伊朗德伊高速铁路亚硫酸盐渍土盐胀特性试验研究

2019-11-11杨青山吴亚平于天佑蒲增刚唐科行王茂靖

铁道建筑 2019年10期

杨青山，吴亚平，于天佑，蒲增刚，唐科行，王茂靖

（1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610000）

盐渍土是指含盐量大于或等于0.3%且小于20%，具有溶陷或盐胀等工程特性的土。公路和一般铁路路基的标准较低，盐渍土在温度、湿度的影响下产生的病害对线路的平顺性及行车安全影响较小。而高速铁路路基的标准较高，若路基填料处理不当，盐渍土产生的盐胀和溶陷会在路基上产生挤出变形、塌陷等病害［1］，对行车安全影响较大。特别是伊朗德伊（德黑兰—伊斯法罕）高速铁路沿线含有大量不同类型的盐渍土，为了减少路基填筑后病害的发生，研究该高速铁路沿线盐渍土盐胀具有重要意义。

目前国内外对盐渍土的盐胀和溶陷进行了较为系统的研究。高民欢等［2］研究了起胀温度、降温速率、成型温度对盐胀规律的影响，同时分析了含盐类型、含水量对盐胀的影响。邓友生等［3］利用CT 扫描不同土的类型、盐的类型、含盐量的室内冻结样品，发现土的类型和含盐量是决定土样盐胀的主要因素。任秀玲等［4］研究盐渍土盐胀的机理及影响因素，分析了盐胀危害的防治方法并介绍了研究现状。杨保存等［5］研究得出年度盐胀变形量要考虑氯化钠盐的影响。王洪杰等［6］研究氯盐含量超过8%的超氯盐渍土作为路基填料的可能性及其适用条件，发现在干旱气候条件下利用超氯盐渍土作为路基填料是可行的。李宁远等［7］通过常规化学分析和X 射线衍射分析来确定盐渍土的主要含盐成分，分析了硫酸盐渍土的膨胀原因和膨胀过程，初步研究了氯盐渍土消减硫酸盐渍土膨胀的途径。陈冉［8］对盐分不均匀分布的硫酸盐渍土进行了盐胀高低温循环试验，提出上隔下疏型路基结构可减轻硫酸盐渍土盐胀变形对道路工程的影响。

目前国内外对盐渍土盐胀的研究主要针对硫酸盐类盐渍土以及细粒类土对盐胀的影响，而对粗粒盐渍土、亚硫酸盐对盐渍土盐胀的影响研究较少。在德伊高速铁路沿线，大部分盐渍土的含盐类型为硫酸盐与氯盐共存，部分地区粗颗粒土的盐胀系数一直没有确定。因此，通过室内试验模拟当地气温，研究含盐量对亚硫酸盐渍土盐胀特性的影响，并为确定当地盐渍土盐胀系数提供参考。

1 盐渍土盐胀试验

1.1 试验装置

选择GDJS-150 冷热交变试验箱来模拟土壤在温度交替下的变化。通过在测定箱外添加锡纸泡沫保温层，使试验效果达到竖向一维，在测定箱内壁均匀涂抹凡士林以减小摩擦。将土体分层压实埋设，使试验中土体的压实系数一定。为保持试验设定温度，在土样中埋设温度传感器实时监测土体温度。分层添加沉降标测量土体的实时盐胀量，土层压实及设备埋设后用位移百分表测量，百分表量程为0～10 mm。

1.2 土样配置

试验用土以德黑兰天然盐渍土为试验材料，通过颗粒筛分对粒径进行划分，分别制备粒径为0.075～60 mm 的11 种原始试样。根据土颗粒分布情况，将不均匀系数CU＞5 和曲率系数CC=1～3 时土的级配定义为良好级配，其他类型均为不良级配［9］。以粗、细颗粒（以粒径R=5 mm 为分界粒径）的含量之比作为级配粒径指标，进行粗颗粒盐渍土的配置。最终选定粗细颗粒比为0.429。试验用颗粒土筛分结果见图1。

图1 试验用颗粒土筛分结果

1.3 试验方法

将土样用清水冲洗后烘干。将水均匀喷洒于土样上并搅拌均匀，根据当地土的自然含水率以及土工试验下的最优含水率，配制土的含水率为16%。由于其余种类的盐对盐胀的影响较小，故在室温条件下，配制纯硫酸盐、纯氯化盐、亚硫酸盐（Cl-/SO42-=1）3 种易溶盐含量分别为0.5%，1.0%，2.0%，3.0%，4.0%的15组土样，其他物理参数不变。装入测定箱内分层压实，参照TB 10414—2018《铁路路基工程施工质量验收标准》压实系数取0.92。在土样中分层埋设温度传感器（如图2 所示），监测土样温度。按TB 10414—2018 养护后，依照当地的气候条件，模拟当地昼夜温度变化。考虑当地12月份气候及光照条件，选择与当地气候类似的温度-10～5 ℃。

