含泥量對(duì)砂類硫酸鹽漬土工程特性的影響分析

張莎莎, 張 超, 王旭超, 趙彥虎

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064)

粗粒土具有壓實(shí)性能好、透水性能強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度高、沉降變形小等優(yōu)良的工程特性[1]。由于西北地區(qū)的自然氣候條件和地質(zhì)因素使得當(dāng)?shù)赝馏w礦化程度較高,形成了大面積的鹽漬化砂土,鹽漬土的鹽脹和溶陷對(duì)路基填筑產(chǎn)生了不可忽視的影響[2]。而綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素和生態(tài)環(huán)保要求,高速鐵路或公路等構(gòu)筑物穿越粗粒鹽漬土地區(qū)時(shí),使用當(dāng)?shù)氐拇至｛}漬土作為路基填料成了首要選擇。因此,進(jìn)一步開展粗粒鹽漬土相關(guān)研究十分必要。

粗粒鹽漬土的鹽凍脹性質(zhì)受到顆粒級(jí)配、含鹽性質(zhì)[3]、溫度[4]、含鹽量、含水率和上覆荷載[5]等的影響,且影響因素之間存在一定的交互作用[6]。細(xì)粒土粒徑較小、比表面積大,對(duì)水的吸附能力強(qiáng),會(huì)降低土體的凍結(jié)溫度[7],但隨著含水率的增加,粒徑對(duì)凍結(jié)溫度的影響逐漸降低[8],同時(shí),凍結(jié)溫度還受孔隙溶液及孔隙結(jié)構(gòu)的影響,會(huì)隨著含鹽量的增加、孔隙半徑的減小而降低[9]。由于粗粒鹽漬土的孔隙率較大,與細(xì)粒土相比鹽凍脹敏感性較弱,但其鹽凍脹敏感性會(huì)隨細(xì)粒土摻量的增加而急劇增加,因此常將細(xì)粒土含量作為其鹽凍脹敏感性的分類指標(biāo)[10]。細(xì)粒土粒度越小、黏粒含量越多,土的強(qiáng)度越大[11-12],破壞孔隙結(jié)構(gòu)所需的結(jié)晶應(yīng)力也將隨之增大[13]。鹽漬土凍結(jié)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生鹽溶冰,強(qiáng)度將大幅提高,且溫度越低強(qiáng)度越高[14]。低圍壓下,凍結(jié)粗粒鹽漬土的剪切強(qiáng)度會(huì)隨圍壓的增加而增大,剪切強(qiáng)度隨圍壓的增大而減小,還會(huì)表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的延性行為[15-17]。凍結(jié)含鹽粉砂的抗剪強(qiáng)度和初始階段的彈性模量會(huì)隨著硫酸鈉含量的變化而變化[18]。

現(xiàn)有研究和規(guī)范中大多表明,粗粒土中細(xì)粒土含量越低,其鹽凍脹敏感性越低,然而細(xì)粒土含量不足卻會(huì)導(dǎo)致路基基床不易壓實(shí)[19],同時(shí),也有學(xué)者認(rèn)為含水率對(duì)鹽凍脹的影響要遠(yuǎn)大于細(xì)粒土含量[20]。為了探究含泥量對(duì)砂類硫酸鹽漬土鹽凍脹的影響以及結(jié)晶鹽相變帶來(lái)的力學(xué)性質(zhì)的差異,針對(duì)不同細(xì)粒土含量的砂類土,在1%和3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)含鹽量單向凍結(jié)鹽脹試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取了細(xì)粒土含量為5%、15%、30%和40%的砂樣進(jìn)行了常溫、低溫三軸試驗(yàn),得到了含泥量對(duì)砂類硫酸鹽漬土鹽凍脹和力學(xué)特性的影響規(guī)律,結(jié)合微觀試驗(yàn)結(jié)果分析了其影響機(jī)制,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果為路基填料的選擇提供了一些參考建議。

