生石灰添加對(duì)北方粉質(zhì)鹽堿渠基土凍脹融沉改良研究

馮玉坤

（臥虎溝水利服務(wù)站，遼寧省朝陽市喀左縣 122300）

0 引言

在我國， 分布著較大面積的粉質(zhì)鹽堿土壤，由于該類土壤孔隙度較大且含有較多的易溶鹽，遇水之后容易溶解和散失，使土體內(nèi)部出現(xiàn)較多的孔隙，穩(wěn)定性大幅降低[1]。 而北方鹽堿區(qū)的渠道基土在凍融過程中更容易發(fā)生變形和破壞，導(dǎo)致滲漏、凍脹、沉陷等諸多難以根本解決的問題。 傳統(tǒng)工程多通過加厚和改良渠道襯砌結(jié)構(gòu)來控制鹽堿區(qū)渠道基土凍脹破壞，但由于沒有改變特殊的鹽堿環(huán)境，不僅成本投入較大且改造效果并不理想[2]。

生石灰渠基土改良是近年來寒區(qū)灌溉渠道施工中提出的一種控制凍融破壞的新施工工藝，可以實(shí)現(xiàn)就地取材， 還可以大幅提高襯砌結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性，具有重要的工程意義和價(jià)值[3]。 但工程理論和經(jīng)驗(yàn)并不完善。 同時(shí)，由于地域土性、試驗(yàn)工況及工程要求的差異性， 必須進(jìn)行精密的土工試驗(yàn)，才能獲取特定工程范圍內(nèi)施工參數(shù)，保證工程效果。

故此次研究在自行設(shè)計(jì)并加工凍脹融沉試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，選擇單因素凍融試驗(yàn)方法，精確設(shè)置了地不同梯度水平條件， 分別探討了7 種不同的生石灰摻量水平、4 個(gè)不同的冷端溫度水平，4種不同含水率水平條件下， 獲得各因素對(duì)生石灰改良粉質(zhì)粘土凍脹率和融沉系數(shù)的影響規(guī)律，分析探討生石灰改良粉質(zhì)鹽堿渠基土的最佳條件與效果。 提高農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施水平相對(duì)較低，改善水利基礎(chǔ)設(shè)施，優(yōu)化環(huán)境，降低生產(chǎn)成本。

2 試驗(yàn)與方法

2.1 試驗(yàn)方法

2.1.1 確定研究因素

根據(jù)生石灰改良粉質(zhì)鹽堿土的實(shí)際工程需求和試驗(yàn)設(shè)備要求[4]，研究選擇生石灰摻量、冷端溫度（指凍融循環(huán)試驗(yàn)過程中的最低溫度，）以及含水率 （此次研究中的含水率是指土中水的質(zhì)量與干土和摻入生石灰的總質(zhì)量的比值。 ）3 個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)探究，各因素的選取依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1） 生石灰摻量：對(duì)于生石灰添加改良粉質(zhì)鹽堿土而言，生石灰的摻量無疑是最關(guān)鍵的因素，對(duì)改良土的凍脹和融沉特征有著直接影響[5]。

（2） 冷端溫度：其大小決定了土體試樣內(nèi)溫度的梯度， 溫度梯度的大小又會(huì)直接影響土體的凍脹融沉速率。

（3） 含水率：含水率對(duì)于凍土特性的研究來說具有重要意義。 粉質(zhì)鹽堿土之所以會(huì)發(fā)生凍脹融沉現(xiàn)象，是因?yàn)槠鋬?nèi)部含有水分[6]。 但是，研究結(jié)果表明， 只有當(dāng)土體內(nèi)部的水分含量達(dá)到一定水平時(shí)， 土體的降溫凍結(jié)和升溫融化過程中才會(huì)發(fā)生凍脹融沉現(xiàn)象。 根據(jù)相關(guān)研究成果[7]，粉質(zhì)土發(fā)生凍脹的臨界含水率為19%左右，液限為36%左右。

2.1.2 方案設(shè)計(jì)

為了減少試驗(yàn)復(fù)雜性和試驗(yàn)數(shù)量， 研究中采取單因素試驗(yàn)的方式進(jìn)行。 也就是固定兩個(gè)參數(shù)值不變，對(duì)第3 個(gè)參數(shù)的影響展開試驗(yàn)研究。 每個(gè)試驗(yàn)方案試驗(yàn)3 個(gè)試樣。 以其試驗(yàn)結(jié)果均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。 如果某個(gè)試樣的試驗(yàn)結(jié)果偏差較大，超過了中間值的15%，應(yīng)該重做該組試驗(yàn)[8]。

