上覆荷载对砾砂类硫酸盐渍土路基盐胀的影响

张莎莎，戴志仁，杨晓华，陈伟志

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043；3.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

粗颗粒盐渍土广泛分布于中国西北、亚洲西部及中部等地，是中国“一带一路”战略实施途经地区，更是中国基建外输的重要目的地。目前正在修建的德伊高速铁路，是中国政府“一带一路”战略重点关注的项目之一，德伊高铁全长约406 km，设计时速300 km·h-1、全线采用有砟及无砟轨道，90%为路基工程。该高速铁路途经地带均分布大量的粗颗粒盐渍土。根据现场施工情况，必须采用当地粗颗粒盐渍土作为路基填料。但是，盐渍土具有盐胀、溶陷及腐蚀3大工程特性，其中针对当地分布相对广泛的硫酸盐渍土而言，尤以盐胀为工程潜在危害之重，结合高速铁路对路基变形方面的严格要求，合理应用当地土料和合理设计路基结构形式成为本工程亟需解决的关键问题之一。

随着我国在西北粗粒盐渍土地区工程建设投入的逐年增大，学者针对粗粒盐渍土的研究也逐年增多。

吴青柏、孙涛等对粗粒硫酸盐渍土的盐胀特性进行了试验分析和讨论，结果表明粗颗粒土不具有强烈的盐胀性，但粗颗粒土体一旦形成硫酸盐聚集层后，遇外来水分，会发生突发的盐胀性，造成建筑的破坏[1]。罗炳芳、包卫星等学者针对公路工程中粗粒盐渍土的易溶盐含量试验方法进行的研究结果表明，现行试验方法测得的易溶盐含量比实际值偏大[2-3]。丁兆民、张莎莎等通过对盐胀5要素的调节，针对粗粒硫酸盐渍土路用填料的可用性进行了初步研究[4]。

张莎莎、杨晓华等选取甘肃有代表性的天然粗粒盐渍土分别进行了室内模拟季节交替和昼夜温差变化的多次冻融循环模型试验及有无附加荷载时的单次降温盐胀试验研究，从不同角度对天然粗粒盐渍土进行了盐胀规律分析[5]，并对经过多次冻融循环试验以后的天然盐渍土进行了水盐迁移及扫描电镜分析。同时，针对相同的工程模拟试验，对细粒盐渍土与粗粒盐渍土进行了微观特性的对比分析[6]。

程东幸、刘志伟等选择河西走廊西段典型粗粒盐渍土场地进行了浸水溶陷试验，分析了粗粒盐渍土浸水溶陷的本质特性，认为粗粒盐渍土除了含盐量、浸水量外，其粗粒含量、地基土渗透系数及密实性等都是影响其溶陷变形的主要因素[7]。

张莎莎、杨晓华采用天然粗粒盐渍土开展了大型冻融循环剪切试验，并进行了相关数值计算和现场调研，初步研究了冻融循环次数对天然粗粒盐渍土的强度影响。同时，开展了天然粗粒盐渍土的大型路堤模型试验研究，验证了罗炳芳、包卫星等学者提出的关于粗粒盐渍土易溶盐含量的测试方法[8-9]。程东幸等针对新疆准东地区粗颗粒盐渍土开展了室内大型剪切强度试验，提出提高粗颗粒盐渍土压实度可显著提高地基承载力[10]。

包卫星针对砂类盐渍土开展了其路用特性中的盐胀、融陷规律研究[11-12]。张莎莎、王永威等学者基于5 mm筛法的易溶盐配制方法，采用二次回归正交设计和SPSS逐步回归分析等手段，提出了砾类、砂类(亚)硫酸盐渍土盐胀率的简化预测模型和盐胀敏感因素[12-14]。

上述研究对明确粗颗粒盐渍土的工程特性具有较好的作用，但是针对上覆荷载对粗颗粒盐渍土盐胀规律的影响，依然缺乏较系统的试验验证和总结分析，其直接关系到将粗颗粒盐渍土作为路基填料时，合理路基结构设计要素的选取。本文基于以往研究成果，选取盐胀量相对较显著的粗粒硫酸盐渍土，通过常规盐胀试验、大尺寸模型试验等方法，研究不同上覆荷载对不同含盐量砾砂类硫酸盐渍土路基的盐胀规律。

