兰新铁路第二双线盐渍土溶陷特性研究

袁雅贤，魏亚辉，冯怀平，常建梅

( 1．石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄　050043; 2．中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京　100081)



兰新铁路第二双线盐渍土溶陷特性研究

袁雅贤1，魏亚辉2，冯怀平1，常建梅1

( 1．石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄050043; 2．中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京100081)

摘要:结合兰新铁路第二双线建设期间出现的溶陷病害，将该地分布较为广泛的氯盐渍土和硫酸盐渍土作为研究对象，采用自行研制的新型装置进行了室内溶陷试验，以确定初始含水量、初始含盐量、压实度及轴向压力对盐渍土溶陷特性的影响。结果表明:试样首先在轴向压力作用下达到变形稳定，受水浸湿后在很短的时间内有明显溶陷变形，并逐渐趋于稳定;从总体来看，当初始含盐量、轴向压力增大时，盐渍土的溶陷系数随之增大，而当初始含水量、压实度增大时，溶陷系数却呈现减小的趋势;溶陷系数随压力的变化曲线呈抛物线形，但在压力较小和较大时，溶陷曲线变化较平缓;当压力达到200 kPa时，溶陷系数增量最大。

关键词:盐渍土路基溶陷特性氯盐渍土硫酸盐渍土试验研究

兰新第二双线跨越戈壁地区，有大面积的盐渍土分布，融雪或地下输水管道破裂等原因引起了盐渍土的溶陷变形，导致路基道床板线型明显不平顺，道床板外侧底部与支承层顶面之间出现悬空现象，且附近的路基和桥梁都发生不同程度的下沉，严重影响着高速铁路的行车安全。

目前，盐渍土的溶陷特性所带来的危害已渐渐得到国内学者的关注。宋通海［1］对新疆地区的氯盐渍土进行了溶陷试验，结果显示，溶陷系数随着含盐量的增加而增加，随着初始含水量的增加而减小;程东幸等［2］对河西走廊西段的典型粗粒盐渍土进行了分析，认为影响粗粒盐渍土溶陷特性的因素不仅包括含盐量和含水量，还包括粗颗粒的含量、密实度及渗透系数;魏进等［3］通过室内溶陷试验确定了初始含水量、含盐量及上覆荷载对滨海氯盐渍土溶陷特性具有重要影响;杨晓华等［4］则从离心模拟的角度得到了盐渍土的溶陷系数在最佳含水量、不同含盐量情况下的变化规律。

国外学者对于土体湿陷变形的研究已较为成熟，但多体现在其他类土上，如黄土［5］、红土［6］;但关于盐渍土溶陷特性的研究却不多，文献［7-8］通过改进的固结仪对盐渍土试样的溶陷性进行了测试，认为盐渍土具有高溶陷性的原因是土中氯化物的溶解、带电离子之间的相互作用和土颗粒的变位。

鉴于国内外对盐渍土溶陷特性的研究尚不成熟，且盐渍土的工程性质具有明显的地区差异性，本文对兰新第二双线地区大量存在的氯盐渍土和硫酸盐渍土进行了室内溶陷特性试验，以全面掌握盐渍土路基变形规律，为盐渍土地区高速铁路设计提供支持。

1　工程概况

兰新铁路第二双线的施工点位于天山南麓山前冲洪积平原中部，地面横坡坡度为1°～3°，为典型的砾质戈壁景观。该地区常年昼夜温差大，多发生集中性暴雨，之后伴随强烈蒸发。盐渍土主要分布在地势较低处和河滩地带，以氯盐渍土和硫酸盐渍土为主，含盐量为1%～7%，含水量为4%～14%。

