凍融循環(huán)對(duì)季凍土分散性影響及明礬改性試驗(yàn)研究

苑曉青，陳冠甫，師智勇，張禹琦，趙宏生，郝艷凱，鐘文晴

（吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026）

0 引言

分散性土是一種在低含鹽量水或純水中幾乎全部能自行分散成顆粒的黏性土，在水的作用下，由于顆粒間的排斥力大于顆粒間的吸引力，使土顆粒間相互排斥從而導(dǎo)致顆粒在水中分散［1］。近年來(lái)，各國(guó)的科研人員都發(fā)現(xiàn)了分散性土抗沖蝕能力較低，是很多道路邊坡被沖蝕的重要原因，道路邊坡沖蝕后會(huì)導(dǎo)致路基喪失穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致道路坍塌，所以需要對(duì)分散性土進(jìn)行深入研究。

吉林西部地區(qū)廣泛分布的季凍土具有較強(qiáng)的分散特性，在凍融循環(huán)作用下使用分散性土修筑的道路邊坡容易被沖蝕形成溝槽，溝槽不斷擴(kuò)大最終將導(dǎo)致道路邊坡的坍塌。因此亟需對(duì)東北地區(qū)季凍土的分散機(jī)理及其改性方法進(jìn)行試驗(yàn)研究，以便能夠?yàn)楹罄m(xù)的工程施工提供參考。

目前對(duì)分散性土的研究主要集中于三個(gè)方面：一是對(duì)不同區(qū)域土分散性的鑒別與判定；二是對(duì)鑒定土分散性不同試驗(yàn)的方法過(guò)程和鑒定標(biāo)準(zhǔn)的探究；三是對(duì)土分散性機(jī)理的初步討論與研究。但自然外力對(duì)土分散性的影響探討較少，探究國(guó)內(nèi)與國(guó)外的分散土地區(qū)，某些地區(qū)處于季節(jié)性?xún)鼋Y(jié)與融化區(qū)，比如中國(guó)東北地區(qū)，土體隨著溫度會(huì)產(chǎn)生凍融循環(huán)過(guò)程，此過(guò)程一定會(huì)對(duì)土的分散性產(chǎn)生某些重要影響［2］。

因此，本文以吉林省西部的乾安地區(qū)季凍土作為研究對(duì)象，首先測(cè)定土樣的基本物理化學(xué)性質(zhì)和分散特性，并通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)確定土樣的含水率，設(shè)置不同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗(yàn)，通過(guò)賦予雙比重計(jì)試驗(yàn)、交換性鈉百分比試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)［3］測(cè)試結(jié)果不同的權(quán)重比，綜合鑒定土樣的分散性，并根據(jù)綜合鑒定結(jié)果研究乾安地區(qū)季凍土分散性隨凍融次數(shù)增加發(fā)生的變化，最終總結(jié)其變化規(guī)律。對(duì)季凍土分散性的改善是東北地區(qū)工程地質(zhì)的難點(diǎn)問(wèn)題，傳統(tǒng)改善土分散性的方法是利用石灰［4］對(duì)土的分散性進(jìn)行改善，該方法成本高、破壞環(huán)境，所以亟需探索新的處理材料與技術(shù)。目前研究認(rèn)為分散土分散的原因主要有：（1）土樣中含有一定量的蒙脫石［5］；（2）孔隙水溶液中鈉離子占主體；（3）pH 較高［6-8］。研究表明，鋁的氧化物及其氫氧化物的水合物［9-10］被證實(shí)與土樣有很好的膠結(jié)、團(tuán)聚作用。使用鋁化合物交聯(lián)后，不但改變了蒙脫石的界面活性，也減少了分散性，提高礦物顆粒的膠結(jié)作用和土的酸度，降低了pH，對(duì)土壤的分散性具有很好的改善作用。與石灰改性分散性土相比，鋁化合物具有環(huán)境友好、施工方便、能夠?qū)崿F(xiàn)原位處理等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。因此，本文選用明礬作為改善季凍土分散性的材料，探究某一含量的明礬對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下季凍土分散性的改善效果，最終為乾安地區(qū)季凍土分散性的改善提供科學(xué)建議。

1 土樣基本性質(zhì)

取樣地點(diǎn)位于吉林省西北部的乾安地區(qū)，研究區(qū)地貌如圖1所示，該地區(qū)為西部治堿工程規(guī)劃區(qū)，表層土體呈灰白色，土體鹽堿化程度較高，對(duì)土樣分別進(jìn)行物質(zhì)組成和基本物理化學(xué)試驗(yàn)［9］，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1～3。

