含细粒土夹层粗颗粒硫酸盐渍土盐胀实验分析

米海珍,刘志义,文　桃,史天龙(兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州　730050)

含细粒土夹层粗颗粒硫酸盐渍土盐胀实验分析

米海珍,刘志义,文桃,史天龙
(兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州730050)

为研究含细粒夹层粗颗粒硫酸盐渍土经多次冻融循环后的盐胀特性,对取自甘肃河西走廊地区敦煌飞机场某天然料场的粗颗粒盐渍土进行了室内多次冻融循环盐胀实验.结果表明:含细粒土层与不含细粒土层的硫酸盐渍土的盐胀主要集中在－5~15℃,在这个温度区间盐胀量变化较小;随着温度的升高,盐胀量有所减少,升温过程中盐胀减少量为降温过程中盐胀增加量的1/2左右,但最终都趋于一个大于零的稳定值.含细粒土夹层粗颗粒硫酸盐渍土的盐胀量大于不含细粒土夹层的盐渍土,且前者盐胀量是后者盐胀量的1．5倍左右.

细粒夹层;粗颗粒硫酸盐渍土;冻融循环;盐胀

引用格式:Mi Haizhen,Liu Zhiyi,Wen Tao,et al．The Salt Expansion Experimental Analysis on CoarseGgrained Sulphate Salty Soil in FineGgrained Soil Interlayer[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):88G91,112．[米海珍,刘志义,文桃,等．含细粒土夹层粗颗粒硫酸盐渍土盐胀实验分析[J]．甘肃科学学报,2016,28(2):88G91,112．]

盐渍土是指包括盐土和碱土在内的不同程度盐化、碱化的土壤的统称.我国盐渍土土地面积约为1．908×105km2,约占国土面积的1．99%,主要分布在干旱、半干旱和寒冷地区[1].其中甘肃省是盐渍土分布面积较大的省份之一,约有1．16×104km2,主要分布在河西走廊地区.土地盐渍化对建筑物的危害非常严重,西北地区的公路、房建、机场、输电塔架等工程大多数都涉及该问题.

目前已有很多学者对硫酸盐渍土的工程病害进行了研究,认识到硫酸盐渍土在季节性冻融和蒸发作用下,部分盐分从融化区向冻结区迁移,从潮湿区向干燥区迁移,最后结晶析出造成体积膨胀即盐胀,从而对工程建筑物或农田造成严重的破坏[2,3].盐胀是土体内盐分的迁移聚积、结晶体胀和土体膨胀三个过程的综合结果.刘娉慧等[4]对天然硫酸盐渍土的膨胀率以及法向膨胀力进行了测试和分析,发现硫酸盐渍土具有较大的法向盐胀压力;费学良等[5]在研究西安黄土过程中发现,含3%硫酸钠的初始干密度为1．8 g/cm3时盐胀率最小.张莎莎等[6G8]对甘肃典型天然粗粒盐渍土进行了工程特性试验及其盐胀机理研究,并且针对不同种类粗粒盐渍土进行了路用性能指标的分析.

通过在河西实地考察发现,粗颗粒硫酸盐渍土通常含有多层细粒土夹层,其工程病害程度较粗颗粒硫酸盐渍土更为严重,但目前对含细粒夹层粗颗粒硫酸盐渍土的工程病害研究甚少.为此,选取河西走廊地区敦煌飞机场含细粒夹层的天然粗颗粒硫酸盐渍土进行室内盐胀实验研究,对含细粒夹层和不含细粒夹层的天然粗颗粒盐渍土进行了多次冻融循环后的盐胀特性进行分析,为今后西北地区含细粒夹层的粗颗粒硫酸盐渍土地基处理提供参考指导.

1　实验方案

1．1试样基本工程性质

研究根据文献[9],对试样进行易溶盐含量测定、筛分试验和击实实验,实验基本参数见表1和表2.经分析,该盐渍土属于砾砂.击实实验采用重型击实实验,得到粗颗粒硫酸盐渍土和细颗粒硫酸盐渍土的最佳含水率及最大干密度分别为6．71%、2．38 g/cm3和11．57%、1．866 g/cm3.根据文献[10]取压实度为93%,即在有机硬质塑料桶中土体击实后的干密度等于最大干密度乘以0．93,含水率采用最佳含水率.

表1　试样易溶盐各离子含量Table 1　Contents of easily soluble salt ions of sample

1．2实验方案设计

实验中试样设计为不含细粒层粗颗粒硫酸盐渍土和含细粒层粗颗粒硫酸盐渍土两种,其中含细粒层试样分五层夯填,第1、3、5层为粗粒层,第2、4层为细粒层;不含细粒层分三层夯填.实验中一个循环的温度区间设计为5~15℃、0．5~5℃、－5~ 0．5℃、－10~－5℃、－15~－10℃,每单次降温时间以温度传感器为准(即每2 h温度变化幅度小于0．2℃为准),共经历四个冻融循环.

