吉林省农安地区盐渍土冻胀特性试验研究

万　健，王文华，李栋国，王　猛

(长春工程学院，长春130012)



吉林省农安地区盐渍土冻胀特性试验研究

万健，王文华，李栋国，王猛

(长春工程学院，长春130012)

摘要：吉林省西部地区广泛分布着盐渍土。近年来由于盐渍土冻胀而造成的建(构)筑物破坏的现象越来越频繁。以吉林省农安地区盐渍土为研究对象，通过在室内采用程序式高低温试验机进行盐渍土的冻胀试验，结果表明，冻胀量不仅与温度有关，而且与压实度、含水率、易溶盐含量等因素有关。本文试验结果，有助于对由盐渍土冻胀造成的破坏采取有效的防治措施。

关键词：盐渍土；冻胀量；压实度；含水率；含盐量

0引言

吉林省西部地区广泛分布着盐渍土，土中易溶盐会随土体含水量的改变使土体的理化性质发生变化，导致土体强度降低。盐渍土在温度变化时，体积会产生胀缩现象，对建筑物造成破坏[1]。盐渍土土体发生冻胀是土中易溶盐含量、水的含量、矿物质含量等自身性质及外界温度等多种因素的变化造成的[2]。在室内通过改变影响盐渍土冻胀的因素，进行大量冻胀试验，试验结果表明，影响盐渍土冻胀的因素有很多， 但主要是水、 温度、 盐、压实度4大因

素。通过冻胀试验，研究盐渍土的冻胀与温度、含水率、压实度及含盐量之间的关系，为工程施工、设计提供参考。

1试验材料与方案设计

1.1试验材料

本次试验使用的盐渍土取自长春农安地区，采用0.8 m深度范围内土样的粒度成分、天然密度、阳离子交换量、塑性指数及易溶盐总量等各项基本理化性质的平均值作为试验的主要指标，见表1。

表1　试验土样主要理化指标

1.2试验方案设计

1.2.1影响试验因素的确定

1.2.1.1含水率

外界温度变化时，水会对土体产生很大的影响。在温度降至水的冻结温度后，土体中水结冰膨胀，出现冻胀现象。根据之前的研究[3]表明，在封闭系统中，土体的起胀含水率接近土体的塑限。实验测得试验土样的平均塑限为17%。对试验土样进行含水率测试后得土样的平均含水率为21%，最大含水率为24.3%。所以将试验土样含水率设定为16%、20%、24% 3种。

1.2.1.2温度

在封闭系统中，当温度降至-3 ℃时，土体冻胀变形能力增强，冻胀量达到最大冻胀量的75%左右；当温度降至-3～-7 ℃时，土体冻胀速率变缓，此时冻胀量只占最大冻胀量的20%左右；当温度降至-7～-10 ℃时，冻胀量变化不再明显，几乎不增加或接近于零[4]。由此将本次试验温度定为5 ℃、-3 ℃、-7 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃ 6种。

1.2.1.3盐

1.2.1.4压实度

压实度对土体冻胀的影响也很大。工程施工中，规范要求填筑土料的压实度达到90%以上。当压实度小于85%时，冻胀效果不太明显；压实度大于95%时，冻胀现象明显，但变化不大[7]。所以将本试验土样的压实度定为85%、90%、95% 3种。

经分析后，采用水、温度、盐、压实度4个因素作为本次冻胀试验的影响因素。为确保试验的准确性，每个试样都做一个平行试样，计算时取两个试样的平均值。如图1所示。

图1　冻胀试样配置图

1.2.2试验设备

试验使用的是程序式高低温试验机，如图2所示。温度调控精度为0.1 ℃，温度调控范围为-40～120 ℃。

图2　程序式高低温试验机

1.2.3试验方法

试验所采用的土体均为重塑土。试验前先将土样过2 mm筛分筛，然后将筛后土样调配成表2中的不同含盐量和含水率，再将调配好的各类土样密封静置24 h。24 h后根据压实度计算出各类土样所需质量，按设计时的3种压实度均匀地压入内径10 cm、高7 cm的圆形有机玻璃管内，成型后的土样高5 cm，预留2 cm的膨胀空间。试样成型后装上百分表。如图3所示。

试验时，将试样放入试验箱内，温度设置为5 ℃，稳定24 h后，按照试验设计时的温度(-3 ℃、-7 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃)逐次降温，每次降温均间隔6 h，读取每个温度下百分表的读数。

