察尔汗盐湖地区公路岩盐地层溶陷特性试验分析

刘国田, 雷明轩, 张超

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

盐渍土的溶陷变形是指在自重应力或附加应力作用下，天然盐渍土被水浸湿后发生的变形。在实际工程中，盐渍土的溶陷变形问题会直接影响路基整体稳定性，是目前其作为地基时存在的主要问题。含盐地层作为一类特殊的工程地质体，其工程性能具有易变性、各向异性以及冻胀性等特点。对于盐渍土而言，其溶陷变形主要分为静水中的溶陷变形及潜蚀变形两种。盐渍土地基的溶陷会造成土体结构强度的丧失，使地基承载力降低，并产生很大的变形而导致上部构筑物的沉降。当沉降不均匀时，则可能导致上部构筑物的开裂。土体发生溶陷时，其变形速度很快，由此对构筑物的稳定性、安全性形成很大的威胁，所以在盐渍土地区工程地质勘察中，溶陷性评价直接关系到后续设计、施工的成败。目前评价盐渍土溶陷性的重要指标是溶陷率δ，可通过现场荷载试验或室内压缩试验手段获取，该文以在建察尔汗-格尔木高速公路为依托，通过室内及现场试验的方式，对岩盐分布地区的溶陷特性展开分析，研究其作为高等级公路路基的可行性。

1 岩盐基本性质及评价标准

1.1 岩盐基本性质

岩盐夹层地基最大的隐患是在降雨情况下地表盐壳层发生溶解、溶滤和溶陷，从而降低地基承载力或复合地基承载力，加剧上部路基沉降和不均匀沉降。该文通过实体工程，对岩盐进行室内溶陷试验和岩盐地基现场浸水载荷试验，分析岩盐的溶陷特性。

室内溶陷试验所用岩盐试样取自察尔汗盐湖，取样地点与现场溶陷试验位于同一地点。取土深度为0.3～0.5 m，土样基本性质见表1～3。由表1～3可知:试坑浅层土样总含盐量为89.1%，天然含水率为5.9%。

表1 土样颗粒分析结果

表2 土样易溶盐离子含量

表3 土样界限含水率

1.2 岩盐溶陷性评价标准

GB/T 50942—2014《盐渍土地区建筑技术规范》将盐渍土的溶陷程度根据溶陷系数(δrx)划分为3类；将盐渍土的溶陷等级根据总溶陷量(ΔS)分为3级。溶陷程度及溶陷等级见表4、5。

表4 盐渍土溶陷程度分类

表5 盐渍土地基的溶陷等级

JTG D30—2015《公路路基设计规范》规定：地下水埋深小于3.0 m或存在经常性地表水侵扰的盐渍土路段，应进行地基溶陷性评价，溶陷性指标见表6。

表6 盐渍土地基溶陷性指标

2 室内溶陷试验与结果分析

2.1 试验方法

岩盐室内溶陷试验参照现行JTG E40—2007《公路土工试验规程》(简称《规程》)黄土湿陷试验进行，采用环刀法现场取样，取样前清除地表松散层，取样深度为0.3～0.5 m。为尽量减少对试样的扰动与试样的长期搁置，取样与备样后在现场工地试验室及时进行试验。考虑到岩盐试样浸水溶陷量大，为保证岩盐溶陷试验的连续性和试验结果的准确性，试制加高了环刀和水槽，将《规程》规定的环刀高度20 mm改为40 mm，直径不变；水槽高度由45 mm加高至70 mm，以保证溶陷试验过程中试样能完全浸入水中。试验过程中采用50 mm量程百分表测量试样高度值。岩盐溶陷试验采用单线法和双线法进行。

(1) 单线法

采用环刀法制取5个试样，依次施加5个不同的压力值(50、100、150、200和400 kPa)，将备好的试样按照要求放置在固结仪内，施加预压荷载后对5个试样分级加压至5个等级压力沉降稳定后加水溶陷至再度达到沉降，测读该压力下浸水前后的高度值，计算溶陷量与溶陷系数。具体步骤：第一个试样施加50 kPa压力，按照规定的时间间隔读数直至沉降稳定，自试样顶面缓慢加水再度达到沉降稳定读数并记录；第二个试样分级加压至100 kPa，按照规定的时间间隔读数直至沉降稳定，自试样顶面缓慢加水再度达到沉降稳定读数并记录；其他分级压力以此类推。

