天然亚氯盐渍土盐胀累加机理研究

胡 浩

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院 乌鲁木齐830000）

0 引言

新疆地区广泛存在氯类盐渍土，尤以罗布泊、艾丁湖等地区突出，其盐渍化程度高，表层聚集性强，盐渍化土发育明显[1]。在此类地区及相似地区建设的工程，其工程建筑物在使用年限内会经历反复的温度变化。工程建筑物在使用过程中都要经历温度的变化，那么盐渍土随温度变化的问题就会对工程造成影响，如盐胀就是公路地基变形破坏的主要原因[2]。为保证工程建筑物在使用期内安全运行，深入探究了氯类盐渍土在多次冻融循环下的盐冻胀累加机理，为盐渍土地区工程设计及施工提供重要的理论指导。

1 试验方案及试样基本参数

1.1 试验方案及方法

1）试验方案

为研究天然盐渍土的盐胀规律，试验土样采用罗布泊地区省道S235 沿线天然亚氯盐渍土；利用冻融循环设备测定盐冻胀量，击实方法为轻型击实法，控制击实后盐渍土的干密度为最大干密度的93%。试验成型温度为20℃室温，共设7 个循环周期，一个循环周期为48 h。

2）试验方法

受塔里木盆地大环境的制约，罗布泊地区降水少，温差大。罗中气象站监测数据显示：历史最高气温为48℃，历史最低气温为-22℃，昼夜温差最大可达38.2℃。试验保持冷端阶梯式持续降温升温，来模拟自然界季节交替变化中冬季降温及来年春天升温，采用室内开放系统大尺寸模拟试验，分析试样在经历反复的温度变化时的盐胀量，以探究天然亚氯盐渍土在多次冻融循环时的盐胀累加规律及机理。

试验步骤：将已密封养护24 h 的土样在20℃条件下成型，分12 次装入高60 cm、内径30 cm 的有机玻璃桶中，采用轻型击实法单向击实至所需干密度；采用冻融循环仪控制升降温，考虑到罗布泊地区冬季极端的气温变化，现设定上部冷端温度为-25℃，下部暖端始终控制在+5℃，见图1 所示。

图1 冷端升降温示意图

试验装置受塔里木盆地大环境的制约，罗布泊地区降水少，温差大。上下制冷头都可调设温度（温度区间-30℃～100℃），以实现温度变化时土壤是从顶端向底端逐渐变化的过程；采用保温材料包裹有机玻璃桶周围隔离外界热交换，模拟现场的一维温度传递，使土样可以纵向自由膨胀。在有机桶体周围开孔安装温度测量装置，由TES-1310 温度仪监测不同深度土层温度，制冷头上部安装位移测量百分表，可直接显示土体盐冻胀变形量大小；在有机桶底部通过四通管连接外部补水装置模拟地下补水，为使补充的盐水浓度与地下水含盐浓度相近，取当地卤水从低端自下而上补水。试验装置示意图，见图2。

图2 试验装置示意图

1.2 试验土样的基本性质

按照《土工试验规程》（SL237-1999）[3]，对试样进行室内试验分析，测定基本参数，见表1、表2。

按照《岩土工程勘察规范》（GB50021-2009）中对盐渍土的分类，本次试验所选典型天然亚氯盐渍土属强盐渍土。

表1 易溶盐渍土试样中各离子含量

表2 试样基本参数

2 盐胀累加试验结果分析

通过冻融循环试验得到亚氯盐渍土盐胀累加试验数据，绘制成冻融时间-盐胀量关系曲线[4、5]，见图3。不同冻融周期最大盐胀融沉量见表3。

由图3 可知：

1）第1 次循环周期，由于土体的传热性较弱，土样降温初期速度较慢，盐冻胀量的增长幅度不明显；第2～5 次循环周期，顶端温度缓慢降低到盐冻胀增长活跃的温度段时，盐胀量急剧增大；温度继续升高时，盐胀量开始下降，开始下降明显，后期下降幅度不大；第6 次冻融循环后，盐胀量增长速度逐渐降低，累加量开始减弱，整个周期仅增加了0.03 mm。其主要原因是：（1）因为冻融循环使得盐渍土的土体结构遭到破坏，土体内部变得疏松，孔隙率增大，且在自身重量的作用下产生沉降；（2）土体骨架支撑力降低吸收了部分盐冻胀。但随着冻融循环周期的继续增加，累加盐胀量也逐渐增加；在第7 次循环后累加盐胀量达到8.03 mm，累加性较好。

表3 不同冻融周期最大盐胀融沉量

2）土体体积在前两个阶段重复出现膨胀变形；在第三个阶段土体的变形均不能完全恢复，即在每次循环后均有残余变形。这主要是由于多次变形累积使得土体孔隙体积增大，减小了后一次循环变形增量，但每次循环变形起点高于前一次，最终累加盐冻胀量会趋于稳定。

图3 亚氯盐渍土的盐冻胀累加过程线

3）在温度持续降低时，土体内盐胀量不断增加。随升温过程，溶解度加大，盐胀量逐渐减小，但不能使土样恢复为原状。盐胀量与冻融循环次数成正比关系，随着冻融循环次数的增加，盐胀量不断累加。原因是：（1）第1 次降温过程中，由于土体内部土颗粒较紧密，加之制冷头部位施加的荷载，在一定的程度上约束了盐胀的增加。但当温度升高时，晶体溶解于水，一部分土颗粒失去了土体骨架的相互支撑而产生回落，一部分土颗粒在各种作用力（如长程力、黏结力、内摩阻力、短程力等）的相互作用下不发生回落，故总盐胀量大于总回落量。（2）在第2 次循环降温时，土体间距增大，颗粒之间发生错动，土体没有第1 次降温时紧密，结晶体产生很大的膨胀力推动土颗粒盐胀，所以第2 次降温时的盐胀量比第1 次增加了0.64 mm。第2 次升温的回落机理与第1 次相似，但回落量呈增大趋势，这也是由于土变疏松的原因。（3）第3～5 次冻融循环都遵循前两次循环规律，土体变得更为疏松。（4）第6 次循环后，盐胀量小于等于回落量，即土体盐胀增加量不断减小。这是土体表层结构破坏和疏松产生的一些孔隙吸收了部分盐胀量，最大盐胀量逐渐趋于稳定值。

3 结论

1）该试验过程共分为3 个过程：（1）温度降低初期盐胀量增加较缓慢；（2）温度持续降低至土中亚氯盐冻胀活跃的温度后，盐胀量急剧增加；（3）温度升高时盐胀量先急剧下降后趋于稳定。在7 次冻融周期中亚氯盐渍土的冻胀性能随温度的降低逐渐增加；盐冻胀累加量随冻融循环次数的增加，逐渐增大。

2）冻融循环过程中的盐渍土变形主要为盐胀引起的沉降变形，冻融循环使土体颗粒重新排列，土体变得疏松时孔隙间的间距增大，在重力的作用下失去支撑发生沉降。

3）在结晶时颗粒之间发生较大的错动，产生土体体积膨胀变形。

4）亚氯盐渍土易溶盐含量的45.67%为SO42-、K++Na+，其冻胀性强，冻胀量大于融陷量，故亚氯盐渍土的盐胀性比融陷性明显。