溫度變化對高速公路鹽漬土地基變形的影響分析

唐先習， 王文遠*， 蒙富佳， 侯兆領(lǐng)

(1.蘭州理工大學土木工程學院， 蘭州 730050； 2.中交三公局第二工程有限公司， 北京 100102)

在公路工程建設(shè)過程中，地表以下1.0 m土層中平均可溶性鹽分含量大于0.3%的土，一般稱為鹽漬土[1]。西北地區(qū)是中國鹽漬土分布的主要區(qū)域，隨著西部大開發(fā)的逐步推進，鹽漬土對公路的建設(shè)運營造成了較大的影響。

目前，針對鹽漬土地區(qū)的高速公路出現(xiàn)的鹽(凍)脹、融陷等工程問題，大量學者對其進行了研究，其中對于路基部分：楊曉華等[2]依托工程項目，對鹽漬土路基進行現(xiàn)場監(jiān)測和室內(nèi)試驗，發(fā)現(xiàn)鹽漬土試樣在多次試驗周期后，最終表現(xiàn)出沉陷變形。張明亮等[3]以察格高速公路的路基為研究對象，研究發(fā)現(xiàn)水鹽遷移作用使路基性能的降低。張運海等[4]對羅布泊地區(qū)的鹽漬土進行鹽-凍脹試驗，發(fā)現(xiàn)土中氯離子和水分的遷移有共性。張莎莎等[5]通過單因素鹽脹試驗，基于正交試驗結(jié)果建立了鹽脹率簡化預(yù)測模型，得到了鹽脹敏感參數(shù)，為粗粒鹽漬土地區(qū)的路基工程的建設(shè)提供了技術(shù)理論參考。另外還有大量學者[6-10]為了改善鹽漬土作為路基所帶來的工程危害，在鹽漬土中加入一定比例的水泥、石灰、粉煤灰等能夠改變鹽漬土物理和力學性能的材料。徐爽等[11]為研究鹽漬土地基凍融過程中的水鹽遷移規(guī)律，對鹽漬土進行了單向凍結(jié)、雙向融化試驗。楊鵬等[12]對96組鹽漬土試樣進行研究，總結(jié)出對工程適用的粗顆粒硫酸鹽漬土地基鹽-凍脹界限深度表達式，為鹽漬土地基的設(shè)計以及量化評價提供參考依據(jù)。Geng等[13]利用地下水流模型研究地基中的水流遷移和鹽運移。可見，大量的研究基于鹽漬土路基，只有少數(shù)學者對鹽漬土地基特性進行研究。

現(xiàn)依托柳敦高速公路，對鹽漬土地基進行長期的溫度、水分監(jiān)測，為室內(nèi)試驗的方案設(shè)計提供了依據(jù)。對現(xiàn)場取回的地基土樣開展室內(nèi)凍融循環(huán)試驗，研究了土樣的溫度變化、水分遷移和變形特征，希望為柳敦高速公路及類似工程出現(xiàn)的病害等問題提供一定的技術(shù)參考和借鑒。

1 現(xiàn)場監(jiān)測

1.1 工程概況

G215線柳園至敦煌公路為鹽漬土地區(qū)的高速公路。由于氣候干燥，降雨量較少且日照時間長，使得地下水在毛細作用下在土體表層累積較多的鹽分，進一步使土層鹽漬化加重。該線是在舊公路的基礎(chǔ)上新建的公路工程，為防止鹽漬土凍脹對公路穩(wěn)定性的影響，新建公路對路基高度進行提升、材料換填，同時在填方路段設(shè)置了復(fù)合土工布隔斷層，挖方路段用非鹽砂礫回填，充分保障路床一定范圍內(nèi)處于干燥的狀態(tài)，阻斷毛細水的上升，減少鹽分、水分對路基穩(wěn)定性的影響。

1.2 試驗路段及監(jiān)測方案

為了研究鹽漬土公路地基土中溫、濕度的變化規(guī)律，并為室內(nèi)土樣凍融循環(huán)試驗提供設(shè)計依據(jù)，結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況，在柳敦高速公路選取K88+558～K88+758為試驗段，對地基溫度進行為期一年的監(jiān)測。

現(xiàn)場采用多層土壤參數(shù)監(jiān)測儀、RS-QXZ-M監(jiān)控主機以及監(jiān)控云平臺完成地基土的溫度測定。多層土壤參數(shù)監(jiān)測儀能夠動態(tài)觀測不同土層的土壤溫度狀態(tài)，傳感器的布置從地基頂面10 cm處開始埋入，分別距離頂面5、25、45、85、125 cm，共分5層，在整個研究路段取3個斷面，每個斷面布置3處，具體分布如圖1所示，儀器埋設(shè)如圖2所示。

