粗粒硫酸盐渍土冻融循环盐胀性研究

董晓明，谢永利，Aaron Daniel MWANZA，李天华

(1．长安大学 公路学院，陕西 西安710064;2． 长安大学 建工学院，陕西 西安710064)

0 引言

我国盐渍土分布于23 个省、市、自治区，覆盖了热带和寒温带、滨海和内陆、低地和高原地区，分布区域很广，其中，西北地区盐渍土约占全国盐渍土总面积的60%左右． 在公路工程中，规定盐渍土是指在地表以下1．0m 以内易溶盐平均含量大于或等于0．3%的土［1-2］． 盐胀是盐渍土地区公路路基破坏的元凶，盐渍土中硫酸盐随温度的变化对路基的变形和破坏程度有着重要影响，如果处理不当，将产生诸如由土体中的盐分造成的路基盐胀、溶陷、腐蚀等现象［3］，因此硫酸盐渍土的盐胀性一直都是公路工程中的主要病害之一．

在新疆奎屯-克拉玛依盐渍土地区，因盐渍土路基变形引起的路面破坏较为严重，笔者选用受盐胀变形破坏的该高速公路第六合同段为研究对象，取现场试样进行冻融循环室内模型试验，通过对含水率和温度不同情况的模拟，得出了在不同温度条件下，水分和各种离子的迁移，对盐渍土的盐胀特性影响很大，为粗粒硫酸盐渍土在路基填料等方面提供了科学依据和防治措施．

1 盐渍土盐胀特性

盐渍土的颗粒组成、颗粒形状及颗粒间的相互排列，盐渍土颗粒表面特性、颗粒之间的胶结状况及盐晶体结晶状态等共同构成了盐渍土体的基本结构，它是决定盐渍土地区路基工程安全最基本的因素［4］．硫酸盐渍土盐胀的形成是土体内硫酸钠结晶、迁移聚集和土体膨胀三过程的综合表现．造成土体膨胀的物质基础是硫酸钠结晶的迁移和聚集;促使盐水向上迁移和聚集的基本条件是毛细水上升、冻融循环和水份的蒸发．

大量试验表明，硫酸盐渍土在适宜的含水量和温度条件下能表现出盐胀特性，在降温过程中，硫酸钠结晶成含10 个结晶水芒硝，体积膨胀3．11倍．高江平等［5］将硫酸盐渍土的盐胀变形分为两个阶段:第一阶段表现为冷缩和盐胀;第二阶段表现为失水干缩． 陈肖柏等［6-7］许多专家对硫酸盐渍土进行了大量的研究，表明硫酸盐渍土在盐胀过程中，随着土体自上而下逐渐降温，首先负温区的毛细水、自由水先冻结，形成冰晶体，随后弱结合水也开始冻结，土柱周围水膜减薄，多余了表面能，增加了从水膜较厚处的颗粒吸收水分的能力，于是下层的温度较高土中的水分就向上移动，随着冻融循环次数的增加，最终盐胀增长速度逐渐降低，盐胀变形总量将不再继续增长［8］． 在公路建成中盐渍土的这种盐胀特性是主要的病害之一，其主要表现为:路面不均匀变形、鼓包、开裂及形成波浪等，如果含盐量比较大则形成一层松胀层，其结构比较差，遇雨水容易产生溶陷、滑塌和冲蚀现象．

2 试样基本特性

该试验采用新疆奎屯-克拉玛依高速公路第六合同段K92 +900 天然盐渍土作为研究对象，该工程用天然粗粒盐渍土作路基填料，依据JTG E40—2007《公路土工试验规程》和 GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》对天然粗粒盐渍土进行颗粒分析，得到的数据曲线如表1 和图1 所示．曲线1 可以得出:该粗粒硫酸盐渍土属于黏土质砾( GC) ．该盐渍土中化学成分含量［9］如表2 所示．

表1 粗颗粒试样筛分结果Tab．1 Grain size distribution of the test saline soil

图1 粒径分配曲线Fig．1 Distribution curve of particle size

依据表2，由JTG D30—2004《公路路基设计规范》［10］按含盐化学成分和盐渍化程度可判断该盐渍土属于弱硫酸盐渍土．

硫酸盐渍土的盐胀过程主要是由于土中硫酸钠结晶膨胀使土体膨胀，一方面随温度的降低，硫酸钠结晶析出附着于土颗粒表面，并同时趋向于填充土中孔隙，由于土颗粒与结晶体之间的相互作用不同表现出不同的盐胀过程; 另一方面由于土体中孔隙溶液及浓度的不同产生不同程度的结晶，从而表现出各异的盐胀过程［11］．

