土顆粒篩分結(jié)果如表1所示，粒徑分配曲線見圖 2，由前期試驗(yàn)測得試驗(yàn)土樣含鹽量及天然含水率并按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237—1999的要求對其分類，如表2所示。

表1 試驗(yàn)用土顆粒篩分結(jié)果Table 1 Results of the screening of granular soil for testing

3.2 試驗(yàn)方案

1) 將測試土樣按天然含水率配制，分層填充至測試桶內(nèi)，參照《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10001—2005，試驗(yàn)土樣壓實(shí)度取 K=0.92分層壓實(shí)后室內(nèi)養(yǎng)生24 h。

2) 為更真實(shí)的模擬土樣的賦存環(huán)境，將裝填好的測試桶放入GDJS-150冷熱交變試驗(yàn)箱內(nèi)，按伊朗庫姆地區(qū)夏季平均氣溫 24 ℃設(shè)置環(huán)境溫度保持48 h，通過嵌入式數(shù)顯溫度計(jì)測試土溫，使土體整體溫度達(dá)到試驗(yàn)所需溫度。

3) 自50 kPa開始分級加載至200 kPa，待土體沉降變形穩(wěn)定后(沉降量＜0.01 mm/h)浸水，采用SIWI-10數(shù)顯式自采百分表采集沉陷數(shù)據(jù)，并由公式(1)計(jì)算溶陷系數(shù)。具體加載步驟見表3。

圖2 粒徑分配曲線Fig. 2 Particle size distribution curve

表2 試驗(yàn)土樣參數(shù)及分類Table 2 Parameters and classification of soil samples

表3 室內(nèi)試驗(yàn)步驟Table 3 Test procedure of indoor expeiment

4 測試結(jié)果分析

4.1 現(xiàn)場浸水試驗(yàn)

現(xiàn)場浸水試驗(yàn)，試坑直徑2.5 m，深0.4 m，加載板直徑0.8 m。自20 kPa開始分8級加載至200 kPa，待沉降量穩(wěn)定后(沉降量＜0.01 mm/h)浸水，模擬自然界降水及長期浸水工況。具體試驗(yàn)步驟見表4。

4.2 室內(nèi)外溶陷系數(shù)測試結(jié)果分析

按《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237—1999的分類標(biāo)準(zhǔn)，DK76+987點(diǎn)位為卵礫石粗顆粒土，易溶鹽及中溶鹽含量相對較低，其室內(nèi)外加載、浸水沉降S-T曲線如圖3所示。

表4 現(xiàn)場浸水試驗(yàn)步驟Table 4 Site flooding test steps

由室內(nèi)分級加載S-T曲線可以看出，在每級荷載作用下，土體沉降通常在短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到穩(wěn)定，且隨著壓力的增加，沉降量呈增大趨勢，最終室內(nèi)加載沉降量 0.1 mm，現(xiàn)場加載沉降量為 1.01 mm。待沉降值穩(wěn)定后，進(jìn)行24 h浸水加載，溶陷隨時(shí)間增長緩慢發(fā)生，累計(jì)溶陷量很小，在24 h浸水狀態(tài)下室內(nèi)外累計(jì)溶陷量分別為 0.113 mm和1.24 mm。可見，對于卵礫石粗粒鹽漬土，在浸水潛蝕存在的前提下，粗骨架對沉陷有較強(qiáng)的抑制作用，也說明土體內(nèi)部起骨架作用的結(jié)晶鹽流失進(jìn)而產(chǎn)生的溶陷量較小。因沉降在 24 h內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，則24 h的溶陷量可視為長期浸水的溶陷量。最終，由式(1)可得該點(diǎn)位土體室內(nèi)溶陷系數(shù)為2.26×10?4，由現(xiàn)場浸水試驗(yàn)測得的溶陷系數(shù)為 2.31×10?4。依據(jù)《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50942—2014)的判定標(biāo)準(zhǔn)，此點(diǎn)位粗顆粒鹽漬土可認(rèn)定為無溶陷特性。

圖3 DK76+987點(diǎn)位室內(nèi)外加載、浸水沉降S-T曲線Fig. 3 S-T curves of indoor and outdoor loading and immersion settlement of DK76+987

圖4 DK102+516點(diǎn)位室內(nèi)外加載、浸水沉降S-T曲線Fig. 4 S-T curves of indoor and outdoor loading and immersion settlement of DK102+516

DK102+516點(diǎn)位試驗(yàn)土體的骨架顆粒相對較細(xì)，為沙土類粗顆粒鹽漬土，易溶鹽含量相對較高，按《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50942—2014)的判定標(biāo)準(zhǔn)，該點(diǎn)位試驗(yàn)土體屬于中硫酸鹽鹽漬土。其室內(nèi)外加載、浸水沉降S-T曲線如圖4所示。

在加載階段的前期，土體沉降的臺階效應(yīng)明顯，隨著加載量的繼續(xù)增加土層沉降量緩慢增加，加載穩(wěn)定時(shí)長也有增加趨勢，最終室內(nèi)加載試驗(yàn)及現(xiàn)場加載試驗(yàn)的穩(wěn)定沉降值分別為0.50 mm和6.22 mm。因?yàn)樵撎幍貙訛樯惩令惔诸w粒鹽漬土，易溶鹽含量較高，粗顆粒骨架含量相對較少，浸水過程中土體內(nèi)鹽分流失，結(jié)晶鹽骨架作用消失，溶陷伴隨滲流效應(yīng)緩慢發(fā)生，沉降S-T曲線一直處于連續(xù)變化狀態(tài)。在浸水狀態(tài)下，隨著自由水入滲深度的增大，溶陷短期加速，最終變形穩(wěn)定后室內(nèi)外累計(jì)溶陷量分別為4.83 mm和48.26 mm，由式(1)計(jì)算其滲透系數(shù)分別為0.009 6和0.01，依據(jù)《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50942—2014)的判定標(biāo)準(zhǔn)，此點(diǎn)位土樣具有輕微溶陷特性?？梢?，粗顆粒鹽漬土的溶陷特性在受顆粒骨架影響的同時(shí)與易溶鹽的含量密切相關(guān)。