(2) 双线法

双线法切取2个环刀试样，一个试样在天然含水率下分级加压，直至溶陷变形稳定为止；另一个试样在天然含水率下施加第一级压力，变形稳定后加水待再次稳定后分级施加后续分级压力，直至各级压力溶陷变形稳定为止。计算天然状态和浸水状态的沉降差，即溶陷量。

(3) 溶陷系数δ计算公式为：

δ=(hP-h′P)/h0

(1)

式中：h0为原状试样的原始高度(此次试验为40 mm)；hP为压力P稳定变形后试样的高度(mm)；h′P为压力P浸水溶陷稳定后试样的高度(mm)。

2.2 试验结果与分析

室内溶陷试验结果见表7、8。

表7 单线法溶陷试验结果

从表7、8可知：施加的压力越大，试样的溶陷量和溶陷系数越大，溶陷量和溶陷系数在压力为50～100 kPa时，变化较为显著；其后分级压力加载过程中，变化相对平稳。同级压力条件下，双线法测得的溶陷系数要略大于单线法。两试样单线法测得的溶陷量为6.558～9.451 mm，溶陷系数为0.164～0.239；双线法测得的溶陷量为6.297～10.109 mm，溶陷系数为0.157～0.253。根据溶陷性评价标准，由溶陷系数判定岩盐试样的溶陷程度为强溶陷。限于室内试验仪器尺寸所限，室内试验测得的溶陷量并不能确定岩盐的溶陷等级，JTG D30—2015《公路路基设计规范》指出盐渍土地基应根据溶陷量对其溶陷性进行评价，鉴于此，以下章节将开展岩盐夹层地基现场溶陷试验，以分析评价岩盐夹层地基的溶陷特性。

表8 双线法溶陷试验结果

3 现场溶陷试验与结果分析

试验段(室内溶陷试验取样段)位于G3011线(青海境)察尔汗—格尔木高速公路察尔汗盐湖互通区发展大道段。该区地貌类型为湖积平原，地形较平坦。工程地质构成为，地基表层为0～1.0 m厚氯盐型盐壳层，密实；下层为低液限粉土，软塑，揭示厚度为10.9 m，厚度未揭穿；地下水为表层潜水，水位为1.50 m，第二层水为承压卤水，水头为2～5 m。地下水和土对混凝土均具强腐蚀性。

3.1 试验方案

参照JTG E40—2017《公路土工试验规程》，现场试验中选取承载板直径为1.13 m，试坑直径为3.4 m，通过在工字钢跨度范围内增加支点的方式，减少工字钢的挠度，保证平台的稳定。浸水压力取值不小于基底压力值，分级加荷的等级为9级。现场试验同样以单线法及双线法同步开展，具体过程参见相关试验规程。

3.2 计算方法

盐渍土地基试验土层的溶陷系数δm按下式计算：

(2)

式中：δm为溶陷系数；sm为浸水压力作用下土层的溶陷量；ss为浸水饱和条件下地基的沉降量；sn为自然状态条件下地基的沉降量；hm为浸润深度。

浸润深度测定方法如下：

(1) 注水前，通过钻探等手段进行取样，分层取样厚度宜为0.1 m，取样深度宜为地下水位0.5 m处；对各土层的含水率w1进行测定。

(2) 浸水饱水并逐级加荷试验完成后，将试坑中的水排除。同样采用钻探等手段进行分层取样，并对各土层的含水率w2进行测定。

(3)W2-W1≥1%的最大深度即为浸润深度。

3.3 试验结果分析

按照上述浸润深度的测定方法，经多组检测数据对比分析，试坑平均浸润深度为100 mm，试验结果见表9及图1～4。

图1 单线法沉降曲线(最大加载量120 kPa)

表9 溶陷系数试验结果(最大加载量200 kPa)

最大加载量120 kPa施荷条件下，地基土溶陷系数采用单线法测定为0.032，采用双线法测定为0.046。

图2 双线法沉降曲线(最大加载量120 kPa)

图3 单线法沉降曲线(最大加载量200 kPa)

从表9及图1～4中可以看出：

(1) 当施加荷载超过75 kPa时，无论是在天然状态还是浸水饱和状态下，地基沉降曲线均发生急剧下沉现象，沉降曲线斜率较大，沉降速率相对较快。说明现场地基溶陷起始压力为75 kPa，地基土的沉降主要发生于溶陷起始压力以后。