圖1 監(jiān)測儀分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of monitor distribution

圖2 監(jiān)測儀及主機埋設(shè)Fig.2 Monitoring instrument and host embedding

1.3 監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)地基中各個測點的監(jiān)測結(jié)果，取某一測點數(shù)據(jù)并以其他位置監(jiān)測儀的測試數(shù)據(jù)作為對照，繪制地基土在一年中濕度和溫度隨時間變化的曲線如圖3和圖4所示。

從圖3中可以看出，該監(jiān)測區(qū)域在25～85 cm深度范圍內(nèi)的土體含水率較高，且不同土層之間有明顯的水分遷移現(xiàn)象，冬季各土層含水率較夏季有明顯的降低。從圖4可以看出，在一年的監(jiān)測時間內(nèi)，隨著地基深度增加，外界環(huán)境溫度對地溫的影響效果減弱，傳感器探頭埋置越深，溫度變化幅度越小，地層中的溫度在全年中變化平緩。其中，0～45 cm土層溫度變化幅度較為顯著，最低溫度為-6.8 ℃左右，最高溫度為28.88 ℃左右；10月初各層地溫較一致，溫度均值大約為22.06 ℃，自此之后溫度梯度發(fā)生改變；12月開始地基溫度進入負溫，距離地基表面85 cm以內(nèi)負溫持續(xù)時間較長，3月中旬之后溫度逐漸回升至正溫。

圖3 地基濕度隨時間變化曲線Fig.3 Variation curve of foundation humidity with time

圖4 地基溫度隨時間變化曲線Fig.4 Variation curve of foundation temperature change with time

可見，在全年的監(jiān)測過程中，該高速公路地基中的溫度、濕度有明顯的季節(jié)性變化，因此使鹽漬土地基產(chǎn)生凍脹和融沉，嚴重影響路面的平順性。

2 室內(nèi)試驗

2.1 試驗材料基本特性

室內(nèi)凍融循環(huán)試驗采用現(xiàn)場地基土料進行試樣制作，首先對取自試驗段的地基土(在地基表面1.2 m范圍內(nèi)自上而下取3份土，記為A、B、C)開展顆粒分析試驗、標準擊實試驗以及易溶鹽測定試驗，分別確定地基土的土樣類別、最佳含水率、最大干密度及鹽漬化程度，顆粒分析結(jié)果如表1所示，所測土樣易溶鹽含量如表2所示。顆粒分析結(jié)果可知，該土樣粒徑主要集中在0.01～1 mm，約占總量的88.81%，砂類含量最多，且多為細粒砂。本次擊實試驗得到各深度土樣的最大干密度平均值約1.69 g/cm3，對應(yīng)的最佳含水率為23.32%。

表1 土樣顆粒分析結(jié)果Table 1 Particle analysis results of soil samples

表2 鹽漬土試樣的易溶鹽含量Table 2 The content of soluble salt in saline soil samples

由上述可知，地基土為級配不良且含鹽細粒土質(zhì)砂，同時根據(jù)鹽漬化程度和含鹽性質(zhì)劃分，該地基土屬于氯鹽漬土。

2.2 試驗方案

根據(jù)當?shù)丨h(huán)境溫度和地基溫度監(jiān)測結(jié)果，本試驗為不補水凍融試驗。研究溫度變化過程中不同試樣在凍融循環(huán)過程中的變形規(guī)律，故設(shè)置凍融循環(huán)次數(shù)為5次，可滿足分析需要。試樣凍脹和融沉時間為24 h，降溫過程從21～-21 ℃，升溫過程從-21～21 ℃，溫度變化速率為3 ℃/h，以此來模擬自然環(huán)境條件。分布進行了不同含鹽量、壓實度、含水率試樣的凍融變形規(guī)律研究，其中含鹽量設(shè)置為0.71%、0.99%、2.26%；壓實度設(shè)置為85%、90%、95%；含水率設(shè)置為19.32%、21.32%、23.32%、25.32%、27.32%。試樣裝在自主設(shè)計的有機玻璃試筒中，試筒高17 cm，內(nèi)徑10 cm，外側(cè)及底部包裹保溫棉保證單向凍結(jié)。結(jié)合試樣尺寸對凍脹量范圍進行估計，選用精度為0.01 mm、量程為10 mm百分表對試樣進行變形監(jiān)測。

