天然亞氯鹽漬土鹽脹累加機理研究

胡 浩

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院 烏魯木齊830000）

0 引言

新疆地區(qū)廣泛存在氯類鹽漬土，尤以羅布泊、艾丁湖等地區(qū)突出，其鹽漬化程度高，表層聚集性強，鹽漬化土發(fā)育明顯[1]。在此類地區(qū)及相似地區(qū)建設(shè)的工程，其工程建筑物在使用年限內(nèi)會經(jīng)歷反復的溫度變化。工程建筑物在使用過程中都要經(jīng)歷溫度的變化，那么鹽漬土隨溫度變化的問題就會對工程造成影響，如鹽脹就是公路地基變形破壞的主要原因[2]。為保證工程建筑物在使用期內(nèi)安全運行，深入探究了氯類鹽漬土在多次凍融循環(huán)下的鹽凍脹累加機理，為鹽漬土地區(qū)工程設(shè)計及施工提供重要的理論指導。

1 試驗方案及試樣基本參數(shù)

1.1 試驗方案及方法

1）試驗方案

為研究天然鹽漬土的鹽脹規(guī)律，試驗土樣采用羅布泊地區(qū)省道S235 沿線天然亞氯鹽漬土；利用凍融循環(huán)設(shè)備測定鹽凍脹量，擊實方法為輕型擊實法，控制擊實后鹽漬土的干密度為最大干密度的93%。試驗成型溫度為20℃室溫，共設(shè)7 個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期為48 h。

2）試驗方法

受塔里木盆地大環(huán)境的制約，羅布泊地區(qū)降水少，溫差大。羅中氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：歷史最高氣溫為48℃，歷史最低氣溫為-22℃，晝夜溫差最大可達38.2℃。試驗保持冷端階梯式持續(xù)降溫升溫，來模擬自然界季節(jié)交替變化中冬季降溫及來年春天升溫，采用室內(nèi)開放系統(tǒng)大尺寸模擬試驗，分析試樣在經(jīng)歷反復的溫度變化時的鹽脹量，以探究天然亞氯鹽漬土在多次凍融循環(huán)時的鹽脹累加規(guī)律及機理。

試驗步驟：將已密封養(yǎng)護24 h 的土樣在20℃條件下成型，分12 次裝入高60 cm、內(nèi)徑30 cm 的有機玻璃桶中，采用輕型擊實法單向擊實至所需干密度；采用凍融循環(huán)儀控制升降溫，考慮到羅布泊地區(qū)冬季極端的氣溫變化，現(xiàn)設(shè)定上部冷端溫度為-25℃，下部暖端始終控制在+5℃，見圖1 所示。

圖1 冷端升降溫示意圖

試驗裝置受塔里木盆地大環(huán)境的制約，羅布泊地區(qū)降水少，溫差大。上下制冷頭都可調(diào)設(shè)溫度（溫度區(qū)間-30℃～100℃），以實現(xiàn)溫度變化時土壤是從頂端向底端逐漸變化的過程；采用保溫材料包裹有機玻璃桶周圍隔離外界熱交換，模擬現(xiàn)場的一維溫度傳遞，使土樣可以縱向自由膨脹。在有機桶體周圍開孔安裝溫度測量裝置，由TES-1310 溫度儀監(jiān)測不同深度土層溫度，制冷頭上部安裝位移測量百分表，可直接顯示土體鹽凍脹變形量大?。辉谟袡C桶底部通過四通管連接外部補水裝置模擬地下補水，為使補充的鹽水濃度與地下水含鹽濃度相近，取當?shù)佧u水從低端自下而上補水。試驗裝置示意圖，見圖2。

圖2 試驗裝置示意圖

1.2 試驗土樣的基本性質(zhì)

按照《土工試驗規(guī)程》（SL237-1999）[3]，對試樣進行室內(nèi)試驗分析，測定基本參數(shù)，見表1、表2。

按照《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2009）中對鹽漬土的分類，本次試驗所選典型天然亞氯鹽漬土屬強鹽漬土。

表1 易溶鹽漬土試樣中各離子含量

表2 試樣基本參數(shù)

2 鹽脹累加試驗結(jié)果分析

通過凍融循環(huán)試驗得到亞氯鹽漬土鹽脹累加試驗數(shù)據(jù)，繪制成凍融時間-鹽脹量關(guān)系曲線[4、5]，見圖3。不同凍融周期最大鹽脹融沉量見表3。