1．3试样制备与仪器

试样取自敦煌飞机场某天然料场的含细粒夹层的粗颗粒盐渍土,试样取回后,先对其进行易溶盐含量测定、筛分试验和击实实验.对土样进行洗盐,并配以2%硫酸钠拌匀,然后养护24 h.

试样养护好后,将不含细粒土层的试样分三次装入高54 cm,内径27 cm的有机硬质塑料桶中;而含细粒土层的试样分五次装入有机硬质塑料桶中,其中第1、3、5层为粗颗粒土,第2、4层为细颗粒土,击实后粗颗粒土每层高度为14 cm,细颗粒土每层高度为6 cm.试样装填好后,将其击实到所需的压实度(93%),并进行冻融循环.试样桶为20 mm厚的硬质塑料桶,并在桶外壁和上下底板粘贴保温膜,保证试样在降温过程中同一水平面上温度一致.同时,在桶内壁涂抹凡士林,减少试样在盐胀过程中与桶壁间的摩擦.同时在一号桶和二号桶每层试样中插入温度传感器测量各层温度,并采用百分表测量试样的盐冻胀量.

2　实验结果分析

2．1硫酸盐渍土盐胀特性

甘肃省河西走廊地区敦煌某天然料场含细粒土层与不含细粒土层粗颗粒硫酸盐渍土在单次冻融循环中,其各温度区间的盐胀量变化规律分别如图1、图2所示.

从图1、图2中的四次冻融循环可以看出,含细粒土层与不含细粒土层的粗颗粒硫酸盐渍土,其盐胀量都随温度降低而逐渐增加,而随着温度升高逐渐减小,并且最终都趋于一个大于零的稳定值.同时,从四次冻融循环周期的曲线图可以看出,含细粒土层与不含细粒土层的粗颗粒硫酸盐渍土均在－5~15℃温度范围内盐胀量增加的较为剧烈,而在－15~－5℃这个温度区间盐胀量增幅较小.在升温过程中,通过温度传感器读取的温度显示,盐胀量在0．3~13℃这个温度区间迅速减小,其减小量约占整个升温过程中总减小量的90%以上.

图1、图2中的实验结果表明,在5~15℃、0．5~5℃、－5~0．5℃三个降温区间内,含细粒土层盐胀量约为不含细粒土层盐胀量的1．5~2．0倍,图1(a)~(c)和图2(a)~(c)看出,前三个冻融循环周期中盐胀量基本完成了总盐胀量的85%以上.图1(a)与图2(a),即第一循环过程中,盐胀量达到了总盐胀量的50%以上,含细粒土层盐胀量约为不含细粒土层盐胀量的2．0倍左右.在升温过程中,含细粒土层盐胀量的减小量也大于不含细粒土层盐胀量的减小量.图1(b)~(d)和图2(b)~(d)中,后三个冻融循环过程中盐胀量较第一循环过程盐胀量增量有所减少,通过温度传感器读取温度显示升温过程中盐胀量的减小量基本为降温过程中盐胀量增加量的0．5倍左右.图1(c)与图2(c)、图1(d)与图2(d)显示,冻融循环周期中,含细粒土层与不含细粒土层盐胀量增长趋势曲线基本吻合,且其盐胀量较前两个循环有所减少.

图1　不含细粒土层粗颗粒硫酸盐渍土在各温度区间的盐胀量变化Fig．1　Changes of salt expansion amount of coarseGgrained sulphate salty soil in soil interlayer without fine grains under different termperature range

图2　含细粒土层粗颗粒硫酸盐渍土各温度区间的盐胀变化Fig．2　Changes of salt expansion of coarseGgrained sulphate salty soil in fineGgrained soil interlayer under different termperature range

2．2盐胀量与冻融循环次数的关系

含细粒土层和不含细粒土层粗颗粒硫酸盐渍土在四次冻融循环下的盐胀量变化规律分别如图3、图4所示.

图3　不含细粒土层粗颗粒硫酸盐渍土Fig．3　CoarseGgrained sulphate salty soil in soil interlayer without fine grains

图4含细粒土层粗颗粒硫酸盐渍土Fig．4　CoarseGgrained sulphate salty soil in fineGgrained soil interlayer

从图3和图4可以看出,随着冻融循环的次数的增加,含细粒土层与不含细粒土层的粗颗粒硫酸盐渍土,其盐胀量都具有很好的累加性,但进入第三次冻融循环周期以后,盐胀量的增量有所减小;在四次循环后,含细粒土层的最大盐胀量为0．936 9 mm,不含细粒土层的最大盐胀量为0．597 7 mm,含细粒土层的最大盐胀量是不含细粒土层盐胀量的2倍左右.