2　试样工程性质

试样为粉砂类盐渍土，取土深度为0. 2～1. 0 m，其工程性质如表1所示。

表1试样工程性质

3溶陷特性试验方案

3. 1试验方案

3. 1. 1方案一

制备初始含盐量为1. 5%，压实度为0. 91，初始含水量分别为5%，8%，10%，12%和14%的5组氯盐渍土试样和5组硫酸盐渍土试样，分别在100，200，300，400，500 kPa 5种模拟道路荷载的轴向压力作用下进行溶陷试验，研究不同初始含水量条件下盐渍土的溶陷特性。

3. 1. 2方案二

制备初始含水量为10%，压实度为0. 91，初始含盐量分别为1. 5%，3%，5%和7%的4组氯盐渍土试样和4组硫酸盐渍土试样，分别在100，200，300，400，500 kPa 5种模拟道路荷载的轴向压力作用下进行溶陷试验，研究不同初始含盐量条件下盐渍土的溶陷特性。

3. 1. 3方案三

制备初始含盐量为1. 5%，初始含水量为10%，压实度分别为0. 88，0. 91，0. 94和0. 96的4组氯盐渍土试样和4组硫酸盐渍土试样，分别在100，200，300，400，500 kPa 5种模拟道路荷载的轴向压力作用下进行溶陷试验，研究不同压实度条件下盐渍土的溶陷特性。

3. 2试验仪器

所用仪器为自行研制的新型溶陷特性测试仪，如图1所示。该仪器由加压设备、压力室、传压杆、电位计、电脑和进水装置组成。在传统仪器的基础上进行了创新改进:变形量测系统由电位计及电脑构成，能对变形数据进行实时采集;进水装置由带有控制阀门的滴定管代替了传统的水槽，可灵活控制浸水量和浸水速度，以保证试验数据的精度。

图1溶陷特性测试仪结构示意

4　溶陷特性试验结果及分析

4. 1不同初始含水量下溶陷量与时间的关系

图2为方案一中轴压σ= 200 kPa时不同初始含水量下溶陷变形曲线。从图中可以看出，盐渍土试样首先在轴向压力的作用下达到变形稳定，浸水后产生明显的溶陷变形，但也逐渐趋于稳定。在初始含盐量、压实度及轴向压力相同的条件下，盐渍土试样的溶陷量及达到溶陷变形稳定的时间均随初始含水量的增大而减小。总体来说，硫酸盐渍土的溶陷变形比氯盐渍土更加明显，且变形稳定所需要的时间更短。分析认为:初始含水量越小时，土样内未溶盐的含量越高，受水浸湿后，未溶盐大量溶解，导致土体结构松散，产生较大变形;由于不同类别的易溶盐的结构不同，导致硫酸盐渍土对水的敏感性强于氯盐渍土。

图2不同初始含水量下溶陷变形曲线(σ= 200 kPa)

图3不同初始含盐量下溶陷变形曲线(σ= 200 kPa)

4. 2不同初始含盐量下溶陷量与时间的关系

图3为方案二中σ= 200 kPa时不同初始含盐量下溶陷变形曲线。从图中可以看出，在初始含水量、压实度及轴向压力相同的条件下，盐渍土试样的溶陷量和达到溶陷变形稳定的时间均随初始含盐量的增大而增大。分析认为:与初始含水量对溶陷变形的影响机理大致相同，含盐量越大，土样内未溶解的盐分越多，会随着水分的浸入而大量溶解，导致土颗粒散落、移位。

4. 3不同压实度下溶陷量与时间的关系

图4为方案三中σ= 200 kPa时不同压实度下的溶陷变形曲线。从图中可以看出，在初始含水量、初始含盐量和轴向压力相同的条件下，盐渍土试样的溶陷量和达到溶陷变形稳定的时间均随压实度的增加而减小。当压实度＞0. 94时，盐渍土试样仅发生微小的溶陷变形;且压实度对硫酸盐渍土试样溶陷变形的影响要大于氯盐渍土。分析认为:压实度越小时，土体的孔隙比越大，在相同轴向压力作用下，土中盐分发生溶解变形的空间越大(土体松散的程度越大)，达到的溶陷量则越大;随着压实度的增加，孔隙比减小，当压实度＞0. 94时，土样溶陷变形的空间很小。

