盐分与压实度对盐渍土起始冻胀含水率的影响*
2016-12-19霍珍生
王 宁 王 清 霍珍生 马 冰 陈 冶
WANG Ning WANG Qing HUO Zhensheng MA Bing CHEN Ye
盐分与压实度对盐渍土起始冻胀含水率的影响*
王 宁 王 清 霍珍生 马 冰 陈 冶
季冻区盐渍土冻胀病害影响工程质量。水分、密度及盐分的变化影响季冻土冻胀特性。以吉林省农安县旱地盐渍土为研究对象,通过室内冻胀实验讨论了含水率、压实度、含盐量对盐渍土冻胀规律的影响,分析起始冻胀含水率随盐分和压实度的变化规律。试验研究表明:较大的压实度和较高的含水率有利于冻胀。土体在较低含水率和较低压实度时发生冻缩,随着含水率和压实度的增大,冻缩量减小至零,随后发生冻胀,冻胀(缩)量与含水率基本呈线性关系。因此,存在起始冻胀含水率,该值随着压实度的增大而线性减小,随含盐量的增加而整体呈增大趋势。塑限与压实度对盐渍土起始冻胀含水率的影响可以拟合出相应线性公式,随着含盐量增加,该公式的系数整体呈增大趋势。在前人总结出的公式基础上增加压实度这一参数,为后续季冻区盐渍土的冻胀特性研究提供参考与理论依据。
盐渍土 含水率 压实度 含盐量 起始冻胀含水率
WANG Ning WANG Qing HUO Zhensheng MA Bing CHEN Ye
0 引 言
盐渍土是不同程度盐碱化土的总称。2009年修订版《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)规定易溶盐含量大于0.3%,并具有溶陷、盐胀、腐蚀等工程特性时,应判定为盐渍岩土。
吉林西部地区的盐渍土,地处我国松辽平原,盐渍化程度比较严重,且以碳酸盐渍土为主,严重影响农业与工业发展。为了保持生态平衡,治理湿地、草原等,吉林省启动引水灌溉工程,通过嫩江下游与第二松花江的引水灌溉工程来淋洗盐渍化土地(鲍硕超, 2015),但由于该地区属于东北典型的季冻性冻土区,引水灌溉和淋滤都会在冬季引起冻胀现象,同时造成水分与盐分的迁移,使盐分富集,严重影响工程质量,同时会出现道路翻浆及路面冻胀等道路病害。因此,研究吉林西部盐渍土冻胀特性势在必行。
以往研究表明,影响土体冻胀的因素主要有粒度组成、矿物成分、水分、土体密度、温度、荷载及盐分等(马巍等, 2014)。张立新等(1995)研究揭示含氯化钠盐渍土冻胀量随初始含水率增大而增大,与初始干密度、初始浓度呈抛物线关系; 张婷(2004)研究了含水率及干密度对土体冻胀的影响,冻胀率随含水量的减小而线性降低。在试验范围内,干密度越大,土体冻胀率越大,随着干密度增大,土体冻胀将达到最大程度。土体产生冻胀的条件是冻胀敏感性土、水分补给、适当冻结温度和时间。程培峰等(2011)、高明星等(2012)指出,在同一含水量下,冻胀量随压实度的增大而减小; 在同一压实度下,冻胀量随含水量的增大而增大。王文华(2011)发现在相同击实度下,冻胀率随含水率增加而增大。在相同击实度、相同含水率下,冻胀率基本是随着含盐量的增加而增大,但存在一最佳冻胀击实度。即较高的含盐量、较高的含水率以及较大的击实度都使土样最终冻胀率增大。张艳鸽(2011)通过对三支沟和大安地区盐渍土冻胀特性研究发现:土样的冻胀曲线分为冻缩期、冻胀增长期、结构调整期和冻胀持续增长期4个阶段。随着密实度的增加,含盐土样冻缩现象逐渐消失,薄膜水失水现象减少; 含水率<24%时,击实度和冻胀率成正比,含水率>24%时, 0.0%含盐量各土样为冻缩期,土样的总冻胀率随含水率的增加而减小,且90%击实度土样具有冻胀敏感性。李栋国(2015)对农安地区盐渍土进行冻胀试验发现,冻胀性与含水率成正比,最低含水率在16%以上; 低含盐量土冻胀与击实度成正比,高含盐量土冻胀与击实度成反比; 含盐量小于1.5%时冻胀与含盐量成正比,反之成反比。
已有研究都共同指出了含水率、压实度、含盐量3个因素对土体冻胀率的影响,含水率与冻胀率为正相关,但压实度和含盐量对冻胀率的影响说法不一。已有试验研究表明,在某些含水率及压实度下,土体不发生冻胀而是发生冻缩,存在起始冻胀含水量,即在一定条件下的土体,在冻结过程中,使冻结土体不发生体积变化的含水量的界限值,该含水量是土体发生冻胀与冻缩的界限含水量值。大部分试验都重点研究土体冻胀部分的变化规律,对于土体冻缩部分的规律研究较少。影响盐渍土起始冻胀含水率变化的因素及该起始冻胀含水率变化规律参考文献较少。
