循环振动荷载下氯盐渍土的溶陷特性

蒋坪临，张建新，王楚楚，岳晓鹏

1) 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100038；2)天津城建大学土木工程学院，天津 300384； 3)天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384

渤海沿海地区广泛分布有盐渍土，该区域修筑的各等级公路，由于长期交通荷载以及降雨等因素的作用，盐渍土路基中含水率和含盐量等发生改变，使其呈现出不同于一般静载作用下的溶陷性状，严重影响道路的正常使用.

盐渍土病害治理的成功与否，是建立在对其工程性质准确分析和研究基础上[1]. 柴寿喜等[2-3]研究了渤海湾西岸滨海盐渍土盐渍化特征，分析盐胀及溶陷等工程地质问题，提出了加筋改性固化方法；张琦等[4-7]通过系列室内试验，对静载作用下盐渍土的溶陷特性做了大量研究；李星星等[8-9]探究了粗颗粒盐渍土的溶陷和盐胀特性；毛小平等[10-11]研究了交通荷载作用下地基的变形影响及产生原因，并提出了改进方案；张咸恭等[12]论证了地下水对工程地质的重要性及其产生的原因；YANG等[13]通过研究软土路基上的高速铁路、公路地基土在交通荷载作用下表现出来的工程特性，分析了线路运行的寿命和成本等问题.

目前，中国对氯盐渍土溶陷特性研究较少，且盐渍土工程性质具有很大的地域性和区域性，关于滨海盐渍土的研究仅局限于改性技术方面，对实际工况缺乏深入分析，导致盐渍土处理技术具有一定盲目性[14-16]. 路基长期处于含水率、含盐量及循环往复荷载等多因素耦合作用，本研究选取天津滨海新区氯盐渍土为研究对象，通过室内溶陷实验和循环振动实验，分析了盐渍土溶陷系数的变化规律，基于耦合溶陷敏感因子进行了多元线性回归分析，研究了多因素耦合作用下氯盐渍土的溶陷特性.

1 实验设计

根据《岩土工程勘察规范》[17]判定，本实验用土为氯盐渍土. 土料的颗粒级配曲线如图1所示．按规范相关规定进行击实试验，测得土样的最优含水率为21.2%，最大干密度为1.73 g/cm3，据此指标制备实验用试样.

图1 土料颗粒级配曲线Fig.1 The soil particle size distribution curve

1.1 实验仪器

常规溶陷实验在三联中压固结仪中进行，考虑到此仪器竖向排水较为不便，该次实验对仪器进行改装，如图2所示. 改进后的固结仪，加压上盖和底板均带若干直径一致的小孔，通过控制阀调节固结盒内水量的供给，挡板可维持液面水平，同时底板的孔洞可保证水的竖向排出，能较好地实现试样的浸水溶滤，使盐分充分溶解，测定不同轴压下土样竖向变形量.

图2 溶陷实验装置示意图Fig.2 The collapsibility test device

为模拟实际交通荷载作用，采用空心圆柱扭剪仪循环加载模块. 该仪器可独立控制轴向力、轴向/径向位移和围压等，实现等向/偏向固结；同时，其加载波形有正弦波、三角波和用户自定义等波形，能实现循环往复加载条件.

1.2 实验方案

采用压缩实验双线法，分别做静载条件下和循环荷载作用下的溶陷实验. 静载作用下溶陷实验试样组号如表1所示. 其中，w(H2O)和w(盐)分别为土样中水和盐的质量分数(含水率和含盐量)；ρd为土样的干密度.

表1 溶陷实验试样分组

静载作用下的溶陷实验试样按如下工艺制备．先按目标含水量添加无离子水，充分拌和，置入塑料袋内润湿12 h，再采用控制密度法单层击实，环刀取样，试样尺寸D×H=60 mm×20 mm.循环振动实验试样采用同样工艺制备，试样尺寸D×H=70 mm×140 mm，循环荷载作用后，用环刀取样做溶陷实验，试样组号如表2所示. 其中，N为循环加载次数.

表2 循环振动实验试样分组

各试样中不同浓度的含盐量均按照滨海新区易溶性盐粒子含量配制. 循环振动实验采用围压为50 kPa，循环实验前进先行时长2 h的等压固结，循环荷载幅值均选定为50 kPa，频率1 Hz，半正弦波[18-19]加载方式.