由圖3 可知：

1）第1 次循環(huán)周期，由于土體的傳熱性較弱，土樣降溫初期速度較慢，鹽凍脹量的增長幅度不明顯；第2～5 次循環(huán)周期，頂端溫度緩慢降低到鹽凍脹增長活躍的溫度段時，鹽脹量急劇增大；溫度繼續(xù)升高時，鹽脹量開始下降，開始下降明顯，后期下降幅度不大；第6 次凍融循環(huán)后，鹽脹量增長速度逐漸降低，累加量開始減弱，整個周期僅增加了0.03 mm。其主要原因是：（1）因為凍融循環(huán)使得鹽漬土的土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，土體內(nèi)部變得疏松，孔隙率增大，且在自身重量的作用下產(chǎn)生沉降；（2）土體骨架支撐力降低吸收了部分鹽凍脹。但隨著凍融循環(huán)周期的繼續(xù)增加，累加鹽脹量也逐漸增加；在第7 次循環(huán)后累加鹽脹量達到8.03 mm，累加性較好。

表3 不同凍融周期最大鹽脹融沉量

2）土體體積在前兩個階段重復出現(xiàn)膨脹變形；在第三個階段土體的變形均不能完全恢復，即在每次循環(huán)后均有殘余變形。這主要是由于多次變形累積使得土體孔隙體積增大，減小了后一次循環(huán)變形增量，但每次循環(huán)變形起點高于前一次，最終累加鹽凍脹量會趨于穩(wěn)定。

圖3 亞氯鹽漬土的鹽凍脹累加過程線

3）在溫度持續(xù)降低時，土體內(nèi)鹽脹量不斷增加。隨升溫過程，溶解度加大，鹽脹量逐漸減小，但不能使土樣恢復為原狀。鹽脹量與凍融循環(huán)次數(shù)成正比關(guān)系，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，鹽脹量不斷累加。原因是：（1）第1 次降溫過程中，由于土體內(nèi)部土顆粒較緊密，加之制冷頭部位施加的荷載，在一定的程度上約束了鹽脹的增加。但當溫度升高時，晶體溶解于水，一部分土顆粒失去了土體骨架的相互支撐而產(chǎn)生回落，一部分土顆粒在各種作用力（如長程力、黏結(jié)力、內(nèi)摩阻力、短程力等）的相互作用下不發(fā)生回落，故總鹽脹量大于總回落量。（2）在第2 次循環(huán)降溫時，土體間距增大，顆粒之間發(fā)生錯動，土體沒有第1 次降溫時緊密，結(jié)晶體產(chǎn)生很大的膨脹力推動土顆粒鹽脹，所以第2 次降溫時的鹽脹量比第1 次增加了0.64 mm。第2 次升溫的回落機理與第1 次相似，但回落量呈增大趨勢，這也是由于土變疏松的原因。（3）第3～5 次凍融循環(huán)都遵循前兩次循環(huán)規(guī)律，土體變得更為疏松。（4）第6 次循環(huán)后，鹽脹量小于等于回落量，即土體鹽脹增加量不斷減小。這是土體表層結(jié)構(gòu)破壞和疏松產(chǎn)生的一些孔隙吸收了部分鹽脹量，最大鹽脹量逐漸趨于穩(wěn)定值。

3 結(jié)論

1）該試驗過程共分為3 個過程：（1）溫度降低初期鹽脹量增加較緩慢；（2）溫度持續(xù)降低至土中亞氯鹽凍脹活躍的溫度后，鹽脹量急劇增加；（3）溫度升高時鹽脹量先急劇下降后趨于穩(wěn)定。在7 次凍融周期中亞氯鹽漬土的凍脹性能隨溫度的降低逐漸增加；鹽凍脹累加量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，逐漸增大。

2）凍融循環(huán)過程中的鹽漬土變形主要為鹽脹引起的沉降變形，凍融循環(huán)使土體顆粒重新排列，土體變得疏松時孔隙間的間距增大，在重力的作用下失去支撐發(fā)生沉降。

3）在結(jié)晶時顆粒之間發(fā)生較大的錯動，產(chǎn)生土體體積膨脹變形。

4）亞氯鹽漬土易溶鹽含量的45.67%為SO42-、K++Na+，其凍脹性強，凍脹量大于融陷量，故亞氯鹽漬土的鹽脹性比融陷性明顯。