马巍等(2014)在《冻土力学》一书中指出,当土体密度一定时,黏性土的起胀含水量与塑限含水量有较密切的关系,当土的干密度为1.5~1.6g·cm-3时,它们之间的关系可用线性方程表示。本文将在此结论的基础上,讨论压实度、含盐量与盐渍土起始冻胀含水率之间的关系。以吉林省农安县旱地盐渍土为研究对象,通过室内冻胀实验测定不同含水率、压实度、含盐量条件下土体的冻胀量,得到含水率、压实度、含盐量与冻胀量的关系,以此研究该地盐渍土冻胀特性,分别绘制出起始冻胀含水率与压实度和含盐量的关系曲线,建立起始冻胀含水率随压实度变化的公式,并分析盐分对起始冻胀含水率的影响,为后续季冻区盐渍土的冻胀特性研究提供参考与理论依据。
1 土样的基本性质
实验土样取于秋季,在农安县旱地有代表性地点从表层取至170cm。天然密度为1.77~1.93g·cm-3; 天然含水率最低为15.93%,最高可达34.3%; 粒径小于0.075mm颗粒含量大于75%,粒径小于0.005mm颗粒含量小于30%,为粉质亚黏土(唐大雄等, 1999);Cu>5、Cc=1~3,土样级配良好; 有机质含量最大处为1.61%,可判定为非有机质土; 呈弱碱性; 各层易溶盐含量变化较大,在0.74%~1.42%范围内波动; 阴离子以重碳酸根为主,阳离子以钠离子为主,含量高达6.72%,遇水后可形成较厚的扩散层,使颗粒间的连结减弱直至消失(唐大雄等, 1999),增强土的分散性,并影响渗透性和毛细性(张静, 2010; 张旭东等, 2015)。在易溶盐含量测试中发现40cm土层为易溶盐总量转折点和最大点,钠离子含量也较高,因此选择该层土作为研究农安盐渍土冻胀特性的试验用土,并进行物理化学试验,试验结果(表1,表2)。通过室内击实试验测得40cm处土的最优含水率为21.26%,最大干密度为1.63g·cm-3。
表1 40cm深度土样的基本物理性质指标
Table1 Basic physical properties of soil samples at 40cm depth
天然密度ρ/g·cm-3天然含水率ω/%塑限ωP/%液限ωL/%塑性指数IP颗粒含量/%>0.075mm0.075~0.005mm<0.005mm1.9226.552243210.3881.3718.25
表2 40cm深度土样的基本化学性质指标
Table2 Basic chemical properties of soil samples at 40cm depth
pH易溶盐总量/%K+/mmol·100g-1Na+/mmol·100g-1SO2-4/mmol·100g-1HCO-3/mmol·100g-1阳离子交换/mmol·100g-17.031.420.203.481.721.870.06
2 室内冻胀试验
土体冻胀是由土中水成冰引起体积膨胀的现象。冻土地区工程建筑会由于土体的冻胀遭受破坏(徐学祖等, 2010)。冻胀的表现形式之一是冻胀量,表现为土体冻结后垂直方向上的增量。
2.1 影响因素的确定
以往研究成果表明,土体的冻胀性受内部和外部因素影响。内部因素包括土的粒度成分、物理化学性质、含水率、密实度和含盐量等; 外部因素指外荷载、温度、冻融作用等(李广信, 2004)。本次试验主要针对研究成果未达到共识的压实度和含盐量两种因素,研究起始冻胀含水率随含盐量和压实度的变化规律。
2.1.1 含盐量
所取土样深度范围内易溶盐含量在0.74%~1.42%之间变化,最高曾经达到2.6%,经调查农安地区易溶盐含量高于吉林西部其他地区,而且以往研究表明含盐量对冻胀性的影响复杂,应增大含盐量变化范围,因此选取0、0.5%、1%、1.4%(天然含盐量)、2%、3%作为指标。此外,含盐类型影响盐渍土的盐胀,从而对试验结果产生一定影响。当硫酸钠含量大于2%时,盐胀量随硫酸钠含量的增加而迅速增大(杨保存, 2009)。研究区盐渍土硫酸盐含量低于2%,所以在研究其冻胀特性的时候可不考虑硫酸盐的影响。当碳酸盐含量超过0.5%时,盐胀量显著增大,而农安地区盐渍土很容易达到该标准,因此选取碳酸氢钠为实验用盐研究其冻胀特性。
2.1.2 含水率
如前文所述,马巍等(2014)指出,当土体密度一定时,黏性土的起胀含水量与塑限含水量有较密切的关系,当土的干密度为1.5~1.6g·cm-3时,它们之间的关系可用线性方程表示:
