基于高铁变形控制的粗颗粒硫酸盐渍土盐胀影响因素的试验研究

司培国 曹博 王茂靖 蒲增刚 唐科行

Experimental Study on the Influence Factors of Soil Salt Swelling in Sulphuric Acid Based on

Deformation Control of High Speed Iron

SI Pei-guo  CAO Bo  WANG Mao-jing;

PU Zeng-gang  TANG Ke-xing

摘要：随着国内外在盐渍土地区修建的铁路项目的增多，盐渍土盐胀导致的路基变形问题日益严重，为解决由于盐胀特性导致的路基盐胀问题，本文将综合考虑硫酸钠含量、级配类型、含水率作为粗颗粒盐渍土盐胀特性的主要因素进行精细化研究，来研究在综合影响因素下盐渍土的盐冻胀特性。在硫酸钠含量较低的情况下，相对细颗粒硫酸盐渍土，粗颗粒盐渍土在不同含水率下的最大盐胀量很小;在含水量最佳情况下，细颗粒组最大盐胀量为0.61mm，而在自然含水率下，细颗粒组的最大盐胀量为0.31mm，表明土体含水率是影响盐胀的主要因素;随着硫酸钠含量的增加，粗粒组和中粒组盐胀增加速率明显缓于细颗粒组。

Abstract： With the increase of railway projects built in saline soil areas at home and abroad， the problem of roadbed deformation caused by salt expansion of saline soil is becoming more and more serious. In order to solve the problem of roadbed salt expansion caused by salt expansion characteristics， this paper will comprehensively consider the sodium sulfate content， gradation type and water content as the main factors of salt swelling characteristics of coarse-grained saline soil to study the salt heave expansion characteristics of saline soil under comprehensive influencing factors. Under the condition of low sodium sulfate content， relative to fine-grained sulphate soil， the maximum salt swell of coarse-grained saline soil under different water content is small; in the best water content， the maximum salt expansion of the fine-grained group is 0.61mm， while in natural water rate， the maximum salt expansion of the fine particle group is 0.31mm， which indicates that the soil moisture content is the main factor affecting the salt expansion. With the increase of sodium sulfate content， the salt swelling rate of the coarse grain group and the middle grain group is obviously slower than that of fine particle group.

關键词：粗颗粒;盐渍土;颗粒级配;含水率

Key words： coarse particle;salinized soil;grain composition;moisture content

中图分类号：TU448                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）32-0188-03

0  引言

盐渍土的盐胀是指自然界中土体受气候周期变化的产生体积膨胀的现象[1]。工程中的粗颗粒盐渍土，一般是砾径大于2mm的粗粒组质量大于总质量的50%、级配良好且其含盐总量大于0.3%的砂土或碎石土[2]。粗颗粒硫酸盐渍土在我国主要分布在新疆北部、甘肃西部、宁夏平原等地区。随着我国高铁建设的迅速发展，以及国家对西部地区的不断投资，在西部地区的硫酸盐渍土地带修建高速铁路已势在必行，必须解决粗颗粒硫酸盐渍土对高速铁路路基的影响。由于高速铁路对施工精度要求高，对运营期间路基变形量控制严格，因此有必要对粗颗粒硫酸盐渍土的盐胀展开精细化的试验研究。

在我国，目前对于细颗粒盐渍土盐胀特性的研究比较全面，对于粗颗粒盐渍土在公路路基方面的研究也有一些，但是对粗颗粒硫酸盐渍土对高速铁路路基影响的研究还很欠缺。张莎莎采用数值分析的方法分析了粗颗粒盐渍土的盐胀特性及影响因素，为盐渍土地区修建公路提供了理论指导[1]。顾强康、吴爱红等通过在盐渍土地区的现场试验，分析了不同工况下的盐胀曲线，得出了不同影响因素下的盐胀率公式[3]。康安栋、王春艳等研究了不同含盐量的硫酸盐渍土渗透系数与压缩系数在不同含盐量下的变化规律[4]。王一雄、张建新等采用正交试验，分析了硫酸盐渍土盐胀特性的影响因素及其规律[5]。以上许多学者针对盐渍土的盐胀特性做了大量试验研究，但并没有对影响粗颗粒盐渍土盐胀特性的含盐量、含水率等主要影响因素展开精细化的研究。