1 试验土样基本工程性质

本文依托德伊高铁，但是由于该项目地处海外，大量运土料回国不太现实，所以结合德伊高铁项目路基填料特点(含盐量和颗粒级配特征)，同时为了较全面地研究砾砂类硫酸盐渍土在上覆荷载作用下的盐胀规律，并为其他类似工程提供技术参考，试验土样分别选取人工配制砾砂类硫酸盐渍土和天然砾砂类硫酸盐渍土。其中，由于细颗粒含量越多，相对盐胀量较大，所以在人工配制砾砂类硫酸盐渍土过程中，尽量按照砾砂土的标准，将土样中的细粒土含量扩大至最大范围；天然砾砂类硫酸盐渍土分别取自甘肃河西走廊地区和新疆克拉玛依地区。土试样的主要物理参数见表1，其基本物理性质试验根据《铁路路基设计规范》[15]和《铁路工程土工试验规程》[16]。天然土样的易溶盐含量试验采用过5 mm筛法[17]，试验结果见表2。人工配制试验土样中硫酸盐渍土的配制方法详见试验方案。

表1 砾砂类硫酸盐渍土基本物理参数

表2 天然砾砂类硫酸盐渍土易溶盐质量分数

2 试验方案

影响盐渍土盐胀的主要因素有土、水、盐、温度和力。根据甘肃河西走廊地区、新疆克拉玛依地区等干旱—半干旱地区的气象记录，并结合前期对硫酸盐渍土盐胀敏感温度区间的研究成果，对于盐渍土盐胀影响较强烈的10月至次年3月环境温度进行统计分析，其变化范围主要在20 ℃/25 ℃～-15 ℃/-20 ℃。在盐渍土地区的路基填筑过程中，由于现场地下水通常含有盐分，其施工用水相对较难完全按照规范法实施，导致路基填料中的水分和含盐量控制不严格。鉴于上述原因，本文在试验方案设计过程中，主要研究不同含盐量、不同含水率条件下砾砂类硫酸盐渍土在不同上覆荷载作用下的盐胀规律。

2.1 人工配制砾砂类硫酸盐渍土

为了明确上覆荷载对砾砂类硫酸盐渍土盐胀影响的基本规律，本部分试验主要分为常规盐胀试验和大尺寸盐胀试验2部分。其中，常规盐胀试验为初步掌握砾砂类硫酸盐渍土盐胀受上覆荷载影响的基本规律，其土样素土采用人工配制试验土样-1，盐分配制方案及其他试验因素见表3。试件为直径24.5 cm，高25 cm的圆柱体，将其置于内侧涂抹凡士林的有机玻璃筒中，试样配制好以后，将其置于DW-40型高低温试验箱(可控温度为-40～60 ℃，精度为1 ℃)，采用试件整体均匀降温：25 ℃→20 ℃→15 ℃→10 ℃→5 ℃→0 ℃→-5 ℃→-10 ℃→-15 ℃，每级降温完成后稳定1 h，记录数据，再进行下一级降温，最后一级温度降温稳定后再稳定6 h。试验实物如图1所示。

图1 常规盐胀试验

为了初步掌握由于温度梯度影响下砾砂类硫酸盐渍土路基在上覆荷载下的盐胀规律，第2部分大尺寸盐胀试验素土采用人工配制试验土样-2，试验土样盐分配制方案及其他试验因素见表4。试件为直径15 cm、高55 cm的圆柱体，试件置于内侧涂抹凡士林的大尺寸有机玻璃筒中。试验过程中，有机玻璃筒外围包裹保温膜，有机玻璃筒上、下盖为中空制冷头，分别与HC-2010型低温恒温槽连接。试验模拟路基温度分布特点，采用单次梯度降温，每级降温过程持续12 h，降温共历时84 h，具体降温程序见试验方案表4，试验实物如图2所示。2组人工配制试验土样盐分掺配均为易溶盐含量过5 mm筛法配制。

