卤水结合下的盐渍土膨胀性分析

邓 波

（新疆交通科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

引言

盐渍土膨胀的原因主要是由于土体中盐状态发生变化。盐渍土的固相组成中不仅有土体颗粒，还有氯盐、硫酸盐等成分，盐渍土内部的水随着外部环境的变化而变化，从而导致盐渍土中的盐分随着土体液相的变化出现迁移、聚集的特点，从而使盐渍土的物理力学特性呈现出剧烈变化的特点［1-2］。

在公路建设中不可避免的遇到盐渍土，由于路面结构层的覆盖效应，路基的蒸发强度远远小于原地表，从而导致路基土体的含水量高于原地面，出现土体盐分由高浓度区向低浓度的路基土体汇集的情况。路基土中盐分的迁移聚集过程中，土颗粒的空隙以及土体接触点的盐分吸水结晶后体积膨胀，填充孔隙率，扩大土颗粒间距，引起土体变形膨胀的效果［3-4］。

目前对于盐渍土的膨胀特性已有大量的研究，王海春［5］等人研究了不同因素下硫酸盐的盐胀程度；袁红［6］等人分析了硫酸盐的起胀含盐量和容许含盐量；孙辉荣［7］等人对细粒氯盐渍土进行盐胀分析；包卫星［8］等人研究了在冻融循环下盐渍土的盐胀特性。但是近些年随着各地环保意识的强化以及公路建设的用料紧缺，各地公路建设不得不采用一些特殊性土［9］，充分利用当地现有的土体作为公路建设的材料，对于缺少筑路材料的公路工程具有十分重要的意义。

1 哈若公路沿线取样与化学成分分析

1.1 盐渍土取样

哈密至若羌段公路穿越罗布泊盆地，沿线料场和工程用水紧缺，针对项目的特点，研究中选取K287+000（浅层料0 ～2 m）、K324+500（深层料2 m 以下）、K346+000（浅层料0 ～2 m）三组有代表性的盐渍土样品，采用不同比例的卤水进行掺配试验。公路沿线盐渍土见图1，水料场见图2。

图1 大块盐渍土破碎

图2 水料场

1.2 盐渍土化学成分分析

根据《 公路土工试验规程》（JTG E40—2007），通过室内试验进行盐渍土化学成分分析，测定沿线水土料场中的离子含量，依据检测结果对盐渍土进行分类，检测结果见表1。

表1 离子含量分析试验结果 （20℃）

由《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011）可知，工程沿线选取的三组盐渍土均为氯化物过盐渍土（超氯盐渍土）。沿线工程用水缺乏，在进行土方填筑时采用卤水替代工程用水，进行土方压实。因此，需对卤水的含盐量、盐渍土的含水率进行检测，检测结果见表2。

表2 盐渍土含水量

表3 不同温度下卤水含盐量

可知，K287+000 和K346+000 处浅层盐渍土的含水量较低，对于埋深较大的K324+500 处，含水量较高；同时对于同一位置的盐渍土，破碎土的含水量都高于块状土含水量。通过表3 可知：在5 ～25℃时，随着温度的升高卤水中结晶盐含量增大；在25 ～35℃时，随着温度的升高，结晶盐含量减少。项目所在区域的卤水含盐量较高。

2 盐胀试验与分析

通过对卤水和盐渍土的成分分析，可知工程所在区域的水土中Na+、Cl-、的含量很高，因此研究在不同温度下喷洒卤水下的盐渍土膨胀量成为哈若公路建设的关键问题。采用室内模拟试验，通过温控箱调控盐渍土样品的温度，试验时按照设定的温度启动温度循环冷浴，温度由上部向下部传递，以保证盐渍土的温度变化与实际情况一致，试验通过输入参数控制，采集仪自动采集数据。试验仪器见图3。

图3 盐胀性试验分析仪结构

2.1 含水率-膨胀量性能研究

通过图4 ～图6 盐渍土膨胀曲线可以看出：在相同压实度条件下，随着温度降低，3 处盐渍土土样膨胀量增大。对于水用量分别为5%、7%、9%、11%的4 组，其膨胀量最大值分别为0.5 mm、1.0 mm、1.3 mm 和1.8 mm。3 组试验中，膨胀量增加最快的是15 ～－5℃之间，对于20 ～15℃和－5℃～－10℃之间膨胀量相对较缓慢。其中-5℃和-10℃的膨胀量基本相同，土样表现出微胀和不胀。同时3处盐渍土土样的膨胀量随着卤水含量增加而增加，其中卤水含量由5%～7%和9%～11%时，土样膨胀量增加较多，即当卤水含量在7%～9%之间时，相同温度条件下，土体膨胀量变化不大。在95%的压实度条件下，卤水用量为5%、7%、9%、11%的土样其膨胀率小于2%［11］。