圖1 研究區(qū)地貌Fig.1 Geomorphologicalmap of the study area

由表1～3得，該地區(qū)表層呈灰色，屬于粉質(zhì)黏土，易溶鹽中Na＋含量較高。根據(jù)塑性土分類(lèi)，該土屬于低液限黏土。土樣中K＋離子含量偏低，Na＋離子含量相對(duì)較高。土樣中石英含量最高，其次為鈉長(zhǎng)石。

表1 土樣物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of soil samples

2 土樣分散性質(zhì)鑒定試驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)土樣分別進(jìn)行碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)和交換性鈉百分比試驗(yàn)。針孔試驗(yàn)是通過(guò)模擬不同水位對(duì)試驗(yàn)土樣的沖蝕，測(cè)定最終流量、水色與孔徑，以此鑒定土樣的分散性。雙比重計(jì)試驗(yàn)是通過(guò)加入分散劑求得前后黏粒含量之比，從而鑒定土樣的分散性，判斷標(biāo)準(zhǔn)：＜30時(shí)，土樣非分散；＞50時(shí)，土樣分散；30～50時(shí)，土樣為過(guò)渡性。交換性鈉百分比試驗(yàn)是通過(guò)測(cè)定交換性鈉百分比的含量從而定性判定土樣分散性，判斷標(biāo)準(zhǔn)：＜7時(shí)，土樣為非分散性；7～15時(shí)，土樣為中等分散性；≥15時(shí)，土樣為高分散性。

表2 土樣化學(xué)性質(zhì)Tab.2 Chemical properties of soil samples

表3 土樣的礦物成分與含量Tab.3 Mineral components and content of soil samples %

表4 4種試驗(yàn)鑒定結(jié)果Tab.4 Appraisal results of four kinds of tests

綜合以上4種分散性鑒定試驗(yàn)的結(jié)果，可認(rèn)為該研究區(qū)深度20 cm的土樣屬于分散性土。

3 凍融循環(huán)條件室內(nèi)模擬試驗(yàn)

根據(jù)土樣的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，選擇對(duì)最優(yōu)含水率17.2%、壓實(shí)度95%、不含明礬的土樣進(jìn)行1，3，5，7，9，10，15，20次凍融循環(huán)試驗(yàn)［10］，凍融試驗(yàn)采用自制的凍融機(jī)器在－20℃凍12 h、在常溫下融12 h為一個(gè)循環(huán)，之后采用交換性鈉百分比試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)和碎塊試驗(yàn)對(duì)不同凍融次數(shù)的土樣進(jìn)行分散性測(cè)定。

由以上4種分散性鑒定試驗(yàn)的鑒定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這4種試驗(yàn)的鑒定結(jié)果具有離散性的主要原因?yàn)椋阂皇丘ね练稚⑿允艿降挠绊懸蛩乇容^多且較復(fù)雜，并且各因素相互作用；二是采用的4種試驗(yàn)鑒定標(biāo)準(zhǔn)是以往大量實(shí)踐資料統(tǒng)計(jì)分析得來(lái)的。參考巨娟麗等的研究［11］，本文將分散性的等級(jí)分為4類(lèi)，即非分散性土、過(guò)渡性土、分散性土和高分散性土，采用評(píng)分制，滿(mǎn)分為10分，每一等級(jí)的分?jǐn)?shù)為2.5分。同時(shí)對(duì)收集的39組土樣分散鑒別結(jié)果進(jìn)行整理分析，如果有一種分散性試驗(yàn)的鑒定結(jié)果與最終采用的鑒定結(jié)果一致，記為這個(gè)試驗(yàn)的1個(gè)土樣；如果鑒定為過(guò)渡性土樣，而最終的鑒定結(jié)果為非分散性和分散性時(shí)，記為這個(gè)試驗(yàn)的0.5個(gè)土樣。一個(gè)分散性試驗(yàn)的鑒定結(jié)果和最終結(jié)果的一致個(gè)數(shù)與本次總的土樣數(shù)比值稱(chēng)為這個(gè)試驗(yàn)的配合度。得到4種試驗(yàn)的配合度后，對(duì)配合度進(jìn)行統(tǒng)一歸一化處理，可得到每種試驗(yàn)所占的權(quán)重。所占權(quán)重越大，則該試驗(yàn)方法的參考價(jià)值越高，所得計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 4種試驗(yàn)的配合度與權(quán)重Tab.5 Degree of adaptability and weight of four kinds of experiments

