壓實度對蘇打型鹽漬土凍融特性影響研究

宮瀅 王正君 趙安平

摘 要：研究凍融作用下壓實度對鹽漬土工程性質(zhì)的影響，解釋鹽脹病害發(fā)生機(jī)理、發(fā)展規(guī)律和影響因素，為研究區(qū)域工程建設(shè)提供理論指導(dǎo)。選取大慶地區(qū)典型的蘇打型鹽漬土，在分析其理化性質(zhì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計壓實度為85%、90%、95%的3組試樣，借助土工凍脹試驗箱對大慶地區(qū)蘇打型鹽漬土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗。試驗結(jié)果表明：封閉系統(tǒng)中壓實度為85%時以凍（鹽）脹為主，90%時融沉顯著，而95%的壓實度能較好地抑制凍脹和融沉;其中第1個凍融循環(huán)對蘇打型鹽漬土的變形影響最大;由于研究區(qū)域地下水位較高，為模擬實際工況，進(jìn)行補(bǔ)水試驗，結(jié)果顯示，補(bǔ)水條件下蘇打型鹽漬土對溫度變化更加敏感，土的融沉比凍脹問題更突出，在實際工程中應(yīng)做好地下水的處理工作。

關(guān)鍵詞：鹽漬土;壓實度;凍融循環(huán);凍脹-融沉特性;補(bǔ)水試驗

中圖分類號：TU752 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2020）05-0112-07

Abstract：The influence of compaction degree on engineering properties of saline soil under freeze-thaw was studied， explain the mechanism of salt swelling， laws of development and influencing factors， and provide theoretical guidance for the study of regional engineering construction， the typical soda saline soil in Daqing area was selected， based on the analysis of its physical and chemical properties， three groups of samples with compactness of 85%， 90% and 95% were designed， and the freeze-thaw cycle test of soda saline soil in Daqing area was carried out with the help of the frost heave test box. The results showed that when the degree of compaction was 85%， frost heave （salt heave） was the main factor， and when the degree of compaction was 90%， thaw settlement was significant， while 95% of the degree of compaction can restrain frost heave and thaw settlement. The first freeze-thaw cycle had the greatest influence on the deformation of soda saline soil. Due to the high groundwater level in the study area， in order to simulate the actual working condition and carry out water replenishment test， the results showed that sodic saline soil was more sensitive to temperature change under the condition of water supplement， the problem of soil thawing settlement was more prominent than that of frost heaving， and groundwater treatment should be done in actual projects.

Keywords：Saline soil; degree of compaction; freeze-thaw cycle; frost heaving and thawing characteristics; water supplement test

0 引言

鹽漬土指自然環(huán)境中堿土和鹽土以及諸多鹽性土體和堿性土體，具有溶陷、鹽脹以及腐蝕性等特性的特殊土體[1]。由于全球氣候環(huán)境的變化，截至2016年，松嫩平原鹽漬土面積已增至393.7萬hm2，且鹽漬化程度日益惡化[2]。其中大慶地區(qū)鹽堿化程度變化尤為明顯，而凍融作用是該地區(qū)土壤鹽漬化程度不斷加劇的重要原因[3]。對鹽漬土的研究起源于蘇聯(lián)，早在20世紀(jì)40年代就已經(jīng)開展關(guān)于鹽漬土的研究[4]。我國鹽漬土分布廣泛，但研究起步較晚。最初是對農(nóng)業(yè)問題的研究，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，逐漸發(fā)展到巖土工程領(lǐng)域，我國目前對鹽漬土工程領(lǐng)域的研究主要集中在利用和改良、工程防治以及演化機(jī)理。對于松嫩平原寒旱區(qū)土地鹽堿化研究從20世紀(jì)50年代開始[5]，雖然已經(jīng)取得一定的成果，但研究仍然以農(nóng)業(yè)問題為主，目前對鹽漬土的工程性質(zhì)研究較少;研究人為活動影響考慮的較少，成因分析以單因素、定性為主，缺乏定量化和系統(tǒng)性[6]。

大慶蘇打鹽漬土鹽分組成以NaHCO3和Na2CO3為主，具有分散性、鈉鹽含量高的特性。已有研究表明，蘇打型鹽漬土物理力學(xué)性質(zhì)對溫度、水分和環(huán)境等變化十分敏感[7-10]，其力學(xué)性質(zhì)在溫度、含水量和環(huán)境等條件改變時易發(fā)生變化，從而導(dǎo)致大量工程破壞。