1 試驗(yàn)砂樣及基本工程特性

試驗(yàn)用土有砂土和黃土,砂土為西安灃河河沙,其主要礦物為石英和長(zhǎng)石;細(xì)粒土為西安長(zhǎng)安區(qū)的天然黃土,主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石和云母。對(duì)砂樣進(jìn)行清洗、烘干和篩分,除去無(wú)機(jī)鹽、腐殖質(zhì)等雜質(zhì)后裝袋備用,然后依據(jù)TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中A、B、C這3組填料配土并命名,細(xì)粒土含量分別設(shè)置為0、1%、3%、5%、10%、15%、30%、40%、50%,依次編號(hào)為T-0、T-1、T-3、T-5、T-10、T-15、T-30、T-40、T-50,具體的砂樣粒徑級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 砂樣粒徑級(jí)配曲線Figure 1 Grain size grading curve of sand

對(duì)不同級(jí)配的砂樣進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn),獲取其最佳含水率和最大干密度,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。隨著細(xì)粒土含量的增大,砂樣的最佳含水率先增大,然后持續(xù)大幅減小,當(dāng)細(xì)粒土含量大于30%后再次緩慢增大;隨著細(xì)粒土含量的增大,試驗(yàn)砂樣的最大干密度先顯著上升而后緩慢降低。

表1 試驗(yàn)砂樣壓實(shí)指標(biāo)Table 1 Test sand compaction index

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 室內(nèi)鹽脹試驗(yàn)

本試驗(yàn)為單向凍結(jié)室內(nèi)鹽脹試驗(yàn)。試驗(yàn)采用自制的低溫試驗(yàn)箱,箱體側(cè)面和頂面環(huán)繞有制冷管,制冷管與低溫恒溫槽連接,通過(guò)管內(nèi)液體循環(huán)實(shí)現(xiàn)溫度控制,溫度可調(diào)控范圍為35～-30 ℃,自制低溫試驗(yàn)箱示意圖如圖2所示。低溫試驗(yàn)箱內(nèi)安放盛裝砂樣的無(wú)蓋圓柱形鋼筒,鋼筒內(nèi)徑為150 mm,可盛裝砂樣高250 mm,能有效避免尺寸效應(yīng)的影響。當(dāng)鋼筒中填土高度達(dá)到125 mm時(shí)在截面中心埋入溫度傳感器,通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)砂樣內(nèi)部溫度。

圖2 自制低溫試驗(yàn)箱Figure 2 Self-made low temperature test chamber

試驗(yàn)選用T-0、T-1、T-3、T-5、T-10、T-15、T-30、T-40、T-50共9組級(jí)配砂樣,依據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》選取中鹽漬土(0.3%～2.0%含鹽量)和強(qiáng)鹽漬土(2.0%～5.0%含鹽量)含鹽范圍進(jìn)行試驗(yàn),每組級(jí)配分別配制含鹽量1%和3%兩個(gè)試樣,共18個(gè)試樣?？刂泼拷M砂樣的含水率為最佳含水率,悶料后分層壓實(shí),其壓實(shí)度為93%。有研究表明,硫酸鹽漬土的主要鹽脹溫度為13 ℃～-4 ℃[21]。因此將試驗(yàn)的降溫梯度設(shè)置為25 ℃→20 ℃→15 ℃→10 ℃→5 ℃→0 ℃→-5 ℃→-10 ℃→-15 ℃,降溫至每級(jí)溫度梯度后穩(wěn)定1 h,溫度降至-15 ℃后,恒溫保持8 h至變形穩(wěn)定。

2.2 常溫、低溫三軸試驗(yàn)

細(xì)粒土的摻入會(huì)對(duì)砂土的土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,此外,鹽脹過(guò)程中生成的鹽晶會(huì)對(duì)土體強(qiáng)度產(chǎn)生顯著的影響。為了探究細(xì)粒土含量對(duì)砂類硫酸鹽漬土力學(xué)特性的影響規(guī)律,選取了T-5、T-15、T-30和T-40級(jí)配砂樣開展了常溫、低溫三軸剪切試驗(yàn),具體的試驗(yàn)方案如表2所示。為避免尺寸效應(yīng)影響,試樣尺寸選擇50 mm(d)×100 mm(h)。參考MT/T 593—2011《人工凍土物理力學(xué)性能試驗(yàn)》等規(guī)范要求,低溫三軸剪切試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度取-10 ℃,剪切速率取1 mm/min,常溫三軸試驗(yàn)的剪切速率取0.012 mm/min。