DK77+300點(diǎn)位為石膏富集卵礫石粗粒鹽漬土，按《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50942—2014)的判定標(biāo)準(zhǔn)，該點(diǎn)位可劃分為高中溶鹽鹽漬土。其室內(nèi)外加載、浸水沉降S-T曲線如圖5所示。

圖5 DK77+300點(diǎn)位室內(nèi)外加載、浸水沉降S-T曲線Fig. 5 S-T curves of indoor and outdoor loading and immersion settlement of DK77+300

該點(diǎn)位土體中富含大量石膏結(jié)晶，由于石膏的膠結(jié)作用使得土體中的粗細(xì)顆粒連接較為緊密，土體整體性較好，強(qiáng)度較其他點(diǎn)位高。在加載的初級階段土體沉降變形較小，至加載量達(dá)50 kPa后才開始出現(xiàn)較為明顯的沉降，加載穩(wěn)定時(shí)長呈增加趨勢，最終穩(wěn)定沉降量室內(nèi)為0.23 mm、現(xiàn)場為15.23 mm。由圖 5可見，在室內(nèi)浸水試驗(yàn)的初期出現(xiàn)大幅度的溶陷變形，這是因?yàn)榻?jīng)重塑過程，土體中原有的由石膏與土顆粒膠結(jié)形成的骨架顆粒在一定程度上被破壞，浸水后石膏膠結(jié)顆粒迅速崩塌，同時(shí)在外加荷載作用下出現(xiàn)塌陷變形。需要注意的是，由于該試驗(yàn)點(diǎn)位土體特殊的骨架顆粒構(gòu)造及含鹽特點(diǎn)，現(xiàn)場試驗(yàn)所測得的浸水溶陷影響深度較其他點(diǎn)位有較為明顯的增加，雖然現(xiàn)場浸水階段沒有發(fā)生崩塌式溶陷變形，但最終的穩(wěn)定沉降量及溶陷量均有大幅度提高。由室內(nèi)外試驗(yàn)測得該點(diǎn)位的溶陷系數(shù)分別為0.001和0.001 3，較級配及易容鹽含量相似的DK76+987點(diǎn)位土體的溶陷系數(shù)有近5倍的提高?？梢娫诹浇M成及易溶鹽含量相似的情況下，中溶鹽含量的提高會明顯加劇粗顆粒鹽漬土的溶陷特性。

需要注意的是，室內(nèi)溶陷試驗(yàn)采用的是擾動(dòng)后的重塑土樣，在一定程度上改變了土體的骨架顆粒構(gòu)造及鹽的分布狀態(tài)，這將給室內(nèi)外溶陷系數(shù)測定的結(jié)果帶來差異。試驗(yàn)按照《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》TB 10001—2005的要求，重塑土體的裝填壓實(shí)度取K=0.92，這與現(xiàn)場土體的實(shí)際賦存狀態(tài)存在差異，最終使室內(nèi)測試結(jié)果偏小于現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果。對于DK77+300點(diǎn)位的石膏富集卵礫石粗粒鹽漬土，重塑土樣的制備過程對其由石膏膠結(jié)作用形成的骨架顆粒破壞較為嚴(yán)重，使其整體密實(shí)度增加，導(dǎo)致室內(nèi)溶陷系數(shù)測試結(jié)果較現(xiàn)場試驗(yàn)所得偏小 9%，其余兩組土體的室內(nèi)外測試偏差在4%以內(nèi)。

5 結(jié)論

1) 針對現(xiàn)有測試方法的不足，從顆粒容積比、溶陷邊界條件等方面設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)粗顆粒鹽漬土溶陷系數(shù)的測試方法，通過與現(xiàn)場浸水載荷試驗(yàn)的對比分析，驗(yàn)證了該試驗(yàn)方法的可行性，為粗顆粒鹽漬土地區(qū)工程的建設(shè)施工提供服務(wù)。

2) 通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粗顆粒鹽漬土的溶陷特性不僅與易溶鹽的有關(guān)，中溶鹽(石膏)的含量也是關(guān)鍵的影響因素。中溶鹽對粗顆粒鹽漬土顆粒間的膠結(jié)作用會增強(qiáng)土體的整體性及承載能力，但在浸水狀態(tài)下隨著鹽結(jié)晶顆粒的不斷溶解，膠結(jié)的骨架結(jié)構(gòu)在荷載作用下會出現(xiàn)分解崩塌現(xiàn)象，導(dǎo)致高中溶鹽粗顆粒鹽漬土的溶陷系數(shù)明顯高于同粒組低中溶鹽粗顆粒鹽漬土。

3) 鹽結(jié)晶顆粒的浸水溶解及土體的潛蝕效應(yīng)是造成鹽漬土溶陷的主要原因，但對于粗顆粒鹽漬土，其粗骨架顆粒在一定程度上會抑制溶陷現(xiàn)象的發(fā)生，在含鹽量近似的情況下，骨架顆粒越粗溶陷現(xiàn)象越不明顯。

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