由于土中硫酸钠的溶解度对温度变化极为敏感,在降温过程中,硫酸钠的溶解度迅速减小,土壤中的硫酸钠溶液达到过饱和状态,从而吸水结晶成十水硫酸钠析出,其体积增大为原来的3倍以上,结晶盐一部分填充于土体中的孔隙,即结晶盐被孔隙吸收,而另一部分结晶盐则破坏了土体的结构,使土体产生盐胀.另外,随着温度的逐渐降低,从硫酸钠溶液中析出的十水硫酸钠晶体也不断增多.因此在降温过程中,试样的盐胀量不断增大.在温度升高的过程中,硫酸钠的溶解度迅速增大,部分十水硫酸钠开始溶解致使土颗粒之间失去相互支撑而形成空缺,此时部分土颗粒回落,从而土体的盐胀量减小.但是,还有一部分土颗粒虽然失去了硫酸钠晶体的支撑,但由于其他土颗粒与其具有相互作用(内摩阻力、粘结力等)并没有发生回落现象,从而产生残余盐胀量,表现出了盐胀的累加性.

3　结论

(1)甘肃河西走廊地区粗颗粒盐渍土在多次冻融循环过程中随着温度的变化盐胀量有升有降.在四次冻融循环实验中,盐胀量主要以盐胀累加为主.每单次冻融循环周期内,土体在降温过程以盐胀为主,升温阶段盐胀量有所减少,但最终土体的盐胀量都趋于一个大于零的稳定值.

(2)在多次冻融循环循环实验中,含细粒土层的盐胀量较不含细粒土层盐胀显著增加,且前者盐胀量最大值大约是后者盐胀量的1．5倍,最终盐胀量是后者盐胀量的2．0倍左右;含细粒土层在升温阶段盐胀量的减小值也大于不含细粒土层盐胀量的减小值.实际工程中,对于含细粒夹层的粗颗粒盐渍土应充分重视其盐胀的处理.

(3)通过温度传感器读取的数据显示,盐渍土在降温阶段盐胀发生最显著的温度区间在－5~0．5℃.

[1]徐袒学,王家澄,张立新,等．土体冻胀和盐胀机理[M]．北京:科学出版社,1999．

[2]Wu Q,Zhu Y．Experimental Studies on Salt Expansion for Coarse Grain Soil under Constant Temperature[J]．Cold ReG gions Science and Technology,2002,34(2):59G65．

[3]姜才文,赵成．河西走廊昌马灌区土壤水盐动态特征及脱盐规律[J]．甘肃科学学报,2003,15(S1):222G227．

[4]刘娉慧,王君臣,将剑,等．硫酸盐渍土盐胀特性试验及分析[J]．吉林大学学报:地球科学版,2005,35(1):74G78．

[5]费学良,李斌,王家澄．不同密度硫酸盐渍土盐胀规律的实验研究[J]．冰川冻土,1994,16(3):245G251．

[6]张莎莎,杨晓华,谢永利,等．路用粗粒盐渍土盐胀特性[J]．长安大学学报:自然科学版,2009,29(1):20G25．

[7]张莎莎,谢永利,杨晓华,等．典型天然粗粒盐渍土盐胀微观机制分析[J]．岩土力学,2010,31(1):123G127．

[8]张莎莎,杨晓华,戴志仁．天然粗颗粒盐渍土多次冻融循环盐胀试验[J]．中国公路学报,2009,22(4):28G32．

[9]交通部公路科学研究所．JTJ051G93公路土工试验规程[S]．北京:人民交通出版社,1993．

[10]交通公路科学研究所．JTGB01G2003公路工程技术标准[S]．北京:人民交通出版社,2003．

The Salt Expansion Experimental Analysis on CoarseGGrained Sulphate Salty Soil in FineGgrained Soil Interlayer

Mi Haizhen,Liu Zhiyi,Wen Tao,Shi Tianlong
(School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

In order to research on the salt expansion characteristics of coarseGgrained sulphate salty soil in fineG grained soil interlayer after several freezeGthaw cycles,several salt expansion experiments indoor under freezeGthaw cycles on the coarseGgrained salty soil from some borrow area of Dunhuang airport in Hexi corridor area of Gansu are conducted．The experiment indicates that the salt expansion of sulphate salty soil in soil interlayer with or withG out fine grains mainly concentrates upon the temperature range between 15℃and－5℃,which has smaller chanG ges in salt expansion amount．The salt expansion amount gets lesser with the rise of temperature．The decreasing aG mount of salt expansion in the rise of temperature is about 0．5 times than the increasing amount of salt expansion in the fall of temperature．However the multiples tends to become stable constants which is above zero eventually．The salt expansion amount of coarseGgrained sulphate salty soil in fineGgrained soil interlayer is about 1．5 times than the salt expansion amount of salty soil in soil interlayer without fine grains．

FineGgrained interlayer;CoarseGgrained sulphate salty soil;Freezing and thawing cycles;Salt expansion

U491．5

A

1004G0366(2016)02G0088G05

10．16468/j．cnkii．ssn1004G0366．2016．02．019．

2015G01G20;

2015G05G19．

甘肃省电力设计院与兰州理工大学合作项目(N2011620111000485)．

米海珍(1956G),男,甘肃庆阳人,博士,教授,硕士生导师,研究方向为岩土工程．EGmail:252729738＠qq．com．