含盐量及含水率对盐渍土冻胀规律影响试验研究*

2022-03-21侯兆领

甘肃科技纵横 2022年11期

杨欢,侯兆领

（中交三公局第二工程有限公司, 天津宝坻 301800 ）

0 引言

盐渍土是盐土和碱土及其各类盐化、碱化土的统称, 主要分布在我国西北地区。盐渍土会导致路基出现盐胀、冻胀、翻浆、溶陷等病害, 对道路的稳定性和耐久性产生较大影响。随着我国“一带一路”战略推进, 越来越多的西部公路、铁路工程受到盐渍土的影响。G215 线柳园至敦煌段位于盐渍土地区, 该线路k70～k92区段之间由于每年受疏勒河施放生态水的影响, 地下水非常丰富, 导致每年冬季该区段路基盐冻较为严重, 给公路交通造成很大影响。

目前, 针对盐渍土冻胀等方面的研究相对较多。李生伟[1］对寒旱区盐渍土在冻融循环作用下的水盐迁移规律进行了研究综述, 并提出了相应的地基加固、水盐迁移治理措施。谭仁义等[2］则研究了冻结过程中水分盐分结晶相变对盐渍土压力的影响, 指出了冻结过程中冻胀力的变化规律。王景辉等[3］采用室内土柱冻融试验, 研究了水盐运移情况下硫酸盐渍土盐冻胀规律, 分析了水盐运移规律及其对土体盐冻胀变形的影响。张莎莎等[4］对粗粒盐渍土路基水热盐力耦合方程进行了修正, 并进行了试验验证。甘霖睿等[5］采用低温冻土三轴试验方法, 对季冻区盐渍土的动应力、动弹性模量、模量比和阻尼比等动力参数的变化规律及其主要影响因素进行了研究。杨进财等[6］结合青藏铁路西格段的冻胀状况, 研究了人工盐渍土路基中温度、水分、盐分以及变形规律。王策等[7］对近年来硫酸盐渍土盐胀结晶破坏试验研究的成果进行了综述, 并总结了相应的研究规律。于天佑等[8］采用试验方式, 研究了细粒硫酸钠盐渍土盐冻胀特性, 分析了盐胀与盐冻胀的变化规律。

以上研究虽然相对较多, 但并没有展开盐渍土地区含盐量对土体冻胀率的影响研究, 特别是在含水量不同时的含盐量对土体冻胀率的影响研究, 而这些研究往往对解决或控制盐渍土冻胀起着重要作用。因此, 本论述依托G215 线柳园至敦煌段的具体情况, 研究分析了含盐量对盐渍土冻胀的影响规律。

1 试验方案

1.1 试验材料

本次试验的土样取自G215 线柳园至敦煌段盐冻较严重区段（如图1所示）, 沿地表向下取一定深度内的土样制作试件, 进行相应盐冻试验研究。经测定, 该盐渍土中盐类以氯盐为主, 硫酸盐次之, 碳酸氢盐含量很小, 起主导作用的是氯化物。

图1 现场取土示意图

1.2 试验方案

进行盐渍土冻胀试验时, 结合研究区段地基含盐量的实际情况, 试件含盐量取0.71%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%等五种；土样选择天然级配的土样, 依据土样最优含水率为23%, 分别设置19%、23%、27%等三种土样含水率。试验温度范围为10 ℃～-35 ℃, 按5 ℃一级降温。试样放在直径100 mm、高度150 mm 的圆筒中, 用来研究封闭不补水条件下含盐量、含水率和温度对盐渍土冻胀率的影响规律。

1.3 实验装置

在试验室内进行试验时, 试件温度及温度变化的设置, 在可程式恒温恒湿试验箱内进行, 用以研究温度变化对土样冻胀率的影响。试验时设置的最高温度为10 ℃、最低温度为-35 ℃, 并按照5 ℃/4 h的速率逐级降温, 同时记录各级温度变化下的千分表数值和温湿度传感器数值。试验装置示意图如图2所示, 土样变形监测图如图3所示。