表2 三軸試驗(yàn)方案Table 2 Triaxial test scheme

試驗(yàn)中首先將烘干后的各粒組按相應(yīng)的級(jí)配混合,按最優(yōu)含水率配制成試驗(yàn)砂樣,然后將配制好的砂樣在密封袋中悶料24 h后分3層壓制試樣。常溫三軸試樣需采用水頭飽和法進(jìn)行飽和,進(jìn)行低溫三軸試驗(yàn)的試樣成樣后直接進(jìn)行快速凍結(jié),然后裝入密封袋中在-10 ℃下恒溫養(yǎng)護(hù)24～48 h后用于試驗(yàn)加載。

3 鹽脹特性分析

3.1 溫度變化特征分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制不同含鹽量砂樣凍結(jié)過(guò)程的溫度時(shí)程曲線,如圖3所示。該單向凍結(jié)過(guò)程可分為4個(gè)階段：快速降溫段、過(guò)冷段、穩(wěn)定段和繼續(xù)下降段。 ①快速降溫段,隨著砂樣與外界環(huán)境的熱交換,砂樣溫度隨時(shí)間逐漸降低。 ②過(guò)冷段,水結(jié)冰分為成核和生長(zhǎng)兩個(gè)過(guò)程：水過(guò)冷時(shí)可以形成小冰核,當(dāng)某個(gè)小冰核偶然達(dá)到臨界尺寸,形成臨界冰核;然后臨界冰核會(huì)自發(fā)快速生長(zhǎng)致水成冰。冰水相變過(guò)程中伴隨著潛熱的釋放,試樣溫度開始逐步回升。 ③穩(wěn)定段,冰水相變放熱與砂樣向環(huán)境中散發(fā)的熱量形成動(dòng)態(tài)平衡,溫度維持在恒定狀態(tài)。 ④繼續(xù)下降段,當(dāng)砂樣中大部分的自由水結(jié)冰后,動(dòng)態(tài)平衡被打破,砂樣繼續(xù)向環(huán)境釋放熱量,溫度繼續(xù)降低。

由圖3可知,1%、3%含鹽量砂樣均存在著過(guò)冷段,但3%含鹽量砂樣的過(guò)冷度(過(guò)冷溫度與凍結(jié)溫度的差值)較小。這是由于含鹽量較高時(shí),前期降溫過(guò)程中生成了大量結(jié)晶鹽分布于土顆粒表面,使得土顆粒與冰晶的接觸角減小[22]。結(jié)合圖4可知,試驗(yàn)砂樣的凍結(jié)溫度在-0.7～-0.1 ℃之內(nèi),凍結(jié)溫度的變化總體上較小。這是由于所有砂樣計(jì)算孔隙溶液濃度均高于硫酸鹽溶液0 ℃時(shí)的飽和濃度,在0 ℃之上均會(huì)由于過(guò)飽和而產(chǎn)生鹽結(jié)晶,凍結(jié)時(shí)各砂樣孔隙溶液濃度接近該溫度下的飽和濃度,故本試驗(yàn)中凍結(jié)溫度受孔隙溶液初始濃度的影響較小。含鹽量較高時(shí),快速降溫段生成的鹽結(jié)晶量越多,結(jié)晶消耗的水分越多;同時(shí)細(xì)粒土含量較高時(shí),含水率較低且束縛水含量增多,含水率較低時(shí),砂類土的凍結(jié)溫度隨含水率的降低而降低[8],故3%含鹽量砂樣的凍結(jié)溫度變化相對(duì)1%的較大,且細(xì)粒土含量較高時(shí),凍結(jié)溫度相對(duì)較低。

圖3 溫度時(shí)程曲線Figure 3 Temperature-time history curve

圖4 各級(jí)配砂樣的凍結(jié)溫度Figure 4 Freezing temperature of sand samples at different gradation

據(jù)圖3可知,含鹽量相同時(shí),低細(xì)粒土含量(<30%)砂樣的穩(wěn)定段維持時(shí)長(zhǎng)明顯高于高細(xì)粒土砂樣。該差異與砂樣中自由水的含量密切相關(guān)：一方面細(xì)粒土含量高于30%后砂樣的試驗(yàn)含水率大幅降低;另一方面,細(xì)粒土較大的比表面積使得細(xì)粒土表面束縛水含量較高。細(xì)粒土含量相同時(shí),1%含鹽量砂樣的穩(wěn)定段維持時(shí)長(zhǎng)高于3%含鹽量砂樣。這可能是由于3%含鹽量砂樣在凍結(jié)溫度之上消耗了更多的自由水,冰水相變過(guò)程中砂樣中剩余的自由水含量相對(duì)較少。上述差異表明,細(xì)粒土含量和含鹽量可以通過(guò)影響不同階段土體內(nèi)部自由水相對(duì)含量來(lái)改變凍結(jié)過(guò)程中鹽凍脹的占比。