2.3 土樣制備及變形監(jiān)測

由于敦煌地區(qū)極端高溫達到30.0 ℃左右，極端低溫達到-15.0 ℃左右，本試驗中選用ST-225LBZ可程式恒溫恒濕試驗箱，可調(diào)溫度范圍為-40～150 ℃。在試驗箱內(nèi)進行土樣溫度和變形的監(jiān)測，如圖5所示，并在凍融結(jié)束后測定土樣不同深度的含水率變化。

圖5 土樣溫度及變形監(jiān)測Fig.5 Monitoring of soil sample temperature and deformation

3 試驗結(jié)果分析

3.1 溫度變化特征分析

在5個周期的溫度變化循環(huán)試驗中，土樣不同深度處溫度有周期性的變化，但與試驗溫度相比具有一定的滯后性，因為溫度傳遞過程中的能量耗散和傳遞需一定時間。選取測試土樣自下而上3、9、15 cm處溫度變化如圖6所示。

從圖6可以看出，土樣深度越淺溫度變化越大，其中，3 cm處溫度變化大致區(qū)間為-15.8～15.8 ℃，9 cm處溫度變化大致區(qū)間為-20.7～22.7 ℃，15 cm處溫度變化大致區(qū)間為-20.56～20.56 ℃，自下而上9～15 cm內(nèi)的土體溫度受外界環(huán)境影響稍大，土樣內(nèi)部溫度變化具有余弦變化規(guī)律。從土樣各層溫度的變化中可以看出，各層之間形成溫度梯度，在一個周期內(nèi)溫度梯度方向發(fā)生改變，且各層之間溫度梯度相差較小。

圖6 土樣各層溫度隨時間變化關(guān)系曲線Fig.6 The relationship curve of the temperature of each layer of the soil sample with time

3.2 水分遷移特征分析

如圖7所示，給出了不補水情況下不同含鹽量、壓實度、含水率土樣在凍融循環(huán)結(jié)束之后含水率在不同深度的分布情況。不同含鹽量、壓實度土樣初始含水率為23.32%，不同含水率土樣初始含水率分別為19.32%、21.32%、23.32%、25.32%、27.32%?？梢钥闯觯?次凍融循環(huán)之后，隨著溫度的不斷變化，含水率較初始含水率均出現(xiàn)了一定程度的降低，土樣上部水分損失較多。

從圖7(a)可以看到，含鹽量為0.71%土樣含水率最大降幅約為8.57%，含鹽量為0.99%土樣含水率最大降幅約為6.46%，含鹽量為2.26%土樣含水率最大降幅約為5.82%?？偟膩砜矗兹茺}濃度越小含水率降幅越大，這一方面是受鹽溶液濃度大小的影響，另一方面，水分從土樣下部向上遷移的速率受易溶鹽含量、毛細作用、水勢梯度的多重影響，使得水分擴散、損失程度不同。從圖7(b)可以看到，85%壓實度土樣含水率最大降幅約為7.94%，最小值約為1.37%；90%壓實度土樣最大降幅約為6.43%，最小值約為1.94%；95%壓實度土樣含水率最大降幅約為4.87%，最小值約為1.33%，土樣底部含水率和頂部含水率差值明顯。以上情況反映了壓實度大小對土樣各層水分遷移的影響，壓實度越大土體孔隙率越小，土體的飽和度容易降低，土體中的小孔隙占據(jù)主要部分，在小孔隙中強結(jié)合水居多。從圖7(c)中可以看到五種含水率土樣在凍融循環(huán)之后，土樣含水率在上而下逐漸降低，含水率在19.32%～23.32%時土樣各層水分損失較大，土樣上部損失量平均值約為4.13%，下部損失量平均值約為1.62%，而土樣初始含水率超過23.32%時，土樣上部含水率損失值減小，平均值約為2.95%。由此可見初始含水率較大的土樣，水分向上遷移速率均產(chǎn)生一定程度的降低。

圖7 不同土樣凍融后含水率剖面圖Fig.7 Moisture content profiles of different soil samples after freezing and thawing

3.3 變形特征分析

在五次凍融循環(huán)過程中，凍脹和融沉過程的溫度隨著時間發(fā)生變化，土樣的變形量也隨時間發(fā)生周期性的變化。

不同含鹽量土樣凍融變形如圖8所示，在第一個凍融周期中，不同含鹽量土樣隨著溫度的降低其變形量不斷增大，最大值達到1.46 mm左右，且溫度降至最低時變形速率最大，當溫度從-21 ℃開始回升時土樣變形量減小。從第三個周期開始，不同含鹽量土樣的變形累加量出現(xiàn)了明顯的變化趨勢，隨著含鹽量的增加土樣總變形累加量逐漸變小，累加融沉變形量大于凍脹變形量。