本试验通过室内人工配置不同含盐量的粗颗粒硫酸盐渍土的方案，对所配置的盐渍土展开外界环境温度影响下的盐胀试验，探究不同室外温度对粗颗粒盐渍土盐胀特性的影响。

1  试验方案设计

1.1 试验准备

根据《岩土工程勘察规范》对盐渍土按含盐量分类如表1所示，由表1可知，硫酸及亚硫酸盐中对应的界限含盐量分别为0.3%、2%、5%。由于高速铁路路基对于路基变形的高精度要求，对规范中给定的硫酸盐渍土界限含盐量应适当缩小比例，本文中所采用的硫酸盐渍土界限含盐量分别为0.2%、1.9%。

由于本次试验主要研究不同含盐量情况下，不同级配的粗颗粒硫酸盐渍土随温度和含水率的变化而引起的盐胀特性变化，因此有必要建立粗细颗粒比的定义，用L=m1/m2表示粗细颗粒比，m1表示颗粒粒径d大于5mm的含量的百分比，m2表示颗粒粒径d在0.25mm到5mm之间的含量的百分比。根据《岩土工程勘察规范》对粗颗粒盐渍土的定义，将粗细颗粒比划分为如表2所示。

对土样按照预定硫酸钠含量（0.2%、1.9%）进行配置，不同粒径指标的土样分别按三种自然和最优含水率配置，混合均匀后养生36h，试验用粒径分布和基本参数如表3、表4所示。

表3中，级配一中大于2mm粒径土的质量占比都比较大，级配二中不同粒径土的质量占比相对较均匀，级配三中小于2mm的粒径土的质量占比较大。总体来说，随着级配编号的增大，粗细颗粒比L逐渐减小，粗颗粒的含量逐渐减小。

1.2 试验装置

本次室内试验设计了粗颗粒盐渍土盐胀量的测试装置。该测试装置由测试箱和数据采集装置组成。测试箱采用6mm厚钢板焊接而成，能够保证土体膨胀时侧向压力，每格箱径为20cm，容土高度55cm，最大测试土样粒径60mm;选取GDJS-150冷热交变试验箱，在箱顶边缘架设SIWI-10数显式自采百分表采集盐胀数据;试验和测试装置如图1和图2所示。

1.3 试验方案

鉴于使重新配置的盐渍土在试验箱内充分盐胀，本次试验采用连续降温的方案。具体试验步骤如下。

①将重新配置好的粗颗粒盐渍土逐层放置于试验箱内压实，每层松铺厚度为6cm，在试验箱土层不同深度处埋入温度传感器。

②待土體装配完成后，将试验箱用锡箔纸包裹严实后放入GDJS-150冷热交变试验箱内，试验箱内的温度设定为30℃，通过温度传感器检测土体温度，待土体温度稳定后进行逐级降温，在箱顶边缘架设SIWI-10数显式自采百分表采集盐胀数据。

③为了更加真实的模拟伊朗地区原状土所在的环境条件，分为8个温度区间，分别为30～25℃，25～15℃，15～10℃，10～5℃，5～0℃，0～-5℃，-5～-10℃每个温度区间降温12h。

2  试验结果分析

本次试验考虑了影响粗颗粒硫酸盐渍土盐胀的几种主要影响因素，得出了不同含盐量情况下，不同级配的粗颗粒硫酸盐渍土随温度和含水率的变化而引起的盐胀特性变化曲线。

图3和图4表明在硫酸钠含量较低情况下，三种级配粗颗粒盐渍土在不同含水率下的最大盐胀量很小，在含水量最佳情况下，细颗粒组最大盐胀为0.61mm，而在自然含水率下，细颗粒组的最大盐胀量为0.31mm，最大盐胀量相差2倍左右，粗颗粒组最大盐胀量相差9倍左右，表明土体含水率是影响盐胀的主要因素。