图2 温度传感器埋设示意

2 试验结果和分析

2.1 盐胀系数随温度的变化规律

根据试验得出的盐胀量，计算出单位厚度盐渍土的盐胀系数。含盐量分别为0.5%，1.0%，2.0%，3.0%，4.0%时，不同易溶盐粗颗粒盐渍土盐胀系数见图3。

图3 不同含盐量时粗颗粒盐渍土盐胀系数

由图3（a）可知：5 ℃时，纯硫酸钠土样与亚硫酸盐土样盐胀系数相差1.59×10-4，变化很小，可以看作影响相似；当温度从-5 ℃降低到-10 ℃时，盐胀系数增大的速率加快。这是因为温度在-5 ℃以下时盐渍土会产生部分的冻胀从而造成土体体积增大。虽然温度达到-10 ℃时各条曲线的盐胀系数均达到最大值，但其盐胀系数并不准确。盐胀系数的比较，还是应该从-5 ℃开始研究，此时盐胀较为准确。可以发现纯硫酸钠土样的盐胀系数是纯氯化钠土样的2.12倍，而亚硫酸盐土样的盐胀系数是纯硫酸钠土样的0.49倍。

由图3（b）对比图3（a）可知：亚硫酸盐土样的盐胀系数曲线与纯硫酸钠土样的间距增大；与含盐量0.5%土样的盐胀系数相比，增大了1.8倍左右。亚硫酸盐土样的盐胀系数为纯氯化钠土样的2倍。

由图3（c）可知：亚硫酸盐曲线在图3（b）的基础上又靠近纯氯化钠曲线。亚硫酸盐土样盐胀系数接近纯氯化钠土样的2 倍。含盐量0.5%、温度-5 ℃时，亚硫酸盐土样的盐胀系数相较于纯氯化钠土样增大了2.02倍；而含盐量2%时，亚硫酸盐土样的盐胀系数相较于纯氯化钠土样增大了1.68 倍。其增大的倍数在减小，说明随着Cl-总含量的增加，对其盐胀的抑制作用越来越强。

由图3（d）可知：亚硫酸盐土样的盐胀系数为纯氯化钠土样的1.5倍。

由图3（e）对比图3（a）、图3（b）、图3（c）、图3（d）可知：随着含盐量的增加亚硫酸盐土样的盐胀系数曲线向纯氯化钠土样盐胀系数曲线移动。纯硫酸钠盐与纯氯化钠盐土样相比于图3（d）盐胀系数略有增加。而亚硫酸盐土样盐胀系数在减小，其盐胀曲线已经接近于纯氯化盐土样曲线。说明含盐量增大到4.0%以上，亚硫酸盐土样中Cl-对其盐胀的抑制接近含盐量4.0%纯氯化盐土样的盐胀。可以看出纯硫酸盐土样的盐胀系数相较于图3（a）、图3（b）、图3（c）、图3（d）的增加量略有减小，但纯氯化钠土样盐胀系数依然是纯硫酸钠土样的50%左右，而Cl-含量从0%增加到50%后盐胀系数变化量只有之前的0.47倍，可知盐胀系数迅速减小，盐胀量迅速降低。

2.2 亚硫酸盐、纯氯化盐与纯硫酸钠盐渍土盐胀系数的比较

通常盐胀结晶的活跃温度在-5～0 ℃。在此温度下盐胀量占总量的大多数［10］。研究氯盐含量的改变对硫酸盐土样盐胀量的影响，只需比较-5 ℃时3 种类型的含盐土样的盐胀系数，计算硫酸盐类盐渍土中氯盐含量的改变对硫酸盐土样盐胀量的比例系数，结果见表1。

表1 纯硫酸钠盐与纯氯化钠盐、亚硫酸盐土样盐胀系数比较

由表2 可知：①比例系数k1在含盐量0.5%时最大，达到0.47。随着含盐量的上升开始下降，而含盐量3.0%时又达到最大值0.47。说明在易溶盐含量在3.0%以内时，纯氯化钠对纯硫酸钠盐渍土的盐胀比例系数约为50%。而当易溶盐含量大于3.0%时，比例系数迅速减小。表明随着氯盐含量的增多且超过3.0%，盐胀量会迅速减小。②当易溶盐含量较小为0.5%时比例系数k2为0.95。随着易溶盐含量的增加，比例系数越来越小。特别是含盐量4.0%时，其比例系数相比于含盐量0.5%时降低了0.49。说明当含盐量增加，Cl-对硫酸盐渍土盐胀的抑制作用越来越强，在4.0%时盐胀量减小了约1/2。

通过计算以上比例系数可以为类似工程盐胀病害的处理提供依据。

2.3 亚硫酸盐影响因素拟合分析

根据含盐类型为亚硫酸盐的粗颗粒盐渍土在不同温度、不同低含盐量下的盐胀系数（见图4），可以通过拟合分析建立计算公式。

图4 亚硫酸盐土样的温度、含盐量、盐胀系数关系

由图4 可知：含盐量从0.5%到2.0%时，盐胀系数增加速率较快，而从2.0%到4.0%时盐胀系数平缓下降。说明亚硫酸盐的粗颗粒盐渍土在含盐量2.0%时盐胀系数达到峰值，之后随着含盐量增加盐胀系数逐渐减小。

根据试验结果，含盐量为0～4%、温度为-10～5 ℃、含水率为16%时，用Origin 拟合分析得出盐胀系数公式为Y=（0.001 84-0.000 309 741x+0.003 36y+0.001 23y2-0.000 338 89xy）/（1-0.073 31x-0.225 67y-0.004 68x2+0.202 87y2+0.019 18xy），R2=0.988 42。式中：Y为盐胀系数，x为含盐量（%），y为温度（℃）。