2 循环振动荷载作用下氯盐渍土的溶陷规律

2.1 不同循环次数下盐渍土的溶陷

基于GCTS循环振动实验，采用组号3、8、9、10、11和12六组试样研究不同循环次数下盐渍土的溶陷特性. 不同循环次数下，氯盐渍土溶陷系数随溶陷荷载的变化曲线如图3所示. 不同循环次数下，随荷载的增大，溶陷系数表现为先增大后小幅度减小，存在峰值溶陷系数；循环次数越多，同级荷载下的溶陷系数越小，试样的溶陷性越小.

图3 不同循环次数下溶陷系数与荷载关系曲线Fig.3 Collapsibility coefficient versus the load in different cycles

氯盐渍土在不同溶陷荷载下溶陷系数与循环次数的关系曲线如图4所示. 各级荷载下的溶陷系数均随循环次数的增加而不断减小，且呈现上陡下缓的减小趋势，荷载越大，溶陷系数的变化量越大. 表明同级荷载作用下，循环次数的增加可以减小盐渍土的溶陷变形，但随着循环次数的增加，这种减小程度削弱. 同时，相同次数的循环荷载作用下，荷载越大，盐渍土的溶陷程度越大.

图4 不同荷载下溶陷系数与循环次数关系曲线Fig.4 Collapsibility coefficient versus cyclic times in different load

2.2 不同初始含水率下盐渍土的溶陷

采用组号10、13、14和15四组试样探究一定循环次数下，不同初始含水率对盐渍土溶陷特性的影响. 不同初始含水率下，溶陷系数与溶陷荷载的关系曲线如图5所示.

由图5可知，溶陷系数随荷载的增大而增大，当超过一定压力后，存在小幅度减小，在相同荷载作用下，溶陷系数随初始含水率的增加而减小，即初始含水率越大，盐渍土的溶陷性越小.

图5 不同初始含水率下溶陷系数与荷载关系曲线Fig.5 Collapsibility coefficient versus the load in different initial moisture content

经过4 000次循环振动荷载作用后，溶陷系数与初始含水率的关系曲线如图6所示. 当荷载为50、100和400 kPa时，曲线近似呈现自上而下的直线，荷载为200和300 kPa时曲线上凸. 在盐分开始溶解和溶解结束阶段，盐渍土溶陷的敏感性较弱，随着浸水时间增长，溶解速度加快，溶陷敏感性增强.

图6 不同荷载下溶陷系数与初始含水率关系曲线Fig.6 Collapsibility coefficient versus initial moisture content in different load

2.3 不同含盐量下盐渍土的溶陷

采用组号10、16、17和18四组试样探究一定循环次数下，不同含盐量对盐渍土溶陷特性的影响. 不同含盐量下，溶陷系数与溶陷荷载的关系曲线如图7所示. 不同含盐量下，溶陷系数随荷载的增大先显著增大后逐渐平稳，含盐量较低时，存在峰值溶陷系数，当超过一定含盐量，峰值溶陷系数表现不明显.

图7 不同含盐量下溶陷系数与荷载关系曲线Fig.7 Collapsibility coefficient versus the load in different salt content

不同荷载作用下，氯盐渍土溶陷系数随含盐量的变化曲线如图8所示. 可以看出溶陷系数随着含盐量的增加而增加，氯盐渍土溶陷系数对盐分的敏感性与对初始含水率相似，在盐分开始溶解和溶解结束阶段，溶陷的敏感性弱，而在中间阶段随着浸水时间的延长，敏感性加强.

图8 不同荷载下溶陷系数与含盐量关系曲线Fig.8 Collapsibility coefficient versus salt content in different load

3 基于耦合溶陷敏感因子的溶陷特性分析

3.1 耦合溶陷敏感因子的建立

氯盐渍土三相组成中的固相除土颗粒外，还含有氯盐颗粒，液相为盐水溶液，一般情况下，土颗粒中的盐水溶液和易溶盐之间表现为随外界温度、降雨和荷载等因素变化的动态平衡，此种动态平衡是盐渍土溶陷产生的根本原因. 当讨论单一变量对土体溶陷性影响时，溶陷系数或溶陷量可直观描述其影响程度，但大多数时候盐渍土路基所承受的为循环次数、初始含水率、含盐量和荷载等多因素的耦合作用，为更好地反映耦合作用对溶陷性的影响，现引入可描述耦合作用对土体溶陷性影响的耦合溶陷敏感因子Φc(coupling collapsibility sensitive factor).

