罗布泊地区天然硫酸盐渍土融沉量试验研究

周冬梅，张远芳，潘 蕾

(1.新疆中地岩土工程勘察设计院(有限责任公司)， 新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052)

罗布泊地区天然硫酸盐渍土融沉量试验研究

周冬梅1，张远芳2，潘 蕾2

(1.新疆中地岩土工程勘察设计院(有限责任公司)， 新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052)

为研究该地区硫酸盐渍土融沉量的影响因素，在对罗布泊地区S235公路沿线勘察调研的基础上，通过模拟土体在自然环境下的温度条件变化的方法，对该地区天然硫酸盐渍土进行冻融循环试验研究。试验结果表明：天然硫酸盐渍土的融沉量与冻融循环次数呈二次函数的关系；各周期的融沉量随含水率的增大而增大；融沉量对含水率的变化有较强的敏感性，对干密度的变化敏感度相对较低。

天然硫酸盐渍土；融沉量；含水率；干密度

盐渍土是指含盐量达到一定数量的盐、碱化土的总称，其三相组成除固、液、气外还存在固—液相可相互转化的易溶盐成分[1]，且易溶盐组成成分及含量复杂多变，导致天然盐渍土具有极其特殊的物理、化学和工程特性。Blaser H P等[2]最早对盐渍土的盐胀进行了研究，认为Na2SO4吸水结晶是盐渍土发生盐胀的主要原因；近年来我国学者在全国开展并研究了含水率、含盐量、冻融次数和干密度等因素对盐渍土工程特性的影响及作用[3-5]，文桃等[6]通过击实试验研究了硫酸盐渍土击实性能的影响因素，牛玺荣等[7]建立了盐胀与冻胀对硫酸盐渍土的体积变化关系式；孙勇等[8]通过冻融循环对罗布泊天然盐渍土的强度变化进行研究；王海涛等[9]研究了盐渍土含盐量与电导率及稠度指标的关系；黄雪峰等[10]对盐渍土的盐胀特性和水热状态变化特征进行了试验研究；张洪萍等[11]对盐渍土的溶陷特性进行了试验分析；刘贺业等[12]分析了温度对罗布泊地区硫酸盐岩路基的盐胀影响。在建筑地基基础设计规范和公路桥涵地基与基础设计规范中[13-14]，盐渍土作为一种工程性质极其不良的特殊土体被给予了较高的设计要求，且天然盐渍土在我国特别是西部地区分布十分广泛，故对区域性天然盐渍土的工程特性研究具有广泛的前景和重要的工程实际意义。

1 试验方案

1.1 试验土体及制备

土样取自罗布泊地区省道S235沿线的天然盐渍土，选取土体深度1.0 m处取样作为研究土体，其基本参数如表1所示，主要易溶盐离子含量如表2所示，经试验结果测试分析，该土为含砂细粒硫酸盐渍土。

表1 试验土样基本参数

表2 试验土样主要易溶盐离子含量(%)

1.2 试验方案

将具有一定含水率且搅拌均匀的土体于密封袋内闷样，采用常规室内击实法分层击实制备[15]。为模拟罗布泊地区温度变化范围，将土样置于-20℃的恒温箱中24 h模拟冬季寒冷环境；恒定温度20℃模拟春夏季温度环境。试验土样容器采用8 cm×8 cm×5 cm的金属盒，为消除边界效应的影响，在金属盒内壁涂抹凡士林以减小摩擦力。试验设计7次冻融循环周期，单次冻融循环周期为将土体于±20℃环境中各放置24 h。为探究含水率和干密度对融沉量的影响，设定试验参数分别为干密度1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3，含水率10%、13%、16%，试验分组如表3所示。

表3 试验分组

2 试验结果分析

2.1 含水率对天然硫酸盐渍土融沉量影响

不同含水率条件下天然硫酸盐渍土各周期融沉量如图1、图2和图3所示。

图1 干密度1.5 g/cm3的各周期融沉量曲线

图2干密度1.6 g/cm3的各周期融沉量曲线

图3干密度1.7 g/cm3的各周期融沉量曲线

硫酸盐渍土的融沉作用主要由两个因素导致，即冰晶体的融化和盐结晶体的溶解。 随外界温度的上升， 土体内部已被冻结成固态的冰晶体融化成液态自由水，导致土体孔隙结构大幅增加，土体内部产生架空结构稳定性减弱，土体骨架发生失稳塌落引起土体融沉；同时盐渍土中的易溶盐成分(主要为Na2SO4)的溶解度随温度升高呈数十倍大幅增加，吸水结晶后的Na2SO4·10H2O溶解于融化后新产生的自由水，促进了大孔隙结构的形成引起土体失稳融沉；二者的叠加作用决定了天然硫酸盐渍土土体融沉量的大小及变化情况。

如图1、图2、图3所示随含水率增加，硫酸盐渍土各冻融循环周期的融沉量随之增大，各曲线之间分离度较大，可知含水率的增加对天然硫酸盐渍土的融沉量有显著的增益效果。随含水率的增加，融化的冰晶体增多，且随冰晶体的融化溶解于液态水中的盐结晶体数量增加，导致硫酸盐渍土的融沉量随含水率的增加有显著的增大现象。