(1)
式中,ωP为塑限;ω0为起始冻胀含水量。
试验观测资料统计表明,上述条件下α为0.71~0.86,取平均值为0.8。封闭系统中黏性土的起始冻胀含率接近塑限(徐学祖等, 1995; 赵安平等, 2008),含水率过小时发生冻缩,过大时会发生冰的冻胀。因此,结合起始冻胀含水率与塑限的关系并考虑最优含水率与工程要求,采用隔断水源的封闭系统,选取含水率值分别为16%、18%、20%、22%、24%、26%。
2.1.3 压实度
一般压实度越大越容易发生冻胀,但到一定程度冻胀率反而减小(李栋国, 2015)。工程中对土的压实度要求各有不同,公路工程中压实度要求一般都在90%以上,其他工程至少都在85%以上,压实度超过95%时,土体就很难压实了。而且从经济效益上讲不宜用过大的压实度。因此,结合本次试验目的,选取压实度分别为: 85%、88%、90%、92%、95%。
2.2 试验方法〗2.2.1 洗盐
配制不同含盐量所用的土需要进行脱盐,将土样放入土样桶内,注入蒸馏水,充分搅拌均匀,静置24h澄清后抽取上部清水,后再注入蒸馏水,重复上述步骤多次后,取10mL土样滤下溶液平均放入两个试管中,向其中一个试管中加入数滴100mL·L-1硝酸和50mL·L-1硝酸银溶液,向另一个试管中加入数滴100mL·L-1盐酸和50mL·L-1氯化钡溶液,如出现白色沉淀,则需要继续用去蒸馏水对实验用土进行脱盐。按上述检验方法进行重复检查,直至不再出现白色沉淀为止,此时表明盐分清洗干净(邴慧等, 2011),将洗盐后的土烘干备用。
2.2.2 制样
将碾散的烘干土样通过2mm的筛,取筛下足够试验用的土,按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)称取干土质量、碳酸氢钠质量,量取蒸馏水体积,将称好的土样平铺于搪瓷盘内,将配好的盐水均匀喷洒于土样上,充分搅均后装入塑料袋密封,置入保湿缸中闷料24h,再将土用分层击实法按预定压实度分3层击入冻胀仪的模具中,层间用刮土刀刮毛,制成180个高10cm,直径5cm的圆柱试样。
2.2.3 冻胀
将制好的试件固定在冻胀仪底座上,在土样表面的中心点预先安放好冻胀承力片(避免百分表活动端在未冻结时压入土中而产生试验误差),安装和调试好百分表,最后,将冻胀仪放入冻融实验箱中进行试验(图1)。冻融实验开始前,先把试件放入冻融箱在5℃的环境下稳定24h,稳定后,按照设计温度逐级降温,降温速率为1℃·h-1,停机温度分别设置为0℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃,每一停机温度间隔12h,保证试样充分冻胀,最后观测试件在-25℃时冻胀12h后的冻胀量,并记录数据。
图1 冻胀实验装置
3 各因素对冻胀特性的影响
3.1 含盐量、压实度、含水率对冻胀特性的影响
绘制不同含盐量、不同压实度下含水率与冻胀量关系的散点图(图2~图7)。同一压实度下,冻胀量随含水率增大基本上呈线性增大,冻缩量随含水率增大基本呈线性减小,存在一临界含水率,土样既不发生冻胀也不发生冻缩; 含水率相同时,冻胀量随压实度增大而增大,冻缩量随压实度增大而减小,同样存在一临界压实度,使得冻胀量为0。
图2 0%含盐量不同压实度冻胀量与含水率关系
图3 0.5%含盐量不同压实度冻胀量与含水率关系
图4 1%含盐量不同压实度冻胀量与含水率关系
图5 1.4%含盐量不同压实度冻胀量与含水率关系
图6 2%含盐量不同压实度冻胀量与含水率关系
图7 3%含盐量不同压实度冻胀量与含水率关系
0%含盐量下, 85%和90%压实度时,随着含水率增加曲线斜率先增大后减小, 22%(塑限)附近冻胀变化量最大; 90%压实度冻胀变化幅度较均匀; 92%、95%压实度时,塑限附近冻胀变化幅度较小,高含水率变化幅度较大; 且各压实度冻胀(缩)量在塑限处相差较小。
0.5%含盐量时,冻胀变化量随含水率增大先增大后减小,塑限附近变化最大。
1%含盐量时,各压实度曲线基本在塑限处存在一拐点,两侧基本呈线性变化,高含水率斜率大于低含水率斜率。1.4%含盐量,高含水率冻胀量变化幅度较大,低含水率变化幅度较小; 塑限处各压实度冻胀量接近。
2%含盐量,曲线波动较大,低压实度线性关系较好,高压实度较差,塑限处存在一拐点,斜率有先增大后减小的趋势。