2试验结果与分析

为了能直观地看出试样冻胀量的变化情况，采用冻胀率来评价冻胀结果。冻胀率计算公式[8]：

式中： εfh为t时刻试样的冻胀率(%)；Δh为0～t时间内试样的轴向变形(mm)；h0为试验前试样高度(mm)。

2.1试验结果

试验结果见表2所示。

表2　试样冻胀试验结果　%

2.2试验结果分析

2.2.1含水率对试样冻胀的影响

1)不同含水率对0.95%含盐量(天然含盐量)试样冻胀的影响。由图4可以看出，在含盐量均为0.95%(天然含盐量)的时候，除85%压实度、16%含水率试样出现收缩变形外，其他试样均表现为膨胀变形。95%压实度、16%含水率的试样冻胀率很小，基本为零。压实度越大，含水率越高，试样的冻胀率越大。其中95%压实度、24%含水率的试样冻胀率最大为4.73%，85%压实度、16%含水率的试样冻胀率最小为-1.12%。试样发生收缩变形是因为在试样压实度及含盐量都较低时，土体疏松，土颗粒间黏结不紧密，造成较多的孔隙，在含水率也较低的情况下，土体中少量的水在冻结时所形成的冰并不足以填充所有的孔隙，从而造成土体收缩变形的现象。

图4　0.95%含盐量时不同含水率、压实度试样的冻胀率随温度变化曲线

2)不同含水率对1.5%含盐量试样冻胀的影响。由图5可以看出，在含盐量均为1.5%的时候，除85%压实度、16%含水率试样会出现收缩变形外，其他试样均表现为膨胀变形。压实度越大，含水率越高，试样的冻胀率越大。其中95%压实度、24%含水率的试样冻胀率最大为4.59%，85%压实度、16%含水率的试样冻胀率最小为-0.54%。

图5　1.5%含盐量时不同含水率、压实度试样的冻胀率随温度变化曲线

3)不同含水率对2.0%含盐量试样冻胀的影响。由图6可以看出，在含盐量均为2.0%的时候，除16%含水率试样会出现收缩变形外，其他试样均表现为膨胀变形。压实度越小，含水率越高，试样的冻胀率越大。其中85%压实度、24%含水率的试样冻胀率最大为4.28%，85%压实度、16%含水率的试样冻胀率最小为-0.94%。

图6　2.0%含盐量时不同含水率、压实度试样的冻胀率随温度变化曲线

3.2.2含盐量对试样冻胀的影响

1)不同含盐量对16%含水率试样冻胀的影响。由图7可以看出，在85%压实度、16%含水率时，不同含盐量的试样在降温后均表现为收缩变形现象，出现这种现象主要是因为16%含水率的试样中水的含量相对较少，盐的含量相对较多，土中含有大量的Na+，而Na+吸附大量的水，致使土体中的结合水膜较厚，结合水在降温后并不能像自由水那样冻结成冰，就不能填满土中的孔隙，导致土体出现收缩现象。Na+越多，形成的结合水就越多，收缩就越明显。95%压实度的试样表现为含盐量越高，冻胀率越大的现象。90%压实度的试样虽然表现为膨胀变形，冻胀率却随含盐量的增大而减小。其中90%压实度、0.95%含盐量的试样冻胀率最大为1.15%，85%压实度、0.95%含盐量的试样冻胀率最小为-1.12%。

2)不同含盐量对20%含水率试样冻胀的影响。由图8可以看出，在20%含水率时，试样均表现为膨胀变形，其中85%和95%压实度的试样的冻胀率随含盐量的增大而增大，90%压实度的试样的冻胀率随含盐量的增大而减小。其中95%压实度、2.0%含盐量的试样冻胀率最大为3.34%，90%压实度、2.0%含水率的试样冻胀率最小为-1.55%。

图8　20%含水率时不同含盐量、压实度试样的冻胀率随温度变化曲线

3)不同含盐量对24%含水率试样冻胀的影响。由图9可以看出，在24%含水率时，试样均表现为膨胀变形，冻胀率都很接近。其中95%压实度、0.95%含盐量的试样冻胀率最大为4.73%，85%压实度、0.95%含盐量的试样冻胀率最小为3.04%。

图9　24%含水率时不同含盐量、压实度试样的冻胀率随温度变化曲线

3.2.3压实度对试样冻胀的影响

1)不同压实度对0.95%含盐量试样冻胀的影响。由图10看出，在0.95%含盐量时，不同压实度试样基本上表现为膨胀变形，冻胀率都为正值。只有16%含水率的85%和95%压实度试样冻胀率为负值。95%压实度、24%含水率试样冻胀率最大4.73%，85%压实度、16%含水率试样冻胀率最小-1.12%。