3 试验方法及方案

3．1 试验方法

(1) 依据《公路土工试验规程》［9］的要求，根据有机玻璃桶的大小，选用一定质量的试验土样配以所需要的含水量，拌和均匀后，在室温环境中闷料养生24 h 后进行使用．

(2) 在装试样前，将有机玻璃桶内壁涂一层凡士林，并覆盖塑料薄膜，为了减少土与内壁间的摩擦力．将养生后的土样按规定的击实密度分8层均匀击入高36 cm、内径11．5 cm 的有机玻璃桶中，将试样放入室温环境中养生24 h 以上备用．

(3) 将养生好的试样与HC -2010 低温恒温槽相连，分别控制土柱体的顶端和低端的温度．在土柱体的中轴线上每隔6 cm 插入温度传感器，以观察每层土的温度变化情况，并在上端安好百分表．为防止土柱体在冻融循环过程中与外界发生热交换，在有机玻璃桶周围包一层厚约20 cm 的保温材料，使土样在冻融循环过程中确保土柱体同一层面的温度一致．试验装置如图2 所示．

图2 试验装置示意图Fig．2 Sketch map of the test apparatus

3．2 试验方案

(1) 设备:由两台HC-2010 低温恒温槽及上下各2 个制冷头组成，分别控制土体顶端和底端的温度，用百分表测土柱的盐胀量，用8 只温度传感器测土体内各层的温度．

(2) 备样:选天然盐渍土，该试样的最大干密度［9］为2．19 g/cm3，最佳含水率为6． 1%，依据《公路土工技术标准》［12］取压实度为93%，共配成5 种不同含水率的土样，含水率分别为3．1%、4．0%、6．1%、8．0%、10．0%．

(3) 冻融循环: 开启低温恒温槽，逐次降温，12 h 后调温度使土样逐次升温，即24 h 为一个周期循环，由于考虑到该地区的气候条件，本试验的循环周期为5 次． 在冻融过程中每隔一定时间记录一次百分表读数，并观察温度传感器的温度．对每种土样模拟3 个不同的温度区间，依次为:15 ～5 ℃、5 ～0 ℃、0 ～-10 ℃，实现土体自上而下降温，土柱温度上低下高，形成温度梯度，在降温期间负温区土中毛细水、自由水先冻结，形成冰晶体．

4 试验结果与分析

对粗粒硫酸盐渍土进行多次冻融循环后的盐胀结果见表3．从表中可看出:在同一含水量的变化区间，盐胀量随着温度的降低呈增长趋势，在含水量未达到最佳含水量前盐胀量呈递增趋势，在前两个温度区间盐胀量变化梯度比较小，在0 ～-10 ℃的变化区间内，盐胀量的增长比较大最终将达到一稳定值;在同一温度、不同含水量的情况下，盐胀量在含水量未达到最佳含水量6．1%前，盐胀量逐渐增加，而当含水量一旦超过了最佳含水量后，盐胀量开始减少; 由于硫酸钠含量不大，在含水量较大温度不是很低的情况，盐胀量为负值，这说明此时盐胀力远小于土体自重，土柱体发生下陷．其中，盐胀率的计算公式为: η =Δh/H ×100%，式中:η 为盐胀率;Δh 为盐胀量;H 为路基盐胀的有效深度，本文中H 取土柱体高度36 cm．

粗粒硫酸盐渍土在含水量为4．0%工况下，15 ～5 ℃、5 ～0 ℃、0 ～-10 ℃3 种不同温度的盐胀量随时间变化的曲线，如图3( a) ～( c) ．

图3 含水量为4%下的盐胀过程曲线Fig．3 Salt expansion processes for Level when the moisture content isat 4%

从图中可以看出，当含水率为4．0%，降温区间为15 ～5 ℃时，盐胀量随着冻融循环周期的增加而逐渐增加，在前两个周期盐胀量的变化梯度比较大，到了第四、第五周期变化梯度比较小，盐胀量相差很小．这说明在该工况下，盐渍土盐胀结晶比较活跃，盐胀力大于土体自重，使得盐胀量呈增长趋势，当冻融循环到第五周期后盐胀力几乎达到最大值．

当降温区间为5 ～0 ℃时，从降温变化曲线可以看出:在第一、第二周期粗粒硫酸盐渍土盐胀量增加很大，当继续进行冻融循环，硫酸盐渍土的盐胀变化在温度回升时不能完全恢复，盐胀变形有残留，土柱体开始下陷．一方面由于当温度降低到一定程度，盐渍土的盐胀量基本稳定不再增长;另一方面初始盐结晶一部分填充了空隙，一部分破坏了土体的结构，土体在自重作用下发生下陷，导致盐胀量和盐胀率呈下降趋势．