图2 大尺寸盐胀试验

试验编号含盐量/%含水率/%初始压实度/%上覆荷载/kPa10.816.492～930,0.65,2.21,3.77,4.4222.306.492～930,0.65,2.21,3.77,4.42

2.2 天然砾砂类硫酸盐渍土

为了掌握上覆荷载对盐胀影响的规律，同时明确砾砂类硫酸盐渍土路基填料盐胀特性，本部分试验分别取甘肃河西走廊地区某天然料场和新疆克拉玛依地区某天然料场的砾砂类硫酸盐渍土作为试验土样，采用大尺寸盐胀试验方法。试验方案分别见表5和表6。模拟路基温度分布特点，采用单次梯度降温，每级降温过程持续12 h，降温共历时84 h，具体降温程序见表5和表6。

表5 河西走廊地区天然盐渍土大尺寸盐胀试验方案

表6 克拉玛依地区天然盐渍土大尺寸盐胀试验方案

3 试验结果及分析

3.1 人工配制砾砂类硫酸盐渍土

在不同含盐量水平工况下，均匀降温环境中的砾砂类硫酸盐渍土(人工配制试样-1)随上覆荷载改变条件下的盐胀率变形曲线如图3所示。

图3 盐胀率随上覆荷载变化曲线

从图3可以看出：在上覆荷载的作用下，不同含盐量条件下砾砂类硫酸盐渍土的盐胀率均随上覆荷载的增加而减小，且减小幅度较大；上覆荷载对低含盐量水平的砾砂类硫酸盐渍土盐胀率的抑制效果强于高含盐量水平下。

高含水率工况下，梯度降温环境中的砾砂类硫酸盐渍土(人工配制试样-2)盐胀率随上覆荷载、含盐量及初始干密变化的曲线如图4所示。低含水率工况下，梯度降温环境中的砾砂类硫酸盐渍土(人工配制试样-2)盐胀率随上覆荷载、含盐量及初始干密变化而变化的曲线如图5所示。

从图4可以看出：在含水率大于最佳含水率工况下，随着含盐量、上覆荷载和初始干密度的逐渐增大，盐胀率呈现先增大后减小的趋势。在上覆荷载24.46 kPa以内，含盐量从0.4%增大到1.5%，随着上覆荷载逐渐增加，盐胀率主要表现为增大趋势，在这个范围内，含盐量对盐胀的促进作用较显著；当上覆荷载超过24.46 kPa以后，含盐量即使增大到2.2%，盐胀率却表现出减小趋势，此时的初始干密度为2.12 g·cm-3(96%的压实度)，根据前期研究成果可知，初始压实度与盐胀率呈正相关，即使在较大的压实度条件下，盐胀率依然减小。

图4 高含水率工况下盐胀率随上覆荷载等因素变化曲线

图5 低含水率工况下盐胀率随上覆荷载等因素变化曲线

从图5可以看出：在含水率小于最佳含水率工况下，随着含盐量、上覆荷载和初始干密度的逐渐增大，盐胀率依然呈现先增大后减小的趋势。当上覆荷载从24.46 kPa增加到32.95 kPa，含盐量从6.0%增加到6.7%时，盐胀率增加了62%；当上覆荷载从32.95 kPa增加到38.61 kPa，含盐量从6.7%增加到7.5%时，盐胀率减小了72%，当含盐量达到9.0%，上覆荷载为49.93 kPa时，盐胀率依然呈现减小趋势，最终盐胀率仅0.04%。

图4和图5均表现出随着含盐量、上覆荷载和初始干密度的逐渐增大，盐胀率呈现先增大后减小的趋势。根据已有研究成果[12]，单因素中的含盐量、初始干密度均对盐胀具有促进作用，而含水率对盐胀的作用效果可按照参考文献[13]定义的调节因素确定， 低含水率水平有益于砾砂类硫酸盐渍土的工程应用，因为土中的硫酸钠在起初温度降低的过程中开始吸水结晶，到一定程度后，土中的自由水已不能满足硫酸钠结晶所需要的水分，这就导致结晶停止，盐胀不再继续。这就是为什么在某些干旱及半干旱地区可以直接用粗颗粒硫酸盐盐渍土作为路基填料的原因。从图中也可知，含盐量的增加，对于各个水平的盐胀量都有一定的促进作用，但是随着上覆荷载的增加及含水率的减小，这个促进作用已不明显，且上覆荷载的增加对于盐胀量的影响作用较大。在严格控制含水率的工况下，当上覆荷载超过24.46～38.61 kPa以后，上覆荷载对盐胀的抑制作用在盐胀5要素中起主导作用。