方案1：保持初始含水率35%、冷端溫度-10℃兩個(gè)指標(biāo)不變， 對(duì)0%、4%、8%、12%、16%、20%、24%等7 種不同的生石灰摻量水平方案進(jìn)行試驗(yàn)，以獲取生石灰摻量對(duì)試樣凍脹融沉的影響；

方案2：保持生石灰摻量為12%、初始含水率為35%兩個(gè)因素水平不變，-10℃、-15℃、-20℃、-25℃等4 個(gè)不同的冷端溫度水平進(jìn)行試驗(yàn)；

方案3： 固定生石灰摻量12%、 冷端溫度為-10℃兩個(gè)因素不變， 對(duì)20%、25%、30%和35%等4種不同含水率水平進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1.3 測試方法

在試驗(yàn)開始之前， 首先采用分層壓樣法進(jìn)行試樣的制作， 制作過程中首先將試樣筒在導(dǎo)熱板上固定好，并在內(nèi)壁均勻涂抹一層凡士林[9]。 將制作好的生石灰改良土分五層裝入試樣筒， 并分層擊實(shí)，然后用保鮮膜將試樣筒包裹嚴(yán)實(shí)，在室溫條件下放置7 天進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)首先將在試樣上面放置一層濾紙，再放透水板，最后安裝好補(bǔ)水裝置、溫度傳感器、位移傳感器和保溫棉層， 并將各個(gè)傳感器接入數(shù)據(jù)采集器并調(diào)試。 在試樣安裝好之后，將試驗(yàn)臺(tái)箱體內(nèi)部的溫度調(diào)至1℃，并保持6h。 然后開始進(jìn)行凍脹試驗(yàn)， 試驗(yàn)中將溫度循環(huán)裝置的溫度調(diào)整為試驗(yàn)方案所設(shè)定的負(fù)溫， 每1min 采集一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 在試件高度變化量小于0.02mm 時(shí)停止試驗(yàn)。然后進(jìn)行融沉試驗(yàn)，將溫度調(diào)整為30℃，并記錄好試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在試樣的高度變化小于0.02mm 時(shí)停止試驗(yàn)。

2.3 儀器與設(shè)備

根據(jù)石灰改良土凍脹融沉試驗(yàn)的實(shí)際需求，參考了其他凍脹融沉試驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)， 自行設(shè)計(jì)并加工了3 套簡易的可以同時(shí)測量9 組試樣的凍脹融沉試驗(yàn)裝置。 試驗(yàn)系統(tǒng)主要由多功能物理模擬 試 驗(yàn) 平 臺(tái) （FQZH-015）、 恒 溫 循 環(huán) 裝 置（XT5718LT-R40）、導(dǎo)熱板、透水和補(bǔ)水裝置、試樣筒以及溫度和位移監(jiān)測裝置 （YWC-20 型應(yīng)變式位移傳感器）組成。

2.4 數(shù)據(jù)處理

在試驗(yàn)結(jié)束之后， 將收集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行試樣的凍脹率和融沉系數(shù)的計(jì)算， 凍脹率和融沉系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中：η 為試樣凍脹系數(shù)；α 為試樣融沉系數(shù)；Δh為試樣軸向變形量，mm；Δh0為試樣融化下沉量，mm；h0試樣初始高度，mm。

3 結(jié)果與討論

3.1 生石灰摻量

根據(jù)各生石灰摻量方案的試驗(yàn)結(jié)果， 計(jì)算出凍脹率和融沉系數(shù)，結(jié)果如表1 所示。 從具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，無論凍脹率還是融沉系數(shù)，均隨著生石灰摻量的增加而減小。 其中沒有摻入生石灰試樣的凍脹率為10.80%，屬于強(qiáng)凍脹土。當(dāng)生石灰摻量小于4%時(shí)，對(duì)凍脹率和融沉系數(shù)的降低作用較為有限。 以凍脹率為例，生石灰摻量4%試樣的凍脹率較未摻加生石灰試樣的凍脹率減小了約2.69%；當(dāng)生石灰摻量從4%增加到12%時(shí)，凍脹率和融沉系數(shù)的減小較為迅速，仍以凍脹率為例，生石灰摻量12%試樣的凍脹率較生石灰摻量4%試樣的凍脹率減小了約44.62%； 在摻量12%的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加生石灰摻量，其對(duì)凍脹率和融沉系數(shù)的減小作用又趨于減弱。 綜上，在粉質(zhì)鹽堿土中摻加生石灰可以降低土體的凍脹率和融沉系數(shù)，這對(duì)于減輕灌溉渠道冬季凍脹融沉破壞有利。 生石灰的摻量以12%為最佳， 不僅可以獲得良好的凍脹融沉控制效果，也可以有效控制施工成本。