当降温区间为0 ～-10 ℃时，在第五次冻融循环后，盐胀量明显降低．在第三第四周期盐胀量基本一致，说明盐渍土的部分结晶盐胀被空隙吸收，由于经多次冻融循环，硫酸盐吸水结晶产生较大的盐胀力，促使颗粒间距增加，土颗粒发生错位，土体积膨胀并最终破坏了土体结构，土颗粒间的相互作用力如摩擦力和黏聚力等都随之减少，粒径比较小的土粒在自重作用下自然下落，使整个土体发生塌陷，从而该盐渍土的盐胀量也随之减少．

表3 粗颗粒硫酸盐渍土盐胀结果Tab．3 Salt expansion of salt heaving content of coarse particles sulphuric acid saline soil

粗粒硫酸盐渍土在含水率为6．1%、8．0%，温度分别在15 ～5 ℃、5 ～0 ℃、0 ～-10 ℃3 种不同环境下冻融循环的盐胀量随时间变化的曲线，如图4 所示．

图4 盐胀随时间变化的曲线Fig．4 Graph showing Salinity expansion Vs time for Level (a) ～(f)

从图4 可以看出: 随着温度的降低盐胀率增加，当含水量达到最佳含水量时盐胀率达到最大值，当含水量继续增加盐胀率反而降低，其中当温度在0 ～-10 ℃时盐胀活跃．图4( a) 和图4( b)中，在第四周期盐胀率达到最大值，当继续对土柱进行冻融循环，盐胀率反而减少，这说明硫酸盐吸水结晶一部分填充了颗粒空隙，一部分的盐胀力破坏了盐渍土的土体结构;图4( c) 中经过冻融循环的五个周期，盐胀量最终达到最大值，盐胀量总体表现了很好的累加性．

图4( d) 中，在整个循环周期中从第二个周期后盐胀量均减少，并且最终盐胀量呈现负值．这说明在该工况下，由于含水率比较大，空隙间距也比较大，硫酸钠含量较少，降温区间比较高，在冻融循环中产生的盐胀力不足以提供土体自身重力和上面上端上端的冷媒块的外界作用，使得土颗粒在盐胀力的作用下发生错位，体积膨胀，土颗粒骨架发生破坏，土颗粒间的摩擦力和黏聚力也随之减弱，小颗粒的回落使得整个土体结构发生塌陷，粗颗粒硫酸盐渍土最终表现出溶陷量大于盐胀量．

从图4( e) ～( f) 曲线可以看出: 随着冻融循环周期的增加，盐胀率开始呈增加趋势，随后有所减少．这说明在前期盐渍土迅速结晶不仅使土中的盐基本结晶完成，而且还破坏了土体原本的胶结结构或点接触结构，从而使大孔隙结构部分破坏，当经过一定的冻融循环后，析出的晶体发育较为完整时，溶液中融盐数量大大降低，这使得成型后的试样的盐胀造成困难，在自重的作用下，盐胀率急剧减少． 当含水量达到10．0%时，该盐渍土的盐胀率明显降低．

从粗粒硫酸盐渍土的盐胀量随时间变化曲线可以看出，当硫酸钠含量比较小、含水量比较大时，容易发生土体下陷的现象．在工程实际中，应明确了解受季节影响多次冻融循环条件下的盐渍土的盐胀机理，以保证路基的正常使用．

6 结论

(1) 当含水率为最佳含水率时，盐胀率达到最大值，当含水率超过了最佳含水率后，最大盐胀量开始逐渐降低;在含水率不变的情况下，随着温度进一步的降低，土体的最大盐胀量首先表现为缓慢的增长，而后在一定的温度范围内表现为剧烈的增长最终达到某一峰值，随后呈减少趋势．

(2) 在冻融循环过程中，含水率为4．0%的粗颗粒硫酸盐渍土在15 ～5 ℃降温区间，结晶比较活跃，盐胀力大于土体自重，使得盐胀量呈增长趋势．

(3) 对于粗颗粒盐渍土，当含水率超过最佳含水量时，在15 ～5 ℃降温区间土颗粒在盐胀力的作用下发生错位，体积膨胀，土颗粒骨架发生破坏，颗粒间的摩擦力和黏聚力也随之减弱，小颗粒的回落使整个土体结构发生塌陷．

(4) 当硫酸钠含量比较小、含水量较大时，越容易发生土体下陷的现象． 随着季节冻融次数的增加，低温时，容易使颗粒间发生错位、移动;高温时，硫酸又脱水使得土体疏松，如此反复冻融，使得土体强度降低．

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