大慶蘇打鹽漬土的鹽堿化過程與凍融作用密切相關(guān)。Wu等[11]、馬馳[12]、肖澤岸等[13]的研究表明，冬季土壤凍結(jié)，鹽分隨著水分從下層（非凍層）向表層（凍層）遷移，春季表層土壤融化，鹽分隨著水分遷移積累在表層。由于該地區(qū)地勢平坦，夏季雖降雨較多但水分不易排出，降水淋鹽作用有限。張云德[14]、王文華等[15]、石群等[16]呂擎峰等[17]的研究也表明，凍融作用下鹽漬土極易發(fā)生水鹽遷移，且鹽分會隨水分在土體內(nèi)部重新分布，導(dǎo)致土體內(nèi)部物質(zhì)遷移和微觀結(jié)構(gòu)變化 ，致使土體相關(guān)的工程力學(xué)性質(zhì)劣化、工程病害加劇和生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)問題不斷增加[18-24]。

壓實度是檢測路基路面施工質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，反映土體干密度的大小，對路基和基層的強(qiáng)度、耐久性和穩(wěn)定性影響較大，壓實度不足會引起路面不同形式的破壞[25-27]。因此不同壓實度在凍融循環(huán)下對土體力學(xué)性質(zhì)的影響是一個值得關(guān)注的問題。本文以大慶地區(qū)蘇打型鹽漬土為研究對象，首先通過大量的現(xiàn)場勘察，充分了解研究區(qū)鹽漬土發(fā)育情況和成因。然后利用室內(nèi)物理化學(xué)試驗、凍融試驗，對其基本物理力學(xué)性質(zhì)和工程特性進(jìn)行研究，重點分析了開放和封閉的系統(tǒng)中，壓實度對反復(fù)凍融循環(huán)作用下鹽漬土凍（鹽）脹融沉特性的影響。從而揭示凍融循環(huán)對大慶蘇打型鹽漬土的凍脹-融沉和力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，為研究區(qū)的工程建設(shè)和相關(guān)的工程災(zāi)害、環(huán)境災(zāi)害治理提供依據(jù)。

1 試驗內(nèi)容與方法

1.1 基本理化性質(zhì)指標(biāo)試驗

以大慶蘇打型鹽漬土為試驗對象，依據(jù)《土工試驗規(guī)程》（SL 237—1999）測量土樣天然含水量、含鹽量及pH，并進(jìn)行顆粒級配分析、擊實試驗和液塑限聯(lián)合測定等試驗，得到土樣基本理化性質(zhì)參數(shù)和陽離子成分，見表1和表2。

由表2可見，研究區(qū)試樣的Na+含量較高，由于鈉離子水膜較厚且分散性強(qiáng)，在水分充足的條件下，鈉離子遇到補(bǔ)充的水分發(fā)生崩解變形。

1.2 凍融循環(huán)試驗

試驗所用土工凍脹試驗箱（XT 5405 FSC型），可完成凍結(jié)過程中封閉不補(bǔ)水及開敞補(bǔ)水條件下的凍脹融沉試驗。試驗箱分為3部分：凍脹融沉循環(huán)試驗裝置、凍融循環(huán)試驗箱、數(shù)據(jù)采集和量測裝置。

試驗筒由有機(jī)玻璃制成，高180 mm，外徑120 mm，內(nèi)徑100 mm，在試驗筒的一側(cè)設(shè)置有8個溫度傳感器，用來量測凍融循環(huán)過程中試樣不同高度處的溫度。頂板中間是凹陷的錐槽，用來放置位移傳感器，量測凍融試驗過程中試樣變形量。底板補(bǔ)水孔與箱體后側(cè)的馬氏補(bǔ)水瓶相連，用于模擬補(bǔ)水條件下的試驗。

1.2.1 試驗方案

為明確不同壓實度對鹽漬土受凍融循環(huán)影響后變化的過程和規(guī)律，以壓實度為試驗變量進(jìn)行試驗。分別將初始壓實度為85%、90%、95%，含水率采用最優(yōu)含水率14%，含鹽量為原始含鹽量（0.4%）的試樣放入凍脹箱，

試樣高12.6 cm，直徑10 cm，從試驗筒底部豎直向上每隔15 mm安插一個溫度傳感器，序號為1-8（由于6號傳感器損壞，將位置空出）。試樣頂端安插一個位移傳感器，用于監(jiān)測試樣體積的變化。為使試樣由室溫降至低溫狀態(tài)，準(zhǔn)備進(jìn)入凍結(jié)，在進(jìn)入正式凍融循環(huán)之前，將頂板、底箱體均設(shè)定為1 ℃，恒溫保持6 h。凍結(jié)過程中頂板溫度設(shè)置為-15 ℃，底板為1 ℃;融沉過程中頂板溫度設(shè)置為15 ℃，底板為1 ℃。凍融時間均為12 h，重復(fù)循環(huán)3次。

1.2.2 試樣制備

試驗在最優(yōu)含水率的條件下，分別制備壓實度為85%、90%、95%的試樣。參照《土工試驗規(guī)程》（SL 237—1999）及《凍土試驗指導(dǎo)》的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制備，具體步驟如下。