(2) 双线法试验，荷载为0～110 kPa加载过程中，同一级荷载作用下，天然状态地基沉降量较浸水状态地基沉降量要大。分析其原因：浸水饱和后的岩盐地基在荷载压力的作用下产生了超孔隙水压力，排水固结缓慢，盐渍土体浸水饱和后增加的水分无法彻底排出，从而导致天然状态下地基的压缩变形量要大于压缩固结变形量。定义交点处压力(110 kPa)为真溶陷起始压力。在真溶陷起始压力以后，各级荷载作用下浸水状态的地基沉降量大于天然状态的地基沉降量。盐渍土的溶陷主要发生于真溶陷起始压力之后。

(3) 在真溶陷起始压力以后，P-ss和P-sn两曲线上各对应压力下的沉降差，即为溶陷曲线P-sm。从图4溶陷P-sm曲线可以看出：盐渍土各级荷载下的溶陷量随着浸水压力的增加而增加，当压力增加到一定值时，溶陷曲线有一个明显的拐点，最大的溶陷性在该拐点对应的荷载处产生。溶陷试验过程存在一个峰值溶陷压力和峰值溶陷量(对应地存在峰值溶陷系数，为0.194)，图中溶陷P-sm曲线峰值溶陷压力为175 kPa。

图4 双线法沉降曲线(最大加载量200 kPa)

(4) 现场溶陷试验压力120 kPa，单线法溶陷量为3.2 mm，溶陷系数为0.032，双线法溶陷量为4.6 mm，溶陷系数为0.046；试验压力200 kPa，单线法溶陷量为2.0 mm，溶陷系数为0.020，双线法溶陷量为12.5 mm，溶陷系数为0.125。按照GBT 50942—2014《盐渍土地区建筑技术规范》溶陷等级和JTG D30—2015《公路路基设计规范》溶陷性标准，岩盐夹层地基溶陷量满足高速公路、一级公路地基的技术要求，可作为公路地基。

(5) 无论最大加载量为120 kPa还是200 kPa，采用双线法测得的盐渍土溶陷系数均大于单线法测得的溶陷系数，其原因主要在于两种方法中地基土具有不同的浸水条件。单线法浸水时试样已在上部荷载的作用下挤压，其空隙率、吸水性均逐级减小；而双线法是先浸水饱和再逐级加荷，因此单线法测得的溶陷量一般小于双线法测得的溶陷量。

(6) 对比室内溶陷试验和现场溶陷试验结果可知：针对岩盐试样(地基)，室内测得的溶陷系数远大于现场测定值。主要原因是因为两者浸水与受力环境不同，岩盐的溶陷主要是易溶盐的溶解，对于室内试验而言，浸水是在封闭环境下，水中易溶盐的溶解是受压的岩盐试样自身的溶解，溶质来自于岩盐自身；对于现场试验而言，试坑内易溶盐的溶解来自于受压岩盐自身和试坑周围盐分的供应。对于达到相同浓度的饱和卤水，现场试验受压岩盐溶解量要少。再者，室内试验所施加的荷载压力由试样全部承受，且受尺寸效应的影响；而现场试验对象为一完整的、且具有水平面无限大的地基结构层，起到了应力扩散的作用，实际所受压力较小。

4 结论

(1) 对岩盐室内溶陷试验仪器进行改进，试验压力为50～400 kPa，单线法测得岩盐的溶陷量为6.558～9.451 mm，溶陷系数为0.164～0.239；双线法测得的溶陷量为6.297～10.109 mm，溶陷系数为0.157～0.253，岩盐试样具有强溶陷的工程特性。限于试验环境条件与仪器尺寸效应等影响，室内溶陷试验并不能真正反映岩盐的实际溶陷性。

(2) 进行了现场溶陷浸水载荷试验。采用双线法测定时，存在一个真溶陷起始压力值，该压力值是指自然状态和浸水饱和状态下地基沉降量的临界点，一般大于常规的溶陷起始压力值。在真溶陷起始压力之后的各级荷载作用下，浸水饱和状态下的地基沉降量大于自然状态下的地基沉降量。岩盐夹层地基的溶陷主要发生于真溶陷起始压力之后；溶陷试验过程存在一个峰值溶陷压力和峰值溶陷量，该试验岩盐地基峰值溶陷压力为175 kPa，峰值溶陷系数为0.194；双线法测得的岩盐溶陷系数比单线法测得的溶陷系数要大。

(3) 根据岩盐地基现场溶陷试验结果，岩盐夹层地基溶陷量小，按照GBT 50942—2014《盐渍土地区建筑技术规范》溶陷等级和JTG D30—2015《公路路基设计规范》溶陷性标准，该岩盐地基满足高速公路、一级公路地基的技术要求。