氯鹽鹽漬土路基中毛細(xì)水上升規(guī)律試驗(yàn)研究

付黎明，張淑朝

（天津城建大學(xué)a.土木工程學(xué)院；b.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384）

我國(guó)沿海地區(qū)廣泛分布有多種類型的鹽漬土，鹽漬土具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性[1-3].鹽漬土地區(qū)的鐵路路基由于其特殊的巖土特性或施工處理不當(dāng)，容易發(fā)生鹽漬化，使路基土產(chǎn)生多種病害，嚴(yán)重影響其穩(wěn)定性和耐久性[4-5].同時(shí)，鹽漬土層中毛細(xì)水的上升可直接造成上覆土層吸水軟化及次生鹽漬化，更促使路基病害加劇. 因此，在鹽漬土地區(qū)進(jìn)行路基施工時(shí)，非常有必要查明土中毛細(xì)水上升的高度及影響毛細(xì)水上升的諸多因素，為鹽漬土地區(qū)路基工程設(shè)計(jì)施工提供依據(jù).

近年來(lái)，諸多學(xué)者從各種角度探討了毛細(xì)水上升問題及其上升規(guī)律[6-8].張平通過(guò)對(duì)不同顆粒級(jí)配毛細(xì)水上升試驗(yàn)分析，研究了顆粒級(jí)配和土的構(gòu)造對(duì)毛細(xì)水上升的影響[9]；何克瑾通過(guò)Green-Ampt 模型，進(jìn)行了室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，研究了均質(zhì)土壤毛管水上升特性[10]；康世飛通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，改變硫酸鹽漬土中的砂含量、黏土粒含量、水濃度等因素，研究了硫酸鹽漬土中的毛細(xì)水上升高度規(guī)律[11]；王興照通過(guò)改變土壤中的表面活性劑含量與類別，研究了表面活性劑對(duì)毛細(xì)水上升特性的影響[12].

鹽漬土地區(qū)鐵路路基工程一般為填方施工，鹽漬土地基需經(jīng)過(guò)一定的隔水或夯實(shí)甚至改性處理，即便如此，鹽漬土路基中季節(jié)性含鹽量變化、填方高度變化、改性施工材料等不同，均會(huì)影響鹽漬土路基工程穩(wěn)定性甚至仍會(huì)發(fā)生次生病害.本文以黃大鐵路鹽漬土路基實(shí)際工程為背景，現(xiàn)場(chǎng)取土，基于毛細(xì)管水上升高度試驗(yàn)，通過(guò)觀測(cè)毛細(xì)水上升高度和速度，探討了鹽漬土中毛細(xì)水上升影響因素及其變化規(guī)律.該研究成果對(duì)鹽漬土路基設(shè)計(jì)施工具有一定的參考價(jià)值.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)儀器

為了探討鹽漬土路基在不同含鹽量、不同路基填方高度以及不同改性材料下的毛細(xì)水上升特性，由于現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管試驗(yàn)儀口徑較小，不能較好地模擬實(shí)際工程中影響毛細(xì)水上升的諸多因素，故本試驗(yàn)自制了毛細(xì)管試驗(yàn)儀，主要由較粗口徑的有機(jī)玻璃管及其試驗(yàn)支架組成，見圖1. 有機(jī)玻璃管內(nèi)徑為70 mm，壁厚5 mm，高度為120 cm，玻璃管外側(cè)標(biāo)有刻度；試驗(yàn)支架由鋼管制成.有機(jī)玻璃管懸掛于支架上，保持垂直，試驗(yàn)時(shí)將土樣裝于管內(nèi)，試驗(yàn)管放在水槽中.試驗(yàn)期間水槽水位始終一致.該自制毛細(xì)管試驗(yàn)儀能模擬實(shí)際工況條件，且易于試驗(yàn)控制與操作.

圖1 毛細(xì)水管上升試驗(yàn)儀

1.2 試樣制備

試驗(yàn)土樣取自渤海灣近岸鹽漬土，深度1～2 m.試驗(yàn)前對(duì)土樣進(jìn)行自然風(fēng)干，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定其最優(yōu)含水率和最大干密度分別為21.4%、1.72 g/cm3，土樣的顆粒級(jí)配曲線如圖2 所示，以此參數(shù)制備試驗(yàn)土樣.