由表5可知，針孔試驗(yàn)的權(quán)重最大，為32%，所以針孔試驗(yàn)的鑒定結(jié)果最具有參考性；其次是碎塊試驗(yàn)，為30%，該試驗(yàn)與針孔相差不大也極具有參考性；其余2種試驗(yàn)比重較低，可作為前兩者的補(bǔ)充判別。本次采用的綜合鑒定標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)4種試驗(yàn)權(quán)重得分＞7.5時(shí)，樣品為高分散性土；若4種試驗(yàn)權(quán)重得分＞5時(shí)，樣品為分散性土；若4種試驗(yàn)權(quán)重得分＞2.5時(shí)，樣品為過(guò)渡性土；按前期對(duì)土體分散性綜合鑒定方法對(duì)土體分散性等級(jí)鑒定，不同凍融次數(shù)后土樣分散性最終鑒定結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 樣品分散性最終鑒定結(jié)果Tab.6 Final appraisal results of samp le dispersibility

由表6可知，凍融次數(shù)7次前不同試驗(yàn)方式判斷的土樣分散性結(jié)果不同，證明現(xiàn)有分散性土的判定方法與判定標(biāo)準(zhǔn)仍需改進(jìn)。7次后4種試驗(yàn)測(cè)得土樣均為高度分散性土，表明經(jīng)過(guò)7次凍融循環(huán)后土樣已經(jīng)具有非常高的分散性。交換性鈉百分比試驗(yàn)的鑒定結(jié)果與最終土樣的分散性鑒定結(jié)果高度一致，說(shuō)明影響土的分散性重要因素之一是交換性Na＋含量。土樣的綜合評(píng)分隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而增加，說(shuō)明凍融次數(shù)越多，土樣的分散性就越強(qiáng)。其原因可能為水在凍結(jié)過(guò)程中發(fā)生體積膨脹，使土顆粒間距離增大，土的結(jié)構(gòu)連接減弱，使土體的分散性增強(qiáng)。

圖2～3表示不同凍融循環(huán)次數(shù)下針孔試驗(yàn)和碎塊試驗(yàn)的照片，圖中數(shù)字為土樣經(jīng)受凍融循環(huán)的次數(shù)，水表示土樣未加入明礬。根據(jù)表7，2種試驗(yàn)對(duì)土樣分散性的判定具有離散性，不能只通過(guò)一種試驗(yàn)確定土樣的分散性，需要綜合判定。凍融5次后2種試驗(yàn)對(duì)土樣的分散性判定開(kāi)始一致，說(shuō)明此時(shí)土樣已有較高的分散性。2種試驗(yàn)的照片及數(shù)據(jù)都表明土樣的分散性隨著凍融循環(huán)的次數(shù)增加而增加。

表7 樣品針孔試驗(yàn)和碎塊試驗(yàn)凍融鑒定結(jié)果Tab.7 Pinhole test and debris results of soil samples after freeze-thaw process

圖2 不同凍融次數(shù)后土樣針孔試驗(yàn)Fig.2 Pinhole test of soil samples after freeze-thaw proce

圖3 不同凍融次數(shù)后土樣碎塊試驗(yàn)Fig.3 Debris test of soil samples after different freeze-thaw process

4 土樣分散性改性試驗(yàn)

分散性土?xí)斐傻虊?、渠道邊坡、道路邊坡被沖蝕和管涌破壞，所以要對(duì)分散性土進(jìn)行改性研究，目前人們主要采用明礬和石灰對(duì)分散性土進(jìn)行改性［12-13］，A l3＋置換Na＋后擴(kuò)散層厚度減小，土顆粒之間的吸引力增大，土體的分散性降低。選定3.0%，2.5%，2.0%，1.5%，1.0%的明礬對(duì)土樣進(jìn)行改性試驗(yàn)，針孔試驗(yàn)所占權(quán)重最高，用針孔試驗(yàn)的結(jié)果定性分析土樣分散性的改善結(jié)果，以確定進(jìn)行分散性改性試驗(yàn)研究的明礬含量。