图4 K287+000 处盐渍土膨胀量曲线

图5 K324+500 处盐渍土膨胀量曲线

图6 K346+000 处盐渍土膨胀量曲线

2.2 压实度与膨胀量性能研究

2.2.1 击实试验

依据《公路土工试验规程》（JTJ 051—93），结合现场情况，对3 组盐渍土进行重型击实试验。由图7 ～图9 曲线变化趋势可以得出：用卤水湿润盐渍土，然后进行击实试验，试验中由于氯盐渍土的吸湿特性，使得击实试验中最优含水率结果偏小，因此需要修正。3 处取样位置的干密度和最优含水率见表4。

图7 K287+000 含水率-干密度曲线

图8 K324+500 含水率-干密度曲线

图9 K346+000 含水率-干密度曲线

表4 3 处取样位置的干密度和最优含水率

2.2.2 压实度与膨胀量分析

在土样击实试验的基础上，获得最佳卤水含量，同时采用92%、95%、98%的压实度成型试件，在试验过程中保持湿度不变，温度变化的条件下，测得不同压实情况下的试件膨胀量，从而确定适宜的压实度。3 组盐渍土的试验结果见图10 ～图12。

图10 K287+000 处盐渍土膨胀量曲线

图11 K324+500 处盐渍土膨胀量曲线

图12 K346+000 处盐渍土膨胀量曲线

可以看出，在相同压实度条件下，随着温度的降低，土样的膨胀量增加，其中在15 ～-5℃时，增加速率相对较快，在20 ～15℃和-5 ～-10℃时，膨胀量增加速率较缓慢；在92%、95%、98%的压实度下最大膨胀量分别为1.8 mm、2.1 mm 和2.5 mm；在相同的温度条件下，随着压实度的增加膨胀量增大，对于K287+000 和K324+500 两处，其增加值较小，对于K346+000 处膨胀量增加值较大。

2.3 易溶盐含量与膨胀量关系

选取过氯盐渍土，从水土离子分析中可知，水土中Na+、Cl-、的含量很高，盐渍土易溶盐总量很高。在95%压实度和最优含水率条件下，易溶盐总量和盐渍土膨胀量的关系见图13。可知在95%的压实度条件下，随着土样易溶盐总量增加，盐渍土膨胀量不断增加。当易溶盐总量由63.32%增加到68.43%时，膨胀量增加0.6 mm；当易溶盐总量由68.43%增加到75.59%时，膨胀量增加0.3 mm。前一阶段膨胀量增加速率大于后一阶段的膨胀量增加速率。由于采用卤水结合土样，使得在不同温度条件下，土样中的自由水含量不同，导致土样中Na2SO4所能结合的水处于不确定状态。同时依据文献［3］中提到当NaCl 在结合水分子后土体体积也会增大，因此随着土样中易溶盐总量的增加，土样呈现出膨胀量增加的趋势，但是随着Na2SO4和NaCl 大量结合自由水后，导致卤水中的自由水含量降低，土样膨胀量增加速率缓慢。

图13 易溶盐含量与总盐胀率曲线

3 卤水结合料盐胀机理分析

盐渍土出现体积膨胀的主要原因是原有土体颗粒之间的孔隙率以及土体接触点间距的细观变化而反映到宏观的现象。卤水结合料中的易溶盐含量远远超出普通土的含量，其膨胀机理相较于普通土体也更为复杂。

盐渍土的体积膨胀主要是由于易溶盐中的Na2SO4的结晶膨胀和失水收缩引起。随着温度降低，卤水结晶含量增大，在卤水结合料中，部分土体空隙被卤水结晶填充，部分自由水和土体中的Na2SO4结合形成Na2SO4·10H2O，引起土体体积增大。即在采用卤水结合料中，土体体积增大是由卤水本身的结晶体和Na2SO4·10H2O 共同引起。在温度下降过程中，在一定温度下，卤水以及盐渍土本身水分可能结冰，冰造成水体体积增加10%，因此在15℃～－5℃时，土体体积增加速率最快，随着所有水分持续结冰，温度继续下降，但是土体膨胀量的速率减慢。由于Na2SO4对温度变化敏感，在15℃～－5℃之间时，大量的Na2SO4与水结合，形成Na2SO4·10H2O，温度继续下降，Na2SO4与水结合的趋势减慢，从而导致温度越低，土体膨胀量趋势越平缓。

4 结语

（1）卤水结合料在一定含水量条件下，随着温度降低，膨胀量不断增大，其中在15℃～－5℃之间膨胀量的增加速率相对较大，当温度达到-10℃时，土体基本没有膨胀；同时随着卤水用量增大，土体膨胀量增大；当卤水含量在7%～9%之间时，相同温度条件下，土体膨胀量变化不大。（2）在相同压实度条件下，随着温度降低，土体膨胀量增大；在相同温度条件下，压实度越大，膨胀量越大。其中在15℃～-5℃时，增加速率相对较快，在20 ～15℃和-5℃～-10℃时，膨胀量增加速率较缓慢。（3）在95%压实度条件下，土样易溶盐总量增加，盐渍土膨胀量不断增加。但随着易溶盐总量的增加土体膨胀量增加速率减缓，这是由于Na2SO4和NaCl大量结合自由水后，导致卤水中的自由水含量降低，因此出现土样膨胀量增加速率缓慢的情况。