大庆地区碳酸盐渍土室内冻胀试验研究

2021-04-01王正君赵安平姜荣辉王嘉峪

黑龙江大学工程学报 2021年1期

郭琳，王正君,*，赵安平，宫滢，姜荣辉，王嘉峪

(1.黑龙江大学 a.寒区水利工程重点实验室;b.水利电力学院;c.建筑工程学院,哈尔滨 150080；2.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271017)

0 引言

盐渍土指自然环境中碱土和盐土以及诸多盐性土体和碱性土体，具有溶陷、盐胀以及腐蚀性等特性的特殊土体[1]。由于盐渍土的存在，除了冻胀和融沉的病害外，还有土壤盐渍化的现象。

大庆地区位于松嫩平原西部,饱受土壤盐渍化的困扰。由于全球气候环境的变化，松嫩平原的盐渍土面积处于高速增长的状态[2]，加上地处高纬度季节冻土区，盐渍土冬季冻胀、夏季融沉，冻融作用是该地区土壤盐渍化程度不断加剧的重要原因[3]。由于盐渍土大多分布在气候较为恶劣的地区，导致在实际工程中，除盐胀现象外，还会发生冻胀现象，易引起道路破坏、翻浆、湿陷、腐蚀等破坏形态[4]。Wu D Y等[5]、马驰[6]、肖泽岸等[7]的研究表明，冬季土壤冻结，盐分随水分从下层(非冻层)向表层(冻层)迁移，春季表层土壤融化，盐分随水分迁移积累在表层。由于该地区地势平坦，夏季虽降雨较多但水不易排出，降水淋盐作用有限。

以大庆地区盐渍土为研究对象，根据其独特物质组成及理化性质，以含盐量和含水量为变量，利用冻胀试验箱进行封闭系统下的冻融循环试验，通过位移传感器监测盐渍土在冻融循环过程中位移变化，并通过三轴剪切试验对盐渍土强度的影响进行分析讨论。

1 不同因素对碳酸盐渍土冻胀特性的影响

1.1 含盐量对碳酸盐渍土冻融特性影响

试验选取20～40 cm深度处土样作为试验对象，研究含盐量对冻融循环作用的影响，根据试验中不同含盐量土样冻结过程中温度测试结果，利用Origin软件绘制冻结过程不同高度见图1。

图1 含盐量0.60%、1.10%、1.60%、2.10%土样内部冻融温度场变化Fig.1 Change diagram of internal freezing and thawing temperature field of 0.60%、1.10%、1.60% and 2.10% salt content soil samples

由图1可见，冻胀起始阶段，土样温度没有出现明显分层，随着冻胀过程进行，土样温度开始分层，温度由底部到顶部降低。对比不同含盐量的试样，同样的温度界限分层的位置不同，由温度界限和顶部直线围成的负温面积也不同[8]。如果将该区域的面积定义为冻胀负温面积，随含盐量的增大，负温面积先减小后增大。由此推断，存在一个界限含盐量使得冻结过程中冻胀负温面积达到最小值，将此含盐量定义为临界含盐量。临界含盐量的存在似因与冻结过程中盐溶解度随温度变化、盐结晶放热及水结冰放热等盐-水-热耦合效应有关。

通过辛普森公式进行求积分计算，最终求得本次试验的临界含盐量为1.34%(图2)。

1.2 含水量对碳酸盐渍土冻融特性影响

试验选取0～20 cm深度处土样作为试验对象，在其他条件不变的情况下，制备含水量为11%、14%、17%、20%的4组试样，并通过位移传感器检测试样的变化过程。

图2 土样冻胀区面积随含盐量变化曲线Fig.2 Change curve of frost heaving area of soil sample with salt content

图3 不同含水量单次循环的时间-位移关系曲线Fig.3 Comparison curve of time displacement relationship of single cycle with different water content