3.2 變形特征分析

圖5是不同含鹽量的不同級(jí)配砂樣的鹽凍脹率隨溫度的變化曲線。含鹽量為1%時(shí),高細(xì)粒土含量(≥30%)砂樣的起脹溫度為4～9 ℃,而低細(xì)粒土含量砂樣的起脹溫度在0 ℃附近;3%含鹽量砂樣的起脹溫度為20～23 ℃。對(duì)于1%含鹽量的砂樣,降溫至較低溫度時(shí)孔隙溶液濃度才能達(dá)到飽和,起脹溫度相對(duì)3%含鹽量砂樣較低。此外,由于細(xì)粒土填充了粗顆粒之間的孔隙,減少了吸收鹽脹變形的空間,使得高細(xì)粒土含量砂樣起脹溫度高于低細(xì)粒土含量砂樣。

圖5 鹽脹率隨溫度的變化曲線Figure 5 Curve of salt expansion rate with different temperature

根據(jù)起脹溫度和凍結(jié)溫度可以將砂樣的鹽凍脹過(guò)程劃分為以下4個(gè)階段：略微下陷段、逐步膨脹段、快速膨脹段和變形穩(wěn)定段。結(jié)合圖6可知,1%含鹽量砂樣在細(xì)粒土含量較低時(shí),變形以快速膨脹段的鹽凍脹為主,凍結(jié)溫度之上生成的鹽結(jié)晶被土骨架間的孔隙吸收,未能表現(xiàn)出宏觀的鹽脹;當(dāng)細(xì)粒土含量大于30%時(shí),大量的細(xì)粒土填充了土骨架間的大部分孔隙,使得砂樣在前期的凍結(jié)過(guò)程中表現(xiàn)出了相對(duì)顯著的鹽脹變形。對(duì)于3%含鹽量的砂樣,逐步膨脹段的鹽脹變形占了總變形的大部分,一方面是由于含鹽量較高,凍結(jié)溫度之上產(chǎn)生了較多的鹽結(jié)晶,另一方面是初期鹽脹快速發(fā)展消耗了過(guò)多的自由水,冰水相變過(guò)程中剩余的自由水有限;隨著細(xì)粒土含量的增大,逐步膨脹段變形占比總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

另外,由圖6可知,高細(xì)粒土砂樣的快速膨脹段變形占比較小,這與此時(shí)砂樣較低的含水率有顯著的關(guān)系;細(xì)粒土含量較高時(shí),1%含鹽量和3%含鹽量砂樣的總變形率差異較為顯著,主要是凍結(jié)溫度之上的鹽脹變形差異大。這是由于較多的細(xì)粒土填充了土骨架間大部分孔隙,使得不同含鹽量砂樣的鹽脹差異在宏觀上充分表現(xiàn)出來(lái)。

如圖7所示,隨著細(xì)粒土含量的增加,不同含鹽量砂樣的總變形均表現(xiàn)出先增大后減少再增大的趨勢(shì),與砂樣最優(yōu)含水率的變化規(guī)律基本一致。另外,細(xì)粒土含量從0上升至30%時(shí)屬于B組填料,細(xì)粒土含量在30%～50%時(shí)屬于C組填料。各級(jí)配砂樣變形率的離散程度較大,1%含鹽量時(shí),最大變形率為1.576%,最小變形率為0.292%,前者是后者的5.4倍;3%含鹽量時(shí),最大變形率為2.4%,最小變形率為1.0%,前者是后者的2.4倍。結(jié)合實(shí)際工程填料的選擇,選用B組砂類硫酸鹽漬土作為路基填料,當(dāng)含鹽量較高時(shí),應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制細(xì)粒土的摻量,細(xì)粒土的含量不宜超過(guò)5%,否則會(huì)產(chǎn)生較大的鹽凍脹變形;當(dāng)含鹽量較低時(shí),應(yīng)當(dāng)避免細(xì)粒土含量為5%～20%的級(jí)配,同時(shí)考慮到粗粒土中細(xì)粒含量越低越不易壓實(shí),為了獲得較好的壓實(shí)效果,可優(yōu)先選擇細(xì)粒土含量在30%附近的級(jí)配。含鹽量較高地區(qū),應(yīng)當(dāng)禁止使用細(xì)粒土含量大于30%的級(jí)配。本文試驗(yàn)結(jié)果僅對(duì)工程建設(shè)提供一定的參考和建議,實(shí)際工程建設(shè)中還需結(jié)合實(shí)際情況深入分析后選用。