图5和图6反映了当硫酸钠含量为1.9%时，三种级配的粗颗粒盐渍土盐胀量有了明显增加，在含水量最佳时，与相同含水量0.2%硫酸钠含量的盐渍土相比，盐胀量分别增加了81.29%、82.29%。在自然含水率下，与相同含水率下0.2%硫酸钠含量的盐渍土相比，盐胀量分别增加了78.62%、83.33%。这说明当硫酸钠含量不断增加时，随着温度不断降低盐渍土不断吸水膨胀。粗颗粒组和中颗粒组盐胀增加速率缓于细颗粒组，在相同含盐量和含水率下，粗细颗粒比越大土体的盐胀特性表现越缓慢。

依据《盐渍土地区建筑技术规范》盐渍土的平均盐胀系数按下式计算：δyz=Δh/S。其中盐胀量取试验结果的最大盐胀量，盐胀影响深度依据现场试验，在进行室内试验时试验装置的总高度为55cm，为了试验的精确性以及根据试验温度的范围取影响深度为45cm，得到不同含水率以及不同含盐量下的最大盐胀量盐胀系数如表5和表6所示。

含水量最佳时，与相同含水量下1.9%硫酸钠含量的盐渍土相比，盐胀量分别增加了79.10%、78.4%。在自然含水量下，与相同含水量下1.9%硫酸钠含量的盐渍土相比，盐胀量分别增加了82.10%、89.71%。表明，当硫酸钠含量增加到一定程度时，粗颗粒盐渍土的盐胀特性由土体含水率、颗粒级配共同作用，仅仅考虑含盐量是不能得出正确结论的。

当含水量最佳时，细颗粒组和中颗粒组的盐胀量从第二降温阶段开始持续保持增长，到第六降温阶段保持稳定，随着温度的降低硫酸钠不断吸水膨胀导致盐渍土盐胀。在自然含水率下，细颗粒组和中颗粒组的盐胀性从第三降温阶段开始持续增长到第七降温阶段保持稳定，盐胀量的增加速率明显缓于同条件下含水量最佳盐渍土的盐胀增长速率，说明当硫酸钠含量维持在较高含量时，土体含水率对盐渍土盐胀起主导作用。

3  结论

通过对不同含盐量情况下，不同级配的粗颗粒硫酸盐渍土随温度和含水率的变化而引起的盐胀特性进行盐胀试验可以得出以下结论：

①在硫酸钠含量较低的情况下，三种级配的粗颗粒盐渍土在不同含水率下的最大盐胀量很小，在含水量最佳情况下，细颗粒组最大盐胀为0.61mm，而在自然含水率下，细颗粒组的最大盐胀量为0.31mm，最大盐胀量相差2倍左右，粗颗粒组最大盐胀量相差9倍左右，表明土体含水率是影响盐胀的主要因素。

②在最佳含水率下细颗粒组盐胀量是粗颗粒组盐胀量的1.7倍左右，在自然含水率下细颗粒组盐胀量是粗颗粒组盐胀量的7.5倍左右，表明颗粒级配也是影响盐胀量的因素之一。

③当硫酸钠含量不断增加时，随着温度不断降低盐渍土不断吸水膨胀，粗颗粒组和中颗粒组盐胀增加速率明显缓于细颗粒组，这是由于构成土体的颗粒级配不同导致的，在相同含盐量和含水率下，粗细颗粒比越大，土体的盐胀特性表现越缓慢。

参考文献：

[1]张莎莎.粗颗粒硫酸盐盐渍土盐胀特性试验研究[D].长安大学，2007.

[2]程东幸，刘志伟，柯学.粗颗粒盐渍土溶陷性影响因素研究[J].工程地质学报，2013，21（01）：109-114.

[3]顾强康，吴爱红，李宁.硫酸盐渍土的盐胀特性试验研究[J].西安理工大学学报，2009（03）：283-287.

[4]康安栋，王春艳，张方涛，等.硫酸盐渍土变形特性试验研究[J].科学技术与工程，2015（18）：211-216.

[5]王一雄，张建新，等.硫酸盐渍土盐胀的正交试验分析[J].天津城建大学学报，2017（06）：418-423.

基金项目：中铁二院工程集团有限责任公司科研项目（科2016-41-2）;国家科技支撑计划资助项目（2014BAG05B05）。

作者简介：司培国（1990-），男，甘肃兰州人，硕士研究生。