為研究不同影響因素下鹽漬土中毛細(xì)水上升特性，本試驗(yàn)制備了4 組不同試驗(yàn)土樣. 第1 組配制3種不同含鹽量的氯鹽鹽漬土；第2 組制備了同一含鹽量的鹽漬土，以備進(jìn)行不同上覆荷載下毛細(xì)水上升高度試驗(yàn)；第3 組制備了5 種不同改性材料的鹽漬土；第4 組是在鹽漬土中上覆設(shè)置25 cm 的級(jí)配碎石層.

1.3 試驗(yàn)方法與觀測(cè)

考慮毛細(xì)水上升不同的影響因素，參照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》[13]試驗(yàn)方法分別進(jìn)行試驗(yàn). 查閱相關(guān)資料，由于鹽漬土毛細(xì)水上升高度在24 h 內(nèi)變化相對(duì)較大，其后變化平穩(wěn)，基于此，本試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間設(shè)定為24 h.

圖2 土顆粒級(jí)配曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同含鹽量下鹽漬土毛細(xì)水上升特征

表1 為不同含鹽量下鹽漬土毛細(xì)水上升高度.圖3 為不同含鹽量時(shí)毛細(xì)水上升高度與時(shí)間的關(guān)系曲線.

表1 不同含鹽量下鹽漬土毛細(xì)水上升高度

圖3 毛細(xì)水隨時(shí)間上升高度變化曲線

由圖3 可知，鹽漬土毛細(xì)水上升趨勢(shì)基本與天然土樣類似，毛細(xì)水上升的最終高度低于天然土.同時(shí)發(fā)現(xiàn)，鹽漬土中的含鹽量越高，毛細(xì)水上升高度越低.前2 h 內(nèi)上升速度很快，2～20 h 階段上升呈線性變化，持續(xù)上升，20 h 后上升速度明顯減緩，最終上升速度趨于平穩(wěn).

2.2 不同上覆荷載下毛細(xì)水上升高度特征

本工程鹽漬土鐵路路基為填方工程，為了更好地模擬填筑高度的影響，筆者進(jìn)行了不同荷載作用下的鹽漬土毛細(xì)水上升高度試驗(yàn).配制統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的鹽漬土裝入3 個(gè)玻璃管中，其上施加不同質(zhì)量的荷載，分別為a 管0 g、b 管926 g、c 管1 852 g. 圖4 為在不同荷載強(qiáng)度下鹽漬土毛細(xì)水上升高度與時(shí)間的關(guān)系曲線.

圖4 不同荷載下鹽漬土毛細(xì)水上升高度與時(shí)間關(guān)系

由圖4 可以看出，a 管上升高度最高，b 管其次，c管最低. 這說(shuō)明不同荷載對(duì)鹽漬土毛細(xì)上升高度有著直接的影響，上覆荷載越大，鹽漬土的毛細(xì)水上升高度越低，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到這一因素的影響.

2.3 不同改性鹽漬土毛細(xì)水上升特征

對(duì)于鹽漬土路基而言，鹽漬化程度越高，鹽漬土路基的災(zāi)變性越大.為了降低鹽漬土的災(zāi)變性，實(shí)際工程中一般對(duì)鹽漬土路基進(jìn)行改性處理.本試驗(yàn)配制了5 種不同改性材料的鹽漬土，分別為3%的石灰鹽漬土、5%的石灰鹽漬土、7%的石灰鹽漬土、3%的水泥鹽漬土、5%的水泥鹽漬土.表2 為不同改性鹽漬土在24 h 內(nèi)的毛細(xì)水上升高度，圖5 為在不同改性鹽漬土的毛細(xì)水上升高度特征曲線.