3.3 微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征分析

為了解不同級(jí)配砂類土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征,選取T-15、T-40和T-50的試樣進(jìn)行了SEM試驗(yàn),利用掃描電鏡獲取的圖像來(lái)計(jì)算試樣的表觀孔隙率?；叶鹊腟EM圖像不能直接用于計(jì)算,需要利用Adobe Photoshop軟件對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理：對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)、除噪和二值化轉(zhuǎn)化為黑白圖像;孔隙和土顆粒分別用黑色和白色像素表示。砂樣的表觀孔隙率通過(guò)計(jì)算二值圖中黑色像素個(gè)數(shù)與總像素個(gè)數(shù)之比得到。

利用SEM圖像進(jìn)行表觀孔隙率計(jì)算時(shí),閾值選擇不當(dāng)可能會(huì)帶來(lái)較大的誤差,參考文獻(xiàn)[23],根據(jù)每個(gè)SEM圖像特點(diǎn)選取3個(gè)閾值(80～100)進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)Python編程實(shí)現(xiàn)表觀孔隙率計(jì)算,求3個(gè)閾值結(jié)果的平均值得到最終的表觀孔隙率如表3所示。結(jié)果表明,隨著細(xì)粒土含量的增多,土體中粗顆粒間的孔隙被大量填充導(dǎo)致表觀孔隙率降低,但當(dāng)細(xì)粒土含量增大到一定范圍時(shí),表觀孔隙率開始回升。

表3 表觀孔隙率計(jì)算表Table 3 Apparent porosity calculation table

4 力學(xué)特性分析

4.1 常溫下三軸試驗(yàn)結(jié)果分析

圖8為不同級(jí)配砂樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,據(jù)圖8可知,T-15試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為典型的應(yīng)變軟化型,曲線的發(fā)展趨勢(shì)大致可分為初始線彈性階段、非線性硬化階段和軟化階段;T-5和T-30試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變硬化型,曲線的發(fā)展趨勢(shì)可大致分為彈性變形階段、塑性屈服階段和塑性破壞階段。

圖8 不同級(jí)配砂樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 8 Stress-strain curves of sand samples with different gradation

根據(jù)圖8確定各砂樣的破壞應(yīng)力,然后繪制破壞應(yīng)力隨細(xì)粒土含量變化曲線,如圖9所示。在不同圍壓和含鹽量條件下,隨著細(xì)粒土摻量的增多破壞應(yīng)力均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),細(xì)粒土含量15%時(shí),砂樣的破壞應(yīng)力最大,另外,3%含鹽量砂樣的破壞應(yīng)力高于1%含鹽量的砂樣。砂類土的抗剪強(qiáng)度主要依賴于砂粒間的咬合摩擦,當(dāng)細(xì)粒土含量較低時(shí),細(xì)粒土通過(guò)填充顆粒間的孔隙使得砂顆粒間的咬合嵌固作用更強(qiáng),砂土的摩擦強(qiáng)度隨之增加;當(dāng)細(xì)粒土摻量超過(guò)界限值時(shí),大量細(xì)粒土分布在粗顆粒之間,起到潤(rùn)滑作用,使得砂樣的抗剪強(qiáng)度降低。

隨著圍壓的增大,土顆粒被擠壓得更加密實(shí),顆粒之間產(chǎn)生的摩擦力更大。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),隨著圍壓的增大,破壞應(yīng)力近似線性增長(zhǎng)。采用線性莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則求得各砂樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。由黏聚力和內(nèi)摩擦角的范圍可知,3種級(jí)配砂土的抗剪強(qiáng)度主要以顆粒間的摩擦為主,且隨著細(xì)粒含量的增加,內(nèi)摩擦角呈先增大后減小的趨勢(shì),細(xì)粒土含量15%砂樣的內(nèi)摩擦角最大。

