南疆路基盐渍土冻融循环的盐胀性研究

席宣宣 李寿宁

在我国公路工程中，一般将地表1 m以内易溶盐类含量平均达到0.3%以上的土壤，称之为盐渍土［1］。盐渍土在我国分布范围广泛，新疆、青海、甘肃、宁夏、陕西和内蒙等地区是盐渍土分布面积最广最多的地域，约占全国盐渍土总面积的60%左右。该地区盐渍土分类属于内陆盐渍区中的干旱、过干旱盐渍土亚区。广泛的道路调查表明，盐渍土盐胀和溶陷破坏是内陆盐渍土地区道路主要病害之一，盐胀导致路面产生不均匀变形，形成波浪鼓包现象，溶陷导致路基路面不均匀沉陷，从而造成极大的经济损失。

南疆地域受塔克拉玛干沙漠干旱气候的影响，土质岩性呈高矿化度的盐碱性。分布在塔克拉玛干沙漠周边的五地州四个师的交通道路都不同程度的受到盐冻胀的破坏。新修道路三年后盐冻胀破坏的程度可将局部路面抬高近20公分，有些地方原本低于路沿石10多公分的路面，因盐冻胀上抬反而高出路沿石近10公分。其特点是:新修道路第一年越冬破坏程度轻一些，第二、第三个冬季，破坏程度一年比一年严重。四五年后基本趋于稳定，但此时的道路上凸下陷破坏已经很严重了，进入春夏有所恢复，来年入冬又开始加剧破坏。这就是典型的盐渍土道路病害。

道路破坏的规律是夏季基本不变形或变形很小，此时道路中的盐、水、温依然存在，但无明显变形，说明0℃上温度同盐、水共场时不促成盐渍土体积变化。变性破坏主要发生在冬季，说明低温同盐、温共场时促使盐渍土体积膨胀，对道路破坏起着决定性的作用。

本文主要对硫酸盐渍土在开放系统中进行多次冻融循环试验，研究对相同压实密度在不同含水率和不同含盐量条件下，经过几个不同温度梯变的冻融循环后，对不同含盐量和含水率的盐渍土的室内试验结果进行研究分析，找到盐渍土的盐胀规律，从而证实盐、水、低温共场时对道路所起的破坏作用。

1 试验方法及原材

1.1 试验方法

盐胀的发生主要是硫酸盐渍土中的芒硝(Na2SO4·10H2O)，随着温度降低，硫酸钠溶解度减小，吸水后形成结晶体，体积膨胀［2］而破坏道路。为了获取硫酸盐渍土经降升温结晶体积膨胀的相关资料，我们选用阿拉尔市道路破坏严重的典型路段的路基土作为试验用土，采用室内模拟试验的方法，观察试样在经历反复升降温时的盐胀变化，测取经多次冻融循环后的盐冻胀试验数据，经分析计算整理得出规律性的结果。

表1 土样参数表

2 实验装置与结果

2.1 实验装置

主要实验仪器装置如图1所示(1－底板、2－试桶、3－固定杆、4－垫铁、5－套筒、6－百分表、7－连接杆)。

图1 冻胀试验仪器

2.2 试验设计

本试验通过对相同压实度、含水率的含盐和不含盐的两组试验进行对比分析而得出试样的冻胀率和盐胀率。试验主要仪器采用《公路土工规程》中承载比(CBR)试验的整套仪器(把量力环换成百分表，见图1)、冰箱以及其他进行装样的仪器;试验采用与渗透试验中各种不同的不均匀系数土样，各组土样及装样参数见表1;试验过程中，通过将整套试验装置放置于设定为－15℃的恒温冰箱中模拟降温过程中盐胀和冻胀;当变形达到稳定后，将整套仪器置于室温(10℃)中，让其自然升温模拟融沉。而整体则进行4－5次冻融循环。

整套试验进行四组试验，每组包括两个试样。整个试验分两批进行，每批四个试样(第二组与第三组作为一批、第一组合第四组作为一批)其中三个架设百分表，一个架设温度计(1－2和3－2)于试样正中心

2.3 试验结果

表2 盐－冻胀试样结果

2.4 实验数据拟合及分析

采用最小二乘法原理，利用matlab编程分析，对试验结果进行拟合得到如下公式。

方式一假定Y1=A1Cu+A2W+A3Ws+A4d+A5

方式二假定Y2=B1

y 为盐胀率，A1，A2，A3，A4，A5为待定系数，Cu为不均匀系数，w为含水率，Ws为含盐量，d为试样干密度

两次分别拟合得到

从上两公可知:A3＞A2＞A4＞A1，B3＞B2＞B4＞B1，因此对膨胀率影响最大的为含盐量，含水量次之，干密度相对较小，不均匀系数对盐胀率影响最小。盐胀率随干密度的增加而减小。

2.4.1 不同含盐量的变形实验

图2 盐－冻胀试验结果

从图2可以看出随着时间的增加，各试样的变形量也逐步增加，温度降低引起了试样的2.4.2 不同含盐量的温度实验

图3 盐－冻胀试样中心温度

盐－冻胀试验结果见图2、图3，综合分析可得:

(1)随着温度的降低试样发生冻胀和盐胀，对比2－1和2－2、4－1和4－2可知试验过程中试样的纵向变形主要是由盐胀引起;随着温度的升高，试样出现溶沉，并且变形有残留，残留变形具有累加性。

(2)盐胀变形有累加效应，而冻胀没有累加效应。因为盐胀过程中有 Na2SO4·10H2O(芒硝晶体)产生，体积发生膨胀是原来体积的3倍，这使得试样土体结构发生破坏、土颗粒间空隙增大，在温度降低时残留了变形;而冻胀会随着温度的升高，在自重应力下发生恢复。因此对应路基结构中路基土在多次冻融循环后，土体结构的损失也是累积的，多次冻融循环必然导致土体结构损伤破坏。

(3)当含水量较小时，试样变形随着循环次数增加，其增长速率减小，但不会出现溶沉现象(如试样3－1);当含水量较高，出现明显的溶沉和变形残存和累加。

(4)在同样的温变环境中，含盐试样对温度的敏感范围比不含盐试样低20度左右，为5℃ ～－20℃。

3 结论

温度使盐渍土发生盐冻胀变形;对于不含盐的土样，随着温度的降低只发生冻胀变形，通过试验数据分析可得单纯发生冻胀变形的土体总体变形量比较平缓，在消融的过程结束后基本能恢复到初始变形状态;而当盐渍土发生盐冻胀变形时，随着时间的增加，变形量基本呈现有规律的上升状态，幅度较大且每次消融后都会有变形残余存在，随着冻融的不断增加，每次发生的变形在消融后的变形残余也逐步增加。

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