3%含盐量,塑限附近存在一微小平台,该处冻胀量相对减小,两侧斜率接近。可见塑限对冻胀特性的特殊性影响。
3.2 压实度与盐分对起始冻胀含水率的影响
图8 不同含盐量起胀含水率与压实度关系
由图8 可以看出,起始冻胀含水率随着压实度的增大而线性减小。这是由于压实度较小时,土体中存在较大孔隙,使孔隙中的水有足够的冻结空间,弱结合水结冰后向孔隙移动,使颗粒间距离减小,宏观上表现为土体冻缩,随着初始含水率的增加,未冻水含量增加,使得孔隙没有足够的空间容纳冰的冻胀,弱结合水冻结挤压颗粒,宏观上表现为土体的冻胀; 当压实度较大时,土中孔隙较小,孔隙水和弱结合水冻结成冰后很快充满土体中的孔隙,并挤压颗粒,表现为土体冻胀,因此随着压实度的增大,起始冻胀含水率降低。
各含盐量下起胀含水率与压实度的拟合公式如下:
3%:
y=-0.3689x+55.893
R2=0.985
(2)
2%:
y=-0.4685x+64.531
R2=0.9986
(3)
1.4%:
y=-0.2783x+45.923
R2=0.9928
(4)
1%:
y=-0.3928x+59.79
R2=0.9893
(5)
0.5%:
y=-0.4705x+63.295
R2=0.991
(6)
0%:
y=-0.5364x+69.777
R2=0.9929
(7)
绘制各公式斜率的绝对值与含盐量关系曲线,(图9)。随着含盐量增大,起始冻胀含水率随压实度减小的幅度整体上呈现下降趋势。其中1.4%含盐量的土样为天然土样,由于存在盐分的迁移,造成该土样盐分的不均匀与富集,使得该点值较小。
图9 起胀含水率随压实度减小幅度与含盐量关系
图10 不同压实度起胀含水率与含盐量关系
不同压实度起胀含水率与含盐量关系(图10),起胀含水率随含盐量的增加整体增大,但影响不大,且随压实度的增加这种趋势越明显。说明盐分对冻胀有一定的抑制作用。原因是盐分使溶液的冰点降低,增加未冻水含量。
(8)
式中,ωP为塑限;ω0为起始冻胀含水量;c为压实度。
随着含盐量的不同,推算出α的范围为0.8528~0.9936(图11)。随着含盐量增加,α值整体呈增大趋势,使得起始冻胀含水率呈增大趋势。
图11 系数α值与含盐量关系
4 结 论
(1)相同含盐量条件下,土体随着含水率和压实度的增大首先发生冻缩,随后发生冻胀,即存在临界含水率和临界压实度使得冻胀量为零; 冻胀量随含水率和压实度的增大而增大,冻缩量随含水率和压实度的减小而增大,冻胀(缩)量与含水率基本呈线性关系。较大的压实度和较高的含水率利于冻胀。塑限对冻胀特性的影响特殊。
(2)起始冻胀含水率随着压实度的增大而线性减小,原因是压实度的提高使得土体变得密实,减小了未冻水冻胀的空间,因而较低的初始含水率即可发生冻胀。随着含盐量增大,起始冻胀含水率随压实度增大而减小的幅度整体上呈现下降趋势,原因是盐分降低溶液的冰点,增加未冻水含量,起到抑制冻胀的作用。
(3)起胀含水率随含盐量的增加整体增大,但这种影响较小,且随压实度的增加这种趋势越明显。
(4)通过实验可以看出塑限和压实度对起始冻胀含水率有影响,在前述公式的基础上提出一个新的经验公式:
式中,ωP为塑限;ω0为起始冻胀含水量;c为压实度。含盐量不同,α在0.8528~0.9936之间变化,随着含盐量增加,α值整体呈增大趋势,使得起始冻胀含水率亦呈增大趋势。
数日后,李叔和不但没听李老鬼的话,也说话不算数,在一个下着细雨的晚上,真把老梅睡了,老梅给他一张两千块钱的卡。事情开始的时候,李叔和只是想着发泄一下,并不愿跟老梅建立太深的感情。他和老梅上床的另一个原因,是在金石滩见到了付玉。
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JournalofEngineeringGeology工程地质学报 1004-9665/2016/24(5)- 0959- 08
INFLUENCE OF SALT AND COMPACTION ON CRITICAL WATER CONTENT OF FROST HEAVING OF SALINE SOIL