不同含水量下位移随时间变化曲线见图3，当变形曲线下行(呈负值)时，试样发生冻胀或盐胀；当变形曲线上行(呈正值)时，试样为融沉状态。

由图3可见，土样在不同的含水量下，土柱内的温度变化趋势基本一致，在恒温阶段降温，使得土柱内各土层温度均匀达到0 ℃左右；单向冻结阶段在12 h内土层内各点变化趋势基本一致，冻结过程中，顶板温度先降低，往下逐渐升高，而融化过程中，顶底板温度基本都接近室温，无明显分异。无论是冻结还是融化过程中，距离顶板最近的位置处的温度变化幅度最大，其余各点均随距离顶板冷端的增加而呈现温度变化幅度递减的现象。主要原因是土样在冻结状态过程中上下不同位置存在温差，在顶端开始降温冻结过程中负温打破土柱原有平衡状态，在向下传递的过程中使各土层出现温度梯度变化现象[9]。加之由于热阻作用使得土柱下端原有的热能与冷端传递过来的负温相抵消，进而造成下端温度变化幅度较上端小。就4次试验融化阶段，降温过程中都出现温度梯度，而升温过程中没有，在融化前期各土层均能迅速回温，在较短时间内达到室温20 ℃左右并保持稳定趋势。

2 冻融循环对碳酸盐渍土强度的影响

2.1 试验方法

试验采用固结不排水剪切(CU)试验对大庆地区碳酸盐渍土进行抗剪强度研究，借助冻胀箱进行多次冻融循环，并利用GDS三轴剪切仪对试样进行剪切[10]。针对不同循环次数每组制作3个试样，分别控制其围压为50、100、150 kPa，以ε=15%时所对应的主应力差值(σ1-σ3)为破坏强度，得到土的黏聚力(c)及内摩擦角(φ)。

2.2 试验结果及分析

对土样进行室温下的CU剪切试验，得到对照组盐渍土的黏聚力为67.42 kPa，内摩擦角为17°54′。再将土样在冻结温度-15 ℃条件下进行多次冻融循环，结果见图4。

对比原状土与冻融循环后试样的黏聚力可见，初次冻融后盐渍土的黏聚力显著下降，随循环次数的增加，黏聚力依然呈下降的趋势但幅度有所减小，到第10次循环之后碳酸盐渍土的黏聚力变化非常微小，基本趋于稳定；10～30次循环过程中变化微小，处于动态平衡状态；到30次循环之后减小的趋势略有增大。可见，随冻融循环次数的增加，黏聚力始终呈减小趋势。

随冻融循环次数的增加内摩擦角(φ)呈先增大后减小的趋势(图5)。0～10次冻融循环过程为土样结构的重组阶段，内摩擦角呈逐渐增大的趋势，其中第一次冻融循环对内摩擦角的改变最大；10～30次冻融循环过程中土体结构达到动态平衡状态，内摩擦角基本呈稳定状态；而30次循环之后土体结构的平衡状态再一次被打破，内摩擦角呈减小趋势。

图4 循环次数与黏聚力关系曲线Fig.4 Relationship between the cycles and cohesion

图5 循环次数与内摩擦角关系曲线Fig.5 Relationship between the cycles and internal friction angle

冻融作用能够使得盐渍土内部结构重组、疏密程度和孔隙比发生改变。当低于冻结温度时盐渍土发生冻胀和盐胀，土体内部形成的盐晶体和冰晶一定程度上增大了土颗粒间的距离，即孔隙增大，对土骨架造成不可逆的损伤甚至破坏；温度升高时土体发生融陷，随着盐晶体与冰晶的消失，土颗粒失去盐胀力与冻胀力的支撑而发生回落，使土颗粒之间的孔隙减小[11]。随着冻融次数的增加，土体内部孔隙大小及土骨架结构不断发生变化，从总体来看，融沉时所减小的孔隙体积不足以抵消盐胀和冻胀时孔隙体积的增大值，碳酸盐渍土颗粒间孔隙的增大使颗粒间原有的胶结力减弱，加上土骨架的不可逆损伤破坏，使土体的抗剪强度受到影响，故黏聚力随冻融循环次数的增加而减小。