圖8 不同含鹽量土樣凍融變形曲線Fig.8 Freeze-thaw deformation curves of soil samples with different salt content

不同含鹽量土樣凍脹變形隨著易溶鹽含量的增加逐漸降低，融沉變化明顯，如表3所示。這是因為在同樣的溫度下鹽漬土的冰點受鹽分含量影響，易溶鹽含量越大土體內(nèi)部冰點越低，即土體中未凍水含量大于含冰量，從而易溶鹽含量越大土體的原位凍脹越小，故含鹽量為2.26%的土樣凍脹變形弱于融沉變形。

表3 不同含鹽量土樣凍脹率與融沉系數(shù)表Table 3 Frost heaving rate and thawing settlement coefficient of soil samples with different salt content

不同壓實度土樣凍融變形如圖9所示，在第一次凍融循環(huán)初期，95%壓實度土樣表現(xiàn)出較大的凍脹變形，各土樣融沉變形均較大，從第二次凍融循環(huán)開始各土樣凍脹變形隨著溫度的變化，壓實度越大土樣累加變形量越大，在第五次凍融循環(huán)中，95%壓實度土樣凍脹變形量約為1.723 mm，85%壓實度土樣凍脹變形量約為0.896 mm。

圖9 不同壓實度土樣凍融變形曲線Fig.9 Freeze-thaw deformation curves of soil samples with different compaction degrees

土樣總凍脹率隨壓實度的增加而增加，如表4所示，這是因為壓實度越大土體中小孔隙越多，土體的比表面積越大，土體與水分子的作用更加充分，故在凍結(jié)過程中壓實度較大土樣中含冰量較多，冰晶體造成土體的凍脹變形更加明顯。

表4 不同壓實度土樣凍脹率與融沉系數(shù)表Table 4 Frost heaving rate and thawing settlement coefficient of soil samples with different compactness

不同含水率土樣凍融變形如圖10所示，在不補水情況下，5次凍融循環(huán)過程使得含水率越小的土樣變形累加量越大，而含水率越大其變形累加量趨于平緩甚至有下沉趨勢。

圖10 不同初始含水率土樣凍融變形曲線Fig.10 Freeze-thaw deformation curves of soil samples with different initial moisture content

如表5所示，初始含水率為19.32%～21.32%的土樣總凍脹率在4.57%～7.70%，且融沉系數(shù)為負值，而初始含水率為25.32%的土樣總凍脹率為0.31%，融沉系數(shù)為正值。因為土樣在凍融過程中缺少水分補給，土體孔隙中水分減小使得土樣飽和度降低，而初始含水率較高的土樣飽和度始終較大，故凍脹和融沉變形明顯，而初始含水率小的土樣凍脹變形之后土體結(jié)構(gòu)的不完全恢復(fù)使其累加變形大幅度增加。

表5 不同含水率土樣凍脹率與融沉系數(shù)表Table 5 Table of frost heaving rate and thawing settlement coefficient of soil samples with different moisture content

4 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場地基溫、濕度監(jiān)測可知在25～85 cm深度范圍內(nèi)的土體含水率較高，且不同土層之間有明顯的水分遷移現(xiàn)象，深度為85 m內(nèi)的地基土屬于凍結(jié)敏感區(qū)。

(2)在凍融循環(huán)試驗中，土樣不同深度處溫度發(fā)生周期性變化，影響土層中的未凍水含量，進而影響土體水分遷移和凍脹融沉變形程度。

(3)鹽漬土的冰點受鹽分含量影響，易溶鹽含量越小土體內(nèi)部冰點越高，水分遷移速率較大，易溶鹽含量越小土體的原位凍脹越大，在反復(fù)凍融的作用下，含鹽量越小的土樣隨著凍融次數(shù)的增加累加變形量越大。壓實度大小影響著土體內(nèi)部的孔隙分布，壓實度越大的土樣在反復(fù)凍融作用下的凍脹變形大于融沉變形，總體上累加變形量與壓實度大小呈正相關(guān)。含水率越小的土樣在5次凍融循環(huán)后融沉變形弱于凍脹變形，土樣體積累加變形量與含水率大小呈負相關(guān)。