由圖5 可知，無(wú)論是石灰還是水泥都能大幅度地改善鹽漬土中毛細(xì)水上升趨勢(shì).分析認(rèn)為，水泥和石灰，其水化反應(yīng)會(huì)使改性土中的毛細(xì)水上升受到抑制，隨著改性劑含量的増加，吸水反應(yīng)的效果隨之增大；相比較而言，水泥改性鹽漬土的作用最好，石灰含量的増加對(duì)于抑制毛細(xì)水上升的高度作用并不十分明顯.

表2 不同改性鹽漬土毛細(xì)水上升高度

圖5 不同改性鹽漬土毛細(xì)水上升高度特征曲線

2.4 級(jí)配碎石對(duì)鹽漬土毛細(xì)水上升高度的影響

毛細(xì)水上升高度與其土體顆粒級(jí)配有很大關(guān)系.為了降低其毛細(xì)水上升高度，實(shí)際路基工程中一般采用設(shè)置級(jí)配碎石墊層隔開其下方鹽漬土地基，在墊層上再進(jìn)行填方. 本試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際工程，在天然鹽漬土上方設(shè)置25 cm 高度的級(jí)配碎石墊層.碎石設(shè)置級(jí)配根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行選取. 設(shè)置順序?yàn)?0 cm土→25 cm 級(jí)配碎石→100 cm 土.表3 為級(jí)配碎石鹽漬土與天然鹽漬土在14 d 內(nèi)毛細(xì)水上升高度；圖6 為天然鹽漬土與設(shè)置級(jí)配碎石鹽漬土毛細(xì)水上升特征曲線.

表3 級(jí)配碎石鹽漬土與天然鹽漬土毛細(xì)水上升高度

圖6 天然鹽漬土與級(jí)配碎石鹽漬土毛細(xì)水上升特征曲線

由圖6 可知，由于土顆粒與碎石顆粒結(jié)構(gòu)的不同，天然鹽漬土毛細(xì)水上升明顯，而級(jí)配碎石墊層的設(shè)置很好地抑制了毛細(xì)水上升.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)毛細(xì)水在碎石墊層中上升了22 cm，而碎石墊層的厚度為25 cm，毛細(xì)水并沒有到達(dá)墊層以上. 同時(shí)發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)水在裝有級(jí)配碎石的土柱中初期上升速度快，至4 d 以后，上升速度逐漸減小，至11 d 趨于穩(wěn)定.設(shè)置級(jí)配碎石的鹽漬土毛細(xì)水上升高度和速度明顯低于天然鹽漬土.分析認(rèn)為，直徑較小的土體顆粒之間存在著較強(qiáng)的基質(zhì)吸力，使土體空隙較易吸持水分，基質(zhì)吸力越大，則吸持水分的能力越強(qiáng)；而碎石的粒徑大，碎石靠細(xì)集料之間的細(xì)小空隙和大粒徑碎石表面對(duì)水的“浸潤(rùn)”來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水分的吸持作用，不存在基質(zhì)吸力，因此碎石墊層有很好地抑制毛細(xì)水上升的效果.

3 結(jié) 論

（1）氯鹽漬土毛細(xì)水上升趨勢(shì)基本與天然土類似；其含鹽量越高毛細(xì)水上升高度越低.

（2）不同上覆荷載作用下毛細(xì)水上升速度不同，上覆荷載越大其上升速度越慢.荷載作用下的鹽漬土毛細(xì)水上升高度低于天然土樣. 實(shí)際工程中，可以通過(guò)增高路基填土高度來(lái)抑制毛細(xì)上升高度.

（3）通過(guò)填加石灰和水泥等改性材料能夠大幅度地改善鹽漬土中毛細(xì)水上升情況，其中水泥改性劑的效果對(duì)抑制毛細(xì)水上升效果明顯.實(shí)際工程中，可通過(guò)對(duì)鹽漬土水泥改性來(lái)抑制其鹽漬化程度.

（4）設(shè)置級(jí)配碎石墊層能很好地抑制鹽漬土毛細(xì)水上升高度.實(shí)際工程中可通過(guò)設(shè)置一定高度級(jí)配碎石墊層的方式來(lái)提高路基抗鹽漬化能力.