3.2 天然砾砂类硫酸盐渍土

最佳含水率工况、梯度降温环境中，河西走廊地区某天然料场砾砂类硫酸盐渍土在无上覆荷载和上覆荷载50 kPa条件下盐胀率在不同降温区间的变化曲线如图6所示。最佳含水率工况、梯度降温环境中，克拉玛依地区某天然料场砾砂类硫酸盐渍土在无上覆荷载和上覆荷载50 kPa条件下盐胀率在不同降温区间的变化曲线如图7所示。

图6 最佳含水率时河西走廊地区天然盐渍土盐胀规律

图7 最佳含水率时克拉玛依地区天然盐渍土盐胀规律

从图6和图7可以看出：在最佳含水率和标准压实度条件下，上覆荷载50 kPa对2个地区的天然砾砂类硫酸盐渍土盐胀量的抑制作用均在85%以上。

在标准压实度条件下，克拉玛依地区某天然料场砾砂类硫酸盐渍土在无上覆荷载和上覆荷载50 kPa工况下，不同含水率时的盐胀率在不同降温区间变化曲线分别如图8—图10所示，最大盐胀率随含水率的变化如图11所示。

图8 含水率4.5%时克拉玛依地区天然盐渍土盐胀规律

图9 含水率5.5%时克拉玛依地区天然盐渍土盐胀规律

图10 含水率7.5%时克拉玛依地区天然盐渍土盐胀规律

图11 不同含水率时克拉玛依地区天然盐渍土盐胀规律

从图8至图10可知：在标准压实度条件下，不同含水率水平影响中上覆荷载50 kPa对天然砾砂类硫酸盐渍土盐胀量的抑制作用亦在85%以上。

从图11可知：上覆荷载50 kPa对较高含水率水平下的砾砂类硫酸盐渍土的盐胀抑制作用依然较强。无上覆荷载作用时，随着含水率从低于最佳含水率到高于最佳含水率，盐胀率增加近1倍；上覆荷载50 kPa作用时，随着含水率从低于最佳含水率到高于最佳含水率，盐胀率仅增加0.5倍。从而可知，上覆荷载50 kPa对天然砾砂类硫酸盐渍土在高含水率水平下的盐胀抑制作用也较强，并且可以明显减小随含水率增大时的盐胀增长率。

4 结 论

(1)在上覆荷载的作用下，不同含盐量砾砂类硫酸盐渍土的盐胀率均随上覆荷载的增加而减小，且减小幅度较大；上覆荷载对低含盐量砾砂类硫酸盐渍土的抑制效果强于高含盐量砾砂类硫酸盐渍土。

(2)含盐量的增加，对于不同盐胀量都有一定的促进作用，但是随着上覆荷载的增加及含水率的减小，这个促进作用已不明显，且上覆荷载的增加对于盐胀量的影响作用较大。在严格控制含水率的工况下，当上覆荷载超过24.46～38.61 kPa以后，上覆荷载对盐胀的抑制作用在盐胀5要素中起主导作用。

(3)在标准压实度条件下，不同含水率水平下上覆荷载50 kPa对天然砾砂类硫酸盐渍土盐胀量的抑制作用超过85%；上覆荷载50 kPa对天然砾砂类硫酸盐渍土在高含水率水平下的盐胀抑制作用也较强，并且可以明显减小随含水率增大的盐胀增长率。

(4)上覆荷载对砾砂类硫酸盐渍土的盐胀抑制作用较强，在进行路基结构型式设计时，可参考上述研究成果针对实际填料进行试验验证，从而确定上部结构设计因素。