图10　0.95%含盐量时不同压实度、含水率试样的冻胀率随温度变化曲线

2)不同压实度对1.5%含盐量试样冻胀的影响。由图11可以看出，在1.5%含盐量时，不同压实度的试样基本上表现为膨胀变形，冻胀率都为正值。只有16%含水率时85%压实度的试样冻胀率为负值。其中95%压实度、24%含水率的试样冻胀率最大为4.59%，85%压实度、16%含水率的试样冻胀率最小为-0.94%。

图11　1.5%含盐量时不同压实度、含水率试样的冻胀率随温度变化曲线

3)不同压实度对2.0%含盐量试样冻胀的影响。由图12可以看出，在2.0%含盐量时，不同压实度的试样基本上表现为膨胀变形，冻胀率都为正值。只有16%含水率时85%和90%压实度的试样冻胀率为负值。其中85%压实度、24%含水率的试样冻胀率最大为4.28%，85%压实度、16%含水率的试样冻胀率最小为-0.54%。

图12　2.0%含盐量时不同压实度、含水率试样的冻胀率随温度变化曲线

3结语

本文主要内容是对室内封闭系统下盐渍土的冻胀特性试验的结果进行分析。试验结果以土体的平均冻胀率大小来评判，现得出以下几点结论：

1)部分试样在刚降温时并未表现出膨胀现象，而是出现收缩变形，继续降温后才出现膨胀变形，其冻胀率随温度降低而逐渐增大，但温度降至-10℃后，试样的冻胀变形基本趋于稳定，因此，-10℃接近土体的冻胀稳定温度。

2)通过观察试验结果发现，低于20%含水率的试样大多表现出收缩现象，等于或高于20%含水率的试样基本表现为膨胀现象，冻胀率随含水率增大而增大。当含水率小于24%时，试样的冻胀率随压实度的增大而增大，在含水率较高时，90%压实度试样的冻胀率高于85%和95%压实度的试样，90%压实度的试样冻胀率增幅最大，且与含盐量成正比，85%和95%压实度的试样的冻胀率增长缓慢。

3)盐分含量的不同也会对冻胀率造成影响，盐会在一定程度上抑制土体的冻胀特性。随着试样含盐量的增加，各压实度试样的冻胀率大小差别越来越小，因为土体越密实，孔隙就越少，在冻结过程中，盐分的分解减小，盐含量越高，结晶析出的结晶盐含量就越高，土中孔隙被结晶盐填充，水分迁移通道受阻，致使土体冻胀受到影响。

4)在所有试样中，0.95%含盐量、24%含水率、95%压实度的试样的冻胀率最大为4.73%，0.95%含盐量、16%含水率、85%压实度的试样的冻胀率最小为-1.12%。由此看出，较大的压实度、较高的含水率、较低的含盐量的土体更有利于冻胀的产生。试样在2.0%含盐量时，85%压实度、24%含水率时有最大冻胀率为4.28%，90%压实度、16%含水率时冻胀率最小为-0.29%，由此看来，在高含盐量时，低压实度的试样的冻胀性能反而更好。

在对各种影响因素对比后发现，这些因素均在不同程度上对土体的冻胀率产生着影响，且并不是相互分离单独作用，而是相互制约、相互的，所以应从整体上研究几种影响因素间的关系，这样才能得出较为准确的结论。

参考文献

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Experimental Study on Frost Heaving Characteristics of Saline Soil in Nong’an Area Jilin Province

WAN Jian, etc.

(ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：Saline soil is widely distributed in Western part of Jilin province. In recent years the phenomenon of damaged construction in buildings (structures) is becoming more and more frequent caused by the soil frost heave. In this paper, saline soil in Nong’an area Jilin Province has been taken as the research subject, and through indoors program type high and low temperature test machine saline soil frost heaving test has been made. The test results indicate that, frost heaving amount is not only related to the temperature, but also related to many factors such as compaction degree, moisture content, soluble salt content, etc. The results of this test are helpful to take effective measures to prevent and control the damage caused by frost heaving of saline soil, and have very important theoretical and practical significance.

Key words：saline soil; frost heave amount; compaction degree; moisture content; salt content

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2016)01-0015-07

中图分类号：TU448

通讯作者：王文华

作者简介：万健(1989-)，男(汉)，湖北，硕士

基金项目：国家自然科学基金项目(41302247，41430642，41372267)

收稿日期：2015-09-25

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.004

博士点基金(20120061110054)

吉林省教育厅科技项目(吉教科合字2013第295号)

建设部项目(2012BAJ19B02)

主要研究道路工程。