圖9 各砂樣破壞應(yīng)力隨細(xì)粒土含量的變化Figure 9 Failure stress of each sand sample with the increase of fine-grained soil content

表4 砂樣的強(qiáng)度參數(shù)Table 4 Strength parameter of soil sample

4.2 凍結(jié)砂土的力學(xué)特性

圖10展示了凍結(jié)砂土的典型破壞形態(tài)。由圖10可見(jiàn)凍結(jié)砂土呈壓剪破壞,根據(jù)剪切帶的特點(diǎn)可分為以下3種典型破壞形態(tài)：①整體剪壞破壞,隨著軸向應(yīng)變的增加,試樣逐漸被壓縮并出現(xiàn)一定的鼓腰變形,同時(shí)伴隨著裂紋的發(fā)展;軸向應(yīng)變繼續(xù)發(fā)展,剪切帶大量裂紋開始貫通形成軸向貫穿的斜裂縫。②局部剪切破壞,在試樣局部出現(xiàn)一條較長(zhǎng)的斜裂紋帶,隨著斜裂紋的貫穿發(fā)生破壞。③鼓脹剪切破壞,試樣首先會(huì)出現(xiàn)鼓脹變形,隨著變形的發(fā)展,在鼓脹區(qū)域形成交錯(cuò)的斜裂紋將試樣分割破壞形成許多小區(qū)域。

圖10 凍結(jié)砂土的典型破壞形態(tài)Figure 10 Typical failure pattern of frozen sand

圖11為不同圍壓條件下凍結(jié)砂土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。與常溫條件下的試驗(yàn)結(jié)果相比,凍結(jié)后砂樣的強(qiáng)度有了數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)。這是由于在凍結(jié)過(guò)程中,隨著砂樣中鹽溶液相變?yōu)辂}溶冰,土體結(jié)構(gòu)由之前的“土骨架結(jié)構(gòu)”轉(zhuǎn)化為了“土-鹽-冰骨架結(jié)構(gòu)”,這種復(fù)合骨架結(jié)構(gòu)提高了砂樣的整體性,更有利于承受荷載。在本試驗(yàn)圍壓條件下,凍結(jié)后砂樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體上為應(yīng)變軟化型,軸向應(yīng)力在達(dá)到峰值后隨著應(yīng)變的增大快速降低,表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。這是因?yàn)橥令w粒間的鹽溶冰在荷載作用下破碎,隨后試樣內(nèi)裂縫快速發(fā)展導(dǎo)致土體強(qiáng)度迅速降低。隨著圍壓的增大,凍結(jié)砂樣的破壞應(yīng)力隨之增大。這是由于當(dāng)圍壓增大后,試樣變形受到的側(cè)向約束增大,土體中微裂隙的發(fā)展受到限制,整體性增強(qiáng),承受荷載能力得以提高。

圖11 不同圍壓條件下凍結(jié)砂土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 11 Stress-strain curves of frozen sand under different confining pressures

根據(jù)圖11應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定各砂樣的破壞應(yīng)力,繪制凍結(jié)砂土的破壞應(yīng)力隨細(xì)粒土含量的變化曲線,如圖12所示。凍結(jié)砂土的破壞應(yīng)力隨細(xì)粒土含量的變化趨勢(shì)與常溫下砂土破壞應(yīng)力的變化趨勢(shì)一致,均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。隨著細(xì)粒土含量的增加,細(xì)粒土填充了顆粒間的孔隙,密實(shí)度更大,在鹽溶冰的聯(lián)結(jié)作用下土體骨架結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定;但當(dāng)細(xì)粒土含量超過(guò)界限值時(shí),大量細(xì)粒土分布在砂粒之間,其抗剪強(qiáng)度會(huì)減小。

圖12 凍結(jié)砂土的破壞應(yīng)力隨細(xì)粒土含量的變化Figure 12 Failure stress of frozen sand with the increase of fine-grained soil content