Frost heaving hazards of saline soil in seasonal region affect engineering quality. The change of water, density and salt influences the frost heaving characteristics of seasonal soil. By taking the saline soil from dry land in Nong’an County, Jilin province, frost heaving tests are conducted to examine the frost heaving regularity of saline soil with different water contents, compaction degrees and salt contents. Under different water contents, compaction degrees and salt contents, the changing rule of the critical water content of frost heaving of saline soil is analyzed. The research indicates that higher compaction degree and higher water content are in favor of frost heaving. In lower water content and lower compaction degree, shrinkage occurs. Shrinkage disappears and then expansion appears with the increase of water content and compaction degree. Frost heaving quantity and water content have a nearly linear relationship. Therefore, a critical water content of frost heaving exists. The critical water content decreases in a linear rule with the increase of compaction degree. But as the salt content increases, the critical water content rises generally. The influence of plastic limit and compaction degree on the critical water content of frost heaving can be fitted in a linear equation. The coefficient of the equation rises overall with the increase of salt content. On the basis of the formula summed up previously, a new parameter, compaction degree has been added, which provides reference and theoretical basis for the research of the frost heaving characteristics of seasonal saline soil in future.
Saline soil, Water content, Compaction degree, Salt content, Critical water content of frost heaving
10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.026
2016-05-27;
2016-09-05.
国家自然科学基金项目(41372267, 41430642)资助.
王宁(1992-),女,硕士生,主要从事盐渍土方面的研究. Email: 1208986821@qq.com
简介: 陈冶(1958-),男,博士,副教授,主要从事工程地质工作. Email: wangqing@jlu.edu.cn
TU448
A