设定δ0为某一级荷载作用下土样固结稳定后的溶陷系数，δa,b为一定循环次数后，因素a和b耦合作用时同级荷载下土样固结稳定后的溶陷系数．则δ0和δa,b分别反映某一级荷载作用时，土体初始溶陷特性和耦合作用后的溶陷特性. 并设定δ0和δa,b差的绝对值Δδc为耦合溶陷参数，则Δδc反映耦合作用对土体溶陷特性的影响量.

Δδc=|δ0-δa,b|

(1)

当Δδc越大，表示溶陷系数变化越多，则该耦合作用对土体的溶陷影响越大.

定义耦合溶陷敏感因子Φc为耦合溶陷参数Δδc与初始溶陷系数δ0的比值，即

(2)

土体溶陷是外因和内因共同作用的结果，耦合溶陷敏感因子Φc充分反映了耦合作用对土体初始溶陷特性的影响程度.Φc越大，表明此种耦合作用对土体溶陷性影响越大，土体溶陷越敏感，耦合作用产生的效应越大.

3.2 耦合溶陷敏感因子的变化规律

为更好地分析多因素耦合作用对氯盐渍土的溶陷特性的影响，基于前述实验结果，本研究对不同耦合状态下耦合溶陷敏感因子的变化规律进行分析.

3.2.1 溶陷荷载与循环次数藕合分析

不同溶陷荷载作用下，耦合溶陷敏感因子与循环次数的关系曲线如图9所示.

图9 耦合溶陷敏感因子与循环次数关系曲线Fig.9 Coupling collapsibility sensitive factor versus cycles

曲线采用高斯拟合，相关系数可达0.99以上，具有较好的相关性. 各级荷载下，Φc随循环次数的增加呈现下陡上缓的增长趋势，相同循环次数下，Φc随荷载的增大而减小，盐渍土溶陷敏感性减弱. 分析认为，一方面循环次数的增加，使土颗粒产生滑动重新排列形成新的结构，土体变得密实，孔隙率减小，土骨架承受能力加强，耦合溶陷参数Δδc增大，溶陷敏感性增强；另一方面随着荷载的增大，土颗粒相对滑动位移增大，单位土体内土颗粒数量增加，土体向紧密程度发展，使土体孔隙不断减小.当荷载足够大时，试样孔隙率的减小速度十分缓慢，此时土体可近似视为固相土颗粒和液相的二相系，而溶陷源于孔隙的减小，因此荷载越大，溶陷敏感性反而变得越弱.

3.2.2 溶陷荷载与初始含水率的藕合分析

耦合溶陷敏感因子与初始含水率之间的关系曲线如图10所示. 一定循环次数下，耦合溶陷敏感因子与初始含水率的关系曲线受荷载影响较大. 同级荷载作用下，随初始含水率的增大，Φc不断增大，荷载越大，增幅越小；当初始含水率小于19%时，相同含水率下，耦合溶陷敏感因子随荷载的增大而增大，但在大于19%时，耦合溶陷敏感因子随荷载的增大而减小.

图10 耦合溶陷敏感因子与初始含水率关系曲线Fig.10 Coupling collapsibility sensitive factor versus initial moisture content

这是由于一方面，在相同含盐量条件下，盐渍土初始含水率的增大使试样中结晶盐的数量减小，土颗粒亲水性减弱，导致水的表面张力和湿吸力降低，同时使颗粒表面吸附水膜的厚度增大，使土体的胶结强度降低，可变性增强；另一方面，在一定初始含水率范围内，土体中易溶盐颗粒含量一定，随着荷载的增大，土体的压缩变形增大，加之浸水时间的进一步增长，使易溶性盐颗粒溶解量不断增大，盐渍土的溶陷敏感性增强，Φc增大，荷载表现出促进溶陷的特性；随着初始含水率的增大，土体中易溶性盐含量相对减小，荷载对溶陷的促进作用减缓，当超过一定范围时，其作用小于初始含水率变化产生的溶陷变化，耦合溶陷敏感因子即呈现出随荷载增大反而减小的特点.