表1 不同生石灰摻量凍脹融沉試驗(yàn)結(jié)果

研究中對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析， 并對(duì)凍脹率和融沉系數(shù)與生石灰摻量之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果如表2 所示。 試驗(yàn)結(jié)果和擬合關(guān)系曲線如圖1 所示。 由表2 和圖1 可以看出，同試驗(yàn)條件下的凍脹量要小于融沉量， 原因是試驗(yàn)本身的無外荷載的情況下進(jìn)行， 并在自重作用下產(chǎn)生融沉變形，因此試樣的融沉量要大于凍脹量[10]。此外，擬合結(jié)果對(duì)工程應(yīng)用和其他類似研究也具有一定的支持和借鑒作用。

表2 凍脹率和融沉系數(shù)與生石灰摻量擬合關(guān)系

圖1 不同生石灰摻量試驗(yàn)結(jié)果擬合曲線

3.2 冷端溫度

根據(jù)試驗(yàn)計(jì)算出凍脹率和融沉系數(shù)， 結(jié)果如表3 所示， 并繪制出凍脹率和融沉系數(shù)隨冷端溫度變化曲線（圖2 和圖3）。 從圖中可以看出，隨著冷端溫度的降低， 試樣的凍脹率和融沉系數(shù)均呈現(xiàn)出近似線性減小的變化特征。

表3 不同冷端溫度凍脹融沉試驗(yàn)結(jié)果

圖2 凍脹率隨冷端溫度變化曲線

圖3 融沉系數(shù)隨冷端溫度變化曲線

土體凍脹融沉產(chǎn)生的過程實(shí)質(zhì)上也就是土體內(nèi)溫度場發(fā)展的過程， 土體伴隨著溫度的降低產(chǎn)生凍脹，又隨著溫度的回升產(chǎn)生融沉。 土體內(nèi)部溫度場的變化是土體發(fā)生凍脹融沉變化的內(nèi)因，由于冷端溫度值會(huì)直接影響試樣內(nèi)部的溫度梯度特征，因此，也是改良土凍脹和融沉變化特征的重要影響因素。

由此可見， 較低的冷端溫度對(duì)控制生石灰固化粉質(zhì)鹽堿土的凍脹變形有利。 究其原因，在較低的冷端溫度條件下，土體凍結(jié)速度較快，土體中的水分來不及遷移即凍結(jié)成冰，因此凍脹發(fā)展停滯，凍脹率和融沉量較小[11]。

3.3 含水率

試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。 繪制凍脹率和融沉系數(shù)隨含水率變化曲線（圖4 和圖5）。 可以看出，在其他條件不變的情況下， 生石灰改良粉質(zhì)鹽堿土的凍脹率和融沉系數(shù)均隨著含水率的增大而增大，且呈現(xiàn)出近似線性變化關(guān)系。 究其原因，試樣土體的初始含水率越大， 則土體本身的飽和度也就越大，在凍結(jié)過程就會(huì)產(chǎn)生較多的孔隙冰，因此凍脹量相對(duì)較大[12]。

表4 不同含水率凍脹融沉試驗(yàn)結(jié)果

圖4 凍脹率隨含水率變化曲線

圖5 融沉系數(shù)隨含水率變化曲線

4 結(jié)語

此次研究通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式， 探討了生石灰改良粉質(zhì)鹽堿渠基土的相關(guān)參數(shù)變化對(duì)凍脹率和融沉系數(shù)的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

1）在粉質(zhì)鹽堿土中摻加生石灰可以降低土體的凍脹率和融沉系數(shù)，摻加量以12%為最佳。

2）較低的冷端溫度對(duì)控制生石灰固化粉質(zhì)鹽堿土的凍脹變形有利。

3）生石灰改良粉質(zhì)鹽堿土的凍脹率和融沉系數(shù)均隨著含水率的增大而增大， 較小的初始含水率對(duì)控制渠基土的凍脹變形更有利。 □