图4不同压实度下的溶陷变形曲线(σ= 200 kPa)

4. 4不同初始含水量下溶陷系数与压力的关系

图5为方案一中不同初始含水量下的溶陷系数变化曲线。从图中可以看出，在同一压力下，盐渍土的溶陷系数随初始含水量的增加呈减小的趋势，而同一初始含水量下，溶陷系数则随压力的增大呈增大趋势。对于氯盐渍土而言，当轴向压力为100 kPa时，曲线近似呈直线变化，而轴向压力为200 kPa时，溶陷系数增量最大。分析原因认为:轴向压力较小时，土样内部的结构并未受到破坏，盐晶体只有一小部分能得到溶解;当压力达到200 kPa时，土样的结构受到较大破坏，土颗粒发生移位、散落，导致盐晶体的溶解度升高，溶陷系数的增量达到最大，且曲线不再为直线，而表现为抛物线形;随着压力继续增大，溶陷系数增量减小，这是由于大量盐晶体已经溶解，即使压力再大，溶陷系数也不会大幅度增加，导致曲线在大压力下再次趋于平缓。硫酸盐渍土的溶陷系数曲线变化规律与氯盐渍土大致相同，但是整体上比氯盐渍土变化更陡，表现为具有拐点的曲线形式，说明它的水敏感性更强。

图5不同初始含水量下的溶陷系数变化曲线

4. 5不同初始含盐量下溶陷系数与压力的关系

图6为方案二中不同初始含盐量下溶陷系数变化曲线。从图中可以看出，同一压力下，初始含盐量增大时，盐渍土的溶陷系数随之增大;而在同一初始含盐量下，溶陷系数随压力也有相同的变化规律。对于氯盐渍土而言，轴向压力为100，500 kPa时，曲线近似为平缓的直线，这是由于在小压力下，盐晶体不能得到充分溶解，而大压力下，盐晶体已经充分溶解的缘故。轴向压力为200 kPa时，溶陷系数的增量最大，曲线表现为抛物线形，且随着初始含盐量的增加，溶陷系数曲线逐渐趋于平缓，这可能是由于初始含盐量太大时，在很短的时间内，会引起盐晶体的大量溶解，盐颗粒发生运动，造成土体孔隙比减小，使溶陷受到阻碍。硫酸盐渍土溶陷系数曲线整体变化规律与氯盐渍土基本相同。

图6不同初始含盐量下的溶陷系数变化曲线

图7不同压实度下的溶陷系数变化曲线

4. 6不同压实度下溶陷系数与压力的关系

图7为方案三中不同压实度下溶陷系数变化曲线。从图中可以看出，同一轴向压力下，盐渍土的溶陷系数随压实度的增大而减小;而在同一压实度下，盐渍土的溶陷系数随轴向压力的增大而增大。分析认为:相同的轴向压力下，随着压实度不断增大，土样的孔隙比不断减小，即使初始含盐量再大，土体发生溶陷变形的范围也很小;相同的压实度下，轴向压力越大，土样孔隙比减小幅度越大，产生的溶陷量也越大。同样在轴向压力达到200 kPa时，溶陷系数的增量最大;此后，随着轴向压力继续增大，溶陷系数的增量降低，甚至出现曲线相互交叉的现象。这主要是由于土体内部结构的破坏导致了孔隙比减小的量和速率在此时均最大。此后随着轴向压力的增大，孔隙比虽仍在不断减小，但是减小的速率不断降低。两类盐渍土溶陷系数曲线的变化规律大致相同，在压实度达到0. 94时，两类盐渍土在各压力下的溶陷系数均＜0. 004，且压实度继续增加时，溶陷系数变化很小，故可将此压实度作为该地区盐渍土路基溶陷变形的控制指标之一。