圖13為細(xì)粒土含量5%砂樣的破壞應(yīng)力隨含鹽量的變化曲線。由圖13可知,隨著含鹽量的增加,砂樣的破壞應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢(shì),這種趨勢(shì)與相對(duì)溫度密切相關(guān)。相對(duì)溫度即試驗(yàn)溫度與凍結(jié)溫度的差值,在一定范圍內(nèi),隨著砂樣中含鹽量的增加,凍結(jié)溫度會(huì)降低,同一試驗(yàn)溫度下,含鹽量高的砂樣鹽溶冰強(qiáng)度相對(duì)較低,鹽溶冰對(duì)土顆粒之間的相互聯(lián)結(jié)作用較弱。因此,在含鹽量較低時(shí),隨著含鹽量的增大,砂樣的抗剪強(qiáng)度變低。由于飽和濃度的存在,含鹽量對(duì)凍結(jié)溫度影響存在一定的局限性,當(dāng)砂樣在凍結(jié)溫度以上達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)時(shí),硫酸鈉晶體會(huì)先于冰晶生成,溫度降低至凍結(jié)溫度時(shí),砂樣的含鹽濃度趨向于該溫度下的飽和濃度,砂樣的凍結(jié)溫度便穩(wěn)定在一定區(qū)間。3%含鹽量砂樣與1%含鹽量砂樣相比,凍結(jié)后硫酸鈉晶體的含量高,鹽晶與土顆粒的結(jié)合強(qiáng)度變高。因此,當(dāng)含鹽量超過(guò)一定范圍時(shí),含鹽量越高,凍結(jié)鹽漬土的抗剪強(qiáng)度越高。

圖13 T-5砂樣的破壞應(yīng)力隨含鹽量的變化Figure 13 Failure stress of T-5 sand sample with the increase of salt content

5 結(jié)論

本文通過(guò)控制細(xì)粒土含量和含鹽量,對(duì)砂類硫酸鹽漬土開展了單向凍結(jié)鹽脹試驗(yàn)和常溫、低溫條件下的三軸試驗(yàn),并結(jié)合微觀試驗(yàn)結(jié)果對(duì)其鹽脹和力學(xué)特性進(jìn)行了探討,得出了以下結(jié)論。

(1)本試驗(yàn)條件下,不同級(jí)配砂類硫酸鹽漬土的凍結(jié)溫度為-0.7～-0.1 ℃,當(dāng)砂樣孔隙溶液濃度在凍結(jié)溫度之上達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí),鹽結(jié)晶將先于冰晶生成,當(dāng)達(dá)到凍結(jié)溫度時(shí),孔隙溶液濃度將接近該溫度下的飽和濃度。

(2)細(xì)粒土含量和含鹽量對(duì)鹽凍脹發(fā)展趨勢(shì)有顯著影響。含鹽量1%時(shí),低細(xì)粒土砂樣的起脹溫度在0 ℃附近;由于細(xì)粒土對(duì)粗顆粒間孔隙的填充作用,高細(xì)粒土砂樣的起脹溫度高于低細(xì)粒土砂樣,其值為4～9 ℃。3%含鹽量的砂樣由于在較高溫度下便達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài),起脹溫度在20～23 ℃之內(nèi)。

(3)含鹽量和細(xì)粒土含量會(huì)影響砂樣中自由水相對(duì)含量和孔隙結(jié)構(gòu)特征,從而對(duì)鹽凍脹占比產(chǎn)生顯著影響。3%含鹽量砂樣的前期鹽脹變形占比遠(yuǎn)高于1%含鹽量砂樣;對(duì)于1%含鹽量砂樣,細(xì)粒土含量高于30%時(shí)鹽脹占比較大。

(4)隨著細(xì)粒土摻量的增加,砂類硫酸鹽漬土的抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。較低含量的細(xì)粒土能起到填充孔隙、增強(qiáng)摩擦的作用,而高于界限值后將起到潤(rùn)滑作用,本試驗(yàn)中細(xì)粒土含量在15%時(shí)砂樣的抗剪強(qiáng)度最大。

(5)凍結(jié)后砂樣由之前的“土骨架結(jié)構(gòu)”轉(zhuǎn)化為“土-鹽-冰骨架結(jié)構(gòu)”,抗剪強(qiáng)度大幅提高,并表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。此外,隨著含鹽量的增加,砂樣的破壞應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢(shì)。