3.2.3 溶陷荷载与含盐量的藕合分析

不同溶陷荷载作用下耦合溶陷敏感因子与含盐量的关系曲线如图11所示.同级荷载作用下，随着含盐量的增加，耦合溶陷敏感因子Φc随含盐量的增大表现为先增后减；荷载越大，Φc越小，表明荷载和含盐量耦合作用时，荷载具有减小土体溶陷的特性.

图11 耦合溶陷敏感因子与含盐量关系曲线Fig.11 Coupling collapsibility sensitive factor versus salt content

分析认为，界限含盐量的存在表明盐渍土具有一定的抵抗侵蚀的能力，在该范围内，溶陷敏感性随着含盐量的增大而增强，Φc增大；随着含盐量的进一步增大，试样中孔隙水离子浓度增大，由于吸附能力不同，土颗粒扩散层中阳离子发生更替，使双电层中高价离子浓度增大，扩散层变薄，颗粒表面吸附的结合水膜厚度减小，颗粒间发生相对位移的阻力增大，溶陷敏感性减弱，Φc减小；荷载越大，水分浸入试样的时间越长，土中易溶盐的溶解速度越慢，孔隙率减小得越慢，由含盐量不同引起的溶陷差异逐渐减小，溶陷敏感性减弱，Φc随之越小.

3.3 基于耦合溶陷敏感因子的多元线性回归及分析

设耦合溶陷敏感因子与循环次数、初始含水率、含盐量和溶陷荷载的多元线性回归模型为

Φc=b0+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4

(3)

其中，x1为循环次数(单位：千次)；x2为初始含水率(%)；x3为含盐量 (%)；x4为溶陷荷载(50 kPa)；b1、b2、b3和b4分别为循环次数、初始含水率、含盐量和50 kPa荷载增量对耦合溶陷敏感因子的贡献.分析表明，耦合溶陷敏感因子的回归方程为

Φc= -0.24+0.03x1+0.017x2-

0.001x3-0.011x4

(4)

就平均值而言，循环次数每增加1 000次，耦合溶陷敏感因子增加0.03，初始含水率和含盐量每增加1%，耦合溶陷敏感因子分别变化0.017和0.001，荷载每增加50 kPa，耦合溶陷敏感因子则减小0.011，这说明循环次数对耦合溶陷敏感因子的贡献最大，初始含水率和荷载贡献相当，含盐量贡献最低.

4 结 论

本研究基于影响盐渍土溶陷特性的主要因素，引入一个可量化土体溶陷发生的内因和外因耦合作用的参数——耦合溶陷敏感因子Φc， 对其进行多元线性回归分析，研究了循环振动荷载作用下循环次数、初始含水率及含盐量与外部荷载耦合作用对氯盐渍土溶陷特性的影响规律，可知：

1)不同循环次数下，氯盐渍土的溶陷系数随荷载的增加而增大，初始阶段增速较大，后小幅度减小；一定循环次数后，随初始含水率的增加而减小；随含盐量的增大而增大.

2)耦合溶陷敏感因子Φc随循环次数呈现下陡上缓的增长趋势，相同循环次数下，Φc随荷载的增大而减小；Φc与含水率的关系曲线受荷载影响较大，Φc随初始含水率的增大而不断增大，荷载越大，增幅越小；Φc随含盐量的增大表现为先增大后减小，荷载越大，Φc越小，溶陷敏感性越弱.

3)通过对耦合溶陷敏感因子与循环次数、初始含水率、含盐量和荷载关系的多元线性回归分析认为，循环次数对耦合溶陷敏感因子的贡献最大，初始含水率和荷载贡献相当，含盐量贡献最低.

引文：蒋坪临，张建新，王楚楚，等．循环振动荷载下氯盐渍土的溶陷特性[J]. 深圳大学学报理工版，2018，35(1)：62-69.

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