5　结论

1)在同一轴向压力下，两类盐渍土试样的溶陷变形量均随初始含盐量的增大而增大，随初始含水量和压实度的增大而减小，并最终趋于稳定。相同条件下，氯盐渍土与硫酸盐渍土的溶陷曲线变化规律大致相同，但硫酸盐渍土的最终溶陷量要稍大于氯盐渍土。

2)在初始含水量、初始含盐量、压实度均保持不变的条件下，轴向压力增大，盐渍土的溶陷系数随之增大;而在轴向压力相同的条件下，初始含盐量增大，盐渍土的溶陷系数也随之增大，但初始含水量和压实度增大，盐渍土的溶陷系数则呈减小趋势。

3)当轴向压力达到200 kPa时，土体的内部结构遭到破坏，此时溶陷系数的增量最大，此后，随着轴向压力的继续增大，溶陷系数的增量减小，溶陷系数随轴向压力的变化曲线也逐渐趋于平缓，当压实度＞0. 94时，土样的溶陷性大大降低，可将此压实度作为该地区盐渍土路基溶陷变形的控制指标之一。

参考文献

［1］宋通海．氯盐渍土溶陷特性试验研究［J］．公路，2007( 12) : 191-194．

［2］程东幸，刘志伟，张希宏．粗颗粒盐渍土溶陷特性试验研究［J］．工程勘察，2010( 12) : 27-31．

［3］魏进，杜秦文，冯成祥．滨海氯盐渍土溶陷及盐胀特性［J］．长安大学学报(自然科学版)，2014( 4) : 13-19．

［4］杨晓华，张志萍，张莎莎．高速公路盐渍土地基溶陷特性离心模型试验［J］．长安大学学报(自然科学版)，2010( 2) : 5-9．

［5］AYADAT T，HANNA A．Effects of Hydraulic Shear Stress and Rate of Erosion on the Magnitude，Degree，and Rate of Collapse ［J］．Geomechanics and Geoengineering: An International Journal，2008，3( 1) : 59-69．

［6］KHOLGHIFARD M，AHMAD K，ALI N，et al．Collape/SwellPotential of Residual Laterite Soil to Wetting and Drying-wetting Cycles［J］．National Academy Science Letters，2014，37 ( 2) : 147-153．

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［8］BENATTI J C B，MIGUEL M G．A Proposal of Structural Models for Colluvial and Lateritic Soil Profile from Southwestern Brazil on the Basis of their Collapsible Behavior［J］．Engineering Geology，2013，153( 2) : 1-11．

(责任审编周彦彦)

Study on melt sinking characteristics of saline soil in Lanzhou-Xinjiang second double track railway

YUAN Yaxian1，WEI Yahui2，FENG Huaiping1，CHANG Jianmei1

( 1．School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang Hebei 050043，China; 2．Railway Science and Technology Research and Development Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:M elt sinking appeared in Lanzhou-Xinjiang second double track railway．Chlorine saline soil and sulphate salty soil are the research objects in this paper．A new instrument was introduced to conduct laboratory melt sinking tests，aiming to determine the effects of initial water content and salt content，compactness，and axial compression on the saline soil samples．At first，the sample reaches a stable deformation under the action of axial pressure and then a significant collapse deformation occurs within a very short time after soaking，tending to be stable gradually．In general，the collapsibility-coefficient increases with the increase of initial salt content and loads but decreases when the initial water content or compactness goes up．T he curve of the collapsibility-coefficient versus loads is parabolic; the curve is flat when the pressure is small or large．As the pressure comes to 200 kPa，the growth rate of collapsibilitycoefficient reaches the maximum．

Key words:Saline soil subgrade; M elt sinking characteristics; Chlorine saline soil; Sulphate salty soil; Experimental research

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0092-05

作者简介:袁雅贤( 1990—)，女，硕士研究生。

基金项目:国家自然科学基金项目( 51478279)

收稿日期:2015-09-13;修回日期: 2015-11-04

中图分类号:TU43

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．23