（1）按土工試驗要求，將試驗所用的鹽漬土烘干，碾碎，過粒徑2 mm的顆粒篩，按最優(yōu)含水率14%加入去離子水配置試樣，用保鮮膜密封放置24 h，使土中水分均勻。

（2）試樣按85%、90%、95%的壓實度分別計算所需土量，利用擊實筒將土樣分3次擊實。制成內(nèi)徑10 cm、高12.6 cm的試樣。用推土器將土樣脫模。

（3）將脫模的土樣放入內(nèi)壁涂抹一層凡士林的有機(jī)玻璃內(nèi)，上下各墊一張濾紙，然后放上頂板，并稍加力按壓使土與頂板、底板緊密接觸。從上至下依次插入熱敏電阻溫度計及位移傳感器，周圍包泡沫塑料保溫。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度-時間關(guān)系曲線

通過在土體不同高度上的溫度傳感器可以得到土體的內(nèi)部溫度場分布隨時間的變化情況，如圖1—圖3所示。圖1—圖3分別是壓實度為85%、90%、95%的試樣在封閉不補(bǔ)水條件下不同高度經(jīng)過3次凍融循環(huán)其內(nèi)部溫度的變化情況。

從圖1—圖3中可看出，恒溫階段溫度規(guī)律為從上至下依次降低，但在凍結(jié)的過程中可清晰看出在7號孔處溫度較高，與3、4、5號孔處圖像出現(xiàn)交叉。推斷其溫度升高的原因，可能與水分和鹽分遷移以及凍結(jié)鋒面的存在有關(guān)。在單向溫度梯度凍結(jié)作用下，鹽分會隨著水分從溫度高的底端向溫度低的頂端上移[28-29]，水分與鹽分在凍結(jié)時均有釋放熱量的反應(yīng)，造成凍結(jié)鋒面附近的溫度升高。通過對比不同壓實度條件下以及每次凍融循環(huán)時土體內(nèi)部溫度的變化，均是7號孔位置出現(xiàn)異常，由此可推斷凍結(jié)鋒面一般出現(xiàn)在距頂板1/3處，但溫度升高的程度和出現(xiàn)時間與壓實度有關(guān)，也與凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān)。

2.2 位移-時間關(guān)系曲線

通過位移傳感器檢測到試樣豎向位移隨時間的變化，曲線下行為凍（鹽）脹，上行為溶陷，位移變化如圖4—圖6所示。

圖4為壓實度為85%條件下，在凍融前經(jīng)歷6 h、1 ℃的恒溫過程，在這段時間內(nèi)試樣體積增大，由于沒有達(dá)到水的冰點，所以體積變化是由鹽結(jié)晶導(dǎo)致的鹽脹現(xiàn)象。在3次凍結(jié)過程中均出現(xiàn)負(fù)位移（即試樣出現(xiàn)凍脹），縱向位移均在0.21 mm左右。隨著循環(huán)系數(shù)的增加，升溫階段體積變化呈逐次減小的趨勢，最終高于原始高度0.05 mm。溫度升高后土體并沒有恢復(fù)到原始狀態(tài)，推測其原因：一方面是土體內(nèi)的鹽結(jié)晶造成的鹽脹;另一方面由于土體相對比較松散，孔隙間的水及鹽結(jié)晶體積增大，雖未破壞土骨架的結(jié)構(gòu)，但造成了結(jié)構(gòu)不可逆的膨脹損傷，且隨著循環(huán)次數(shù)增加膨脹損傷也更明顯。

由圖5可見，在90%壓實度條件下，恒溫過程中也出現(xiàn)負(fù)位移，3次凍結(jié)過程的負(fù)位移也有逐次減小的趨勢。與85%壓實度條件下不同的是每次凍融循環(huán)結(jié)束均呈正位移，這說明試樣發(fā)生了融沉，3次凍融循環(huán)結(jié)束后約低于原始高度0.15 mm。這是由于90%壓實度下孔隙的大小達(dá)到了適合水分遷移的狀態(tài)，凍結(jié)階段在毛細(xì)力的作用下毛細(xì)水向上部遷移，加之鹽漬土特有的鹽脹特性，在凍脹和鹽脹的雙重作用下孔隙增大，破壞了土骨架的結(jié)構(gòu)，同時蘇打型鹽漬土中大量存在的鈉離子具有水膜較厚且分散性強(qiáng)的特性，水分溶解了部分以晶體形式存在的鹽，使鹽結(jié)晶破壞，產(chǎn)生崩解變形。在融化階段，失去了冰和鹽結(jié)晶支撐的土體在重力作用下發(fā)生塌陷，從而產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。