根據(jù)針孔試驗(yàn)和碎塊試驗(yàn)結(jié)果（圖4），發(fā)現(xiàn)明礬含量達(dá)到2.5%時(shí)，土樣的分散性已經(jīng)有了明顯改善，綜合各方面因素本文選擇對(duì)含水率17.2%、壓實(shí)度95%、含2.5%明礬的土樣進(jìn)行1，3，5，7，9，10，15，20次凍融循環(huán)試驗(yàn)。為了直觀(guān)觀(guān)察明礬的改善效果，采用量化的雙比重試驗(yàn)、交換性鈉百分比試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果作為主要的對(duì)比參數(shù)，并輔以碎塊試驗(yàn)，探究明礬對(duì)不同凍融次數(shù)下季凍土分散性的改善結(jié)果，見(jiàn)圖5。

圖4 不同明礬含量的土樣針孔試驗(yàn)和碎塊試驗(yàn)Fig.4 Debris test and pinhole test of soi samples with different alum content

圖5 不同凍融次數(shù)后土樣分散性指標(biāo)變化曲線(xiàn)Fig.5 Dispersibility indexes curves of soi samples after different freeze-thaw process

未加明礬土樣經(jīng)過(guò)不同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗(yàn)后其雙比重試驗(yàn)的數(shù)值為64.37%～81.04%，交換性鈉百分比試驗(yàn)的數(shù)值為26.28%～33.33%。加入明礬后其數(shù)值區(qū)間變?yōu)?8.37%～30.02%、1.86%～3.37%。其中雙比重計(jì)試驗(yàn)平均降低數(shù)值為48.51%，大于交換性鈉百分比試驗(yàn)的平均降低數(shù)值21.79%，說(shuō)明加入明礬對(duì)雙比重試驗(yàn)數(shù)值的影響較大。但加入明礬使交換性鈉百分比數(shù)值降到一個(gè)較低的數(shù)值，且不同凍融次數(shù)之間最多相差1.51%，說(shuō)明明礬對(duì)不同凍融次數(shù)下土樣交換性鈉離子數(shù)值均有很好的降低作用。加入明礬后，交換性鈉百分比數(shù)值、雙比重計(jì)數(shù)值均降到分散性數(shù)值以下，碎塊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6，表8也表明土樣變?yōu)榉欠稚⑿酝粒捎谠囼?yàn)室設(shè)備所限，針孔試驗(yàn)的水位只能加到180 mm，所以選擇對(duì)凍融循環(huán)20次后的土樣進(jìn)行針孔試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)其也為非分散性土，見(jiàn)圖7。通過(guò)針孔試驗(yàn)定性認(rèn)為加入明礬的土樣再經(jīng)過(guò)20次凍融循環(huán)后依然為非分散性土，綜合4種分散性試驗(yàn)的判定結(jié)果，說(shuō)明2.5%的明礬對(duì)季凍土分散性有很好的改善效果。但兩者數(shù)值都隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，印證了凍融循環(huán)可以增強(qiáng)土樣的分散性。

圖6 不同凍融次數(shù)后土樣碎塊試驗(yàn)Fig.6 Debris test of soil samples after different freeze-thaw process

圖7 凍融20次后土樣針孔試驗(yàn)Fig.7 Pinhole test of soil samples after 20 freeze-thaws

表8 碎塊試驗(yàn)鑒定結(jié)果Tab.8 Debris test results of fragment test

5 結(jié)論

（1）由土樣物理和化學(xué)性質(zhì)以及所取土樣的4種分散性試驗(yàn)鑒定結(jié)果分析可知，研究地區(qū)的土樣分散性程度很高，并且為鹽漬土，Na＋含量較高。

（2）采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法，得出交換性鈉百分比試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)和針孔試驗(yàn)的權(quán)重分別為18%，20%，30%，32%，并且定量給出綜合4種試驗(yàn)的綜合性判定準(zhǔn)則。綜合判定認(rèn)為，季凍土的分散性隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而增加。

（3）對(duì)比分析不同凍融次數(shù)交換性鈉百分比試驗(yàn)的判定結(jié)果與綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者有著高度的一致性，說(shuō)明影響土的分散性重要因素之一是交換性Na＋含量。

（4）加入2.5%的明礬使不同凍融循環(huán)次數(shù)下的雙比重計(jì)試驗(yàn)數(shù)值和交換性鈉百分比試驗(yàn)數(shù)值分別平均降低48.51%和21.79%，并且對(duì)于不同凍融循環(huán)次數(shù)下的土樣使其交換性鈉百分比數(shù)值保持在1.86%～3.37%的低位，說(shuō)明此含量的明礬對(duì)不同凍融次數(shù)下土樣的分散性具有很好的改善作用，能夠有效減少交換性鈉離子的含量。