2.2 干密度对天然硫酸盐渍土融沉量影响

不同干密度条件下天然硫酸盐渍土各周期融沉量如图4、图5和图6所示。

图4 含水率10%的各周期融沉量曲线

图5 含水率13%的各周期融沉量曲线

图6含水率16%的各周期融沉量曲线

干密度代表土体的密实程度，反映了土体孔隙结构组成及粒间摩擦力、咬合力等的作用大小，同时干密度不仅会影响土体的初始孔隙结构组成，还会对冻融循环过程中土体骨架结构的受力及变化情况产生后续影响。

分析图4、图5、图6发现，在相同含水率条件下，不同初始干密度的融沉量曲线间距很小，部分区域呈紧密贴合或交叉状态。由此可知干密度对天然硫酸盐渍土的融沉量具有一定的影响但相对较小，相比含水率作用效果，融沉量对干密度变化的敏感性较低。

同时观察发现在不同含水率分组下，土体干密度为1.6 g/cm3的融沉量曲线整体处于最上方，即罗布泊地区天然硫酸盐渍土在干密度为1.6 g/cm3时有较大的融沉量。这是由于干密度的大小决定了土体内部孔隙的大小及组成方式，在冻融循环过程中，冰晶体和吸水后析出的Na2SO4·10H2O结晶体在改变土体孔隙结构上的作用效果发生改变；当干密度为1.6 g/cm3时土体骨架结构相对较易遭到冰晶体及盐结晶体的破坏，当温度上升时，冰晶体的消融作用和盐结晶体的溶解作用导致其融沉量相对较大。

2.3 天然硫酸盐渍土峰值融沉量影响

观察图1～图6发现，试验硫酸盐渍土样的最大融沉量都发生在第三次冻融循环周期，说 明在前两次冻融循环作用下，冻胀作用与盐胀作用严重损害了土体骨架结构的稳定性；进行第三次冻融循环时土体中大孔隙数量增多，随着温度的上升，冰晶体融化与盐结晶体的溶解导致土体融沉量产生最大值。

如图7所示为干密度分组下含水率与融沉量峰值关系曲线，分析曲线发现随含水率的等量增加，各干密度分组下的融沉量峰值近似呈线性增加。如图8所示含水率分组下的干密度与融沉量峰值呈二次函数关系，当干密度为1.6 g/cm3时土体融沉量峰值达到最大值。对比图7、图8中的关系曲线，易知融沉量峰值对含水率变化的敏感性远大于对干密度变化的敏感性，相互验证了上文所述中融沉量的敏感性分析。

图7 干密度分组下含水率与融沉量峰值曲线

图8含水率分组下干密度与融沉量曲线

3 结 语

(1) 罗布泊地区天然硫酸盐渍土的融沉量与冻融循环次数近似呈二次函数关系，由于在冻融循环作用下土体结构性达到临界点，融沉量峰值发生在第三次冻融循环周期。

(2) 随含水率的增加，融化的冰晶体增多，硫酸盐渍土的融沉量随含水率的增大而增大，且其峰值大小与含水率近似呈线性关系。

(3) 硫酸盐渍土的融沉量对含水率的变化有较强的敏感性，对干密度的变化敏感性相对较低。

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[15] 公路土工试验规程：JTG E40—2007[S].北京:人民交通出版社,2007.

ThawingSettlementAmountofLopNur’sNaturalSulphateSalineSoil

ZHOU Dongmei1, ZHANG Yuanfang2, PAN Lei2

(1.XinjiangZhongdiGeotechnicalEngineeringInvestigationandDesigningInstituteCo.,Ltd.,Urumqi,Xinjiang830000,China; 2.CollegeofHydraulicandCivilEngineeringofXinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China)

In order to analyze the influence factors of the thawing settlement amount of natural sulphate saline soil, on the bases of the survey and research for the Lop Nur’s S235 road, the freeze-thaw tests of natural sulphate saline soil in this area was carried out to simulated the temperature conditions of the natural environment. The results indicate that the quadratic function relationship between the thawing settlement amount of natural sulphate saline soil and freeze-thaw times; Each cycle’s thawing settlement amount will be larger when the soil water content increasing; The thawing settlement amount’s sensitivity for the change of the soil water content is stronger than the change of the soil dry density.

naturalsulphatesalinesoil;thawingsettlementamount;watercontent;drydensity

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.016

2017-05-30

2017-07-01

国家自然科学基金项目“冻融循环条件下盐渍土工程特性研究”(41262012)

周冬梅(1988—)，女，新疆乌鲁木齐人，工程师，主要从事岩土工程方面的工作。E-mail：509676191@qq.com

张远芳(1963—)，女，江苏无锡人，教授，主要从事岩土方向的教学与科研工作。E-mail：610107064@qq.com

TU411

A

1672—1144(2017)06—0081—03