由圖6可見，95%壓實度條件下的圖像與85%的規(guī)律較為相似，凍結(jié)過程雖有凍（鹽）脹發(fā)生，但未破壞土骨架結(jié)構(gòu)，所以在升溫階段并未造成融陷。第1次凍結(jié)階段縱向位移約為0.28 mm，而第3次凍結(jié)階段縱向位移約增加0.15 mm，可見隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍（鹽）脹量呈減小的趨勢。在3次凍融循環(huán)結(jié)束后試樣高度僅高于原始高度0.02 mm，說明高壓實度下，土顆粒間孔隙極小，難以形成毛細(xì)水的遷移通道，阻礙了薄膜水和毛細(xì)水的遷移，對凍脹和鹽脹有抑制作用。

圖7為3組不同壓實度下位移-時間曲線的對比圖，通過對比不同壓實度下、1 ℃恒溫狀態(tài)下體積變化情況，壓實度為85%、90%、95%的試樣縱向位移增加量分別為0.11、0.13、0.16 mm?？梢妷簩嵍仍酱筘?fù)位移越大，由于并未到達(dá)水的冰點，體積變化與鹽結(jié)晶有關(guān)。壓實度高，單位體積內(nèi)鹽含量大，故鹽脹作用更明顯。3組試樣都表現(xiàn)出隨著循環(huán)次數(shù)增加，凍結(jié)階段縱向位移與初始狀態(tài)差值呈減小的趨勢，且前兩次差別更顯著，這說明第1次凍融循環(huán)對碳酸鹽漬土的變形影響最大。

2.3 封閉-開放體系對比試驗

地下水的大量補(bǔ)給使得土體中冷生構(gòu)造更容易形成且體積大，因此有無地下水補(bǔ)給對凍脹融沉影響很大。大慶地區(qū)地下水位較高，故應(yīng)考慮補(bǔ)水條件對凍融特性的影響。在原始含鹽量（0.483%）、壓實度90%、含水量14%的條件下進(jìn)行補(bǔ)水試驗，并與同條件下的封閉試驗做對比，結(jié)果如圖8—圖10所示。

圖8和圖9分別為為壓實度為90%時封閉、開放體系下不同高度處土樣3次凍融循環(huán)的溫度場變化圖，將由溫度界限和頂部直線圍成的面積定義為凍脹負(fù)溫面積。對比圖8和圖9可見，在補(bǔ)水試驗中，凍脹負(fù)溫面積比封閉體系下明顯增大。隨凍脹過程的進(jìn)行，凍脹負(fù)溫面積逐漸減小。由圖9可以看出在土樣高度5～8 cm處出現(xiàn)中間溫度低、四周溫度高的現(xiàn)象，推測其原因，應(yīng)該是土樣在此深度區(qū)間出現(xiàn)冰透鏡體。與周圍土樣的介質(zhì)不同，進(jìn)而導(dǎo)致了溫度異?，F(xiàn)象。

由圖10可見，每次凍結(jié)開始時，開放試驗初始階段出現(xiàn)了明顯溶陷，然后開始凍脹（曲線上行出現(xiàn)尖點然后下行），這與只發(fā)生了鹽脹和凍脹現(xiàn)象的封閉試驗有明顯差異。蘇打型鹽漬土中含有大量的碳酸鈉和碳酸氫鈉，由于鈉離子水膜較厚且分散性強(qiáng)，在水分充足的條件下，鈉離子遇到補(bǔ)充的水分發(fā)生崩解變形。當(dāng)溫度下降至足夠低時，試樣所含的鹽和水結(jié)晶使土體積有所增大。這說明補(bǔ)水對蘇打型鹽漬土的凍融變化影響顯著，在補(bǔ)水的情況下土的融沉問題會比凍脹問題更突出，在工程應(yīng)用中應(yīng)做好地下水的處理工作。

3 結(jié)論

本文通過基本理化試驗、凍脹-融沉試驗，對壓實度在凍融作用下對蘇打型鹽漬土的工程特性的影響規(guī)律進(jìn)行了試驗?zāi)M和理論分析，得到如下主要研究成果。

（1）壓實度對蘇打型鹽漬土的凍融特性有很大影響，恒溫階段，壓實度越高負(fù)位移越大。但壓實度為90%時孔隙的大小適合水分遷移的狀態(tài)，產(chǎn)生的融沉量較大。高壓實度能夠減弱毛細(xì)作用抑制凍脹和鹽脹。在實際工程中建議壓實度達(dá)到95%以上。

（2）單向凍結(jié)過程中試樣內(nèi)部會形成凍結(jié)鋒面，水和鹽的遷移及凍結(jié)放熱使鋒面附近的溫度升高，凍結(jié)都出現(xiàn)在距試樣頂端約1/3高度處。

（3）補(bǔ)水對蘇打型鹽漬土的凍融變化影響顯著，在有補(bǔ)水的情況下土的融沉問題會比凍脹問題更突出，在實際工程中應(yīng)做好地下水的處理過程。

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