图2 试验装置示意图

图3 土样变形监测示意图

1.4 试样制备

将现场取回的土进行晾晒, 然后压碎, 运回实验室备用。测含水量的土则直接用塑料袋密封, 不晾晒, 直接在实验室测含水率（如图4、图5 所示）。进行试验时, 根据计算的不同含水率、不同含盐量等因素进行配料和闷料。将配好的料密封静置一昼夜（24 h）使其充分浸湿（闷料）, 然后通过在有机玻璃桶内涂抹石蜡的方式, 使试件与筒壁之间润滑。闷好的土样分3次加入有机玻璃桶, 每放入一层土样后进行击实和拉毛处理, 并将表面抹平后在上部盖上玻璃盖板。在试样的4 cm、8 cm、12 cm 分层处插入温湿度传感器, 外部包裹保温材料, 静置8 h 后放入恒温恒湿试验箱（如图4～图7所示）。

图4 土样晾晒

图5 保水土样采集

图6 涂抹石蜡

图7 试样放置

2 试验结果与分析

2.1 含水率为19%时, 不同含盐量下冻胀率随温度下降的变化规律研究

当试件的含水率为19%时, 土样的含盐量与冻胀率关系如图8所示。

图8 含水率为19%, 不同含盐量时冻胀率随温度变化曲线图

由图8 可知, 当试件的含水量为19%时, 随着温度降低, 试件的冻胀率总体呈现规律性变化, 但随着含盐量的不同, 变化规律呈现出不同特点。下面将曲线按温度分区段进行描述。

（1）10 ℃～0 ℃区段。在这一区段, 冻胀率随温度的降低总体呈现稳定趋势, 有稍微下降趋势, 但下降量极小。比如当含盐量为0.71%, 温度从10 ℃降到0 ℃时, 冻胀率仅增加了-0.01%。而对于含盐量为2.0%、3%、4%及5%时, 冻胀率也仅增加了-0.02%、-0.03%、-0.03%、-0.03%。冻胀率出现负值, 说明在这一阶段试件的体积没有膨胀, 反而收缩, 同时温度的降低对试件的影响较小。严格来说, 此时试件里的水分并未结冰, 试件收缩主要是由于热胀冷缩造成的。因此此时称为冻胀率并不准确, 应为收缩率。

（2）0 ℃～-10 ℃区段。在这一区段, 冻胀率随温度的降低增长较快, 同时含盐量对冻胀率的影响具有明显规律性。总体而言, 随着含盐量的增大, 试件的冻胀率也增大, 对于试件的冻胀率, 含盐量5%的试件＞含盐量4%的试件＞含盐量3%的试件＞含盐量2%的试件＞含盐量0.71%的试件。由图8 可知, 当温度由0 ℃下降到-10 ℃时, 含盐量为0.71%的试件的冻胀率增加了0.62%；含盐量为2.0%的试件的冻胀率增加了0.70%；含盐量为3.0%的试件的冻胀率增加了0.81%；含盐量为4.0%的试件的冻胀率增加了0.89%；含盐量为5.0%的试件的冻胀率增加了1.06%。通过对数据的分析可知, 随着含盐量的增加, 试件的冻胀率也增大。

（3）-10 ℃～-20 ℃区段。在这一区段, 冻胀率随温度的降低仍呈增长趋势, 但增长速率相对于0 ℃～-10 ℃区段减小。当温度由-10 ℃下降到-20 ℃时, 含盐量为0.71%的试件的冻胀率增加了0.27%；含盐量为2.0%的试件的冻胀率增加了0.29%；含盐量为3.0%的试件的冻胀率增加了0.30%；含盐量为4.0%的试件的冻胀率增加了0.34%；含盐量为5.0%的试件的冻胀率增加了0.32%。由此可以看出, 随着含盐量的增大, 不同含盐量试件冻胀率的增长率较为接近。

（4）-20 ℃～-35 ℃区段。在这一区段, 冻胀率随温度的降低增长缓慢, 增长趋势不再明显。当温度由-20 ℃下降到-35 ℃时, 含盐量为0.71%的试件的冻胀率增加了0.04%；含盐量为2.0%的试件的冻胀率增加了0.05%；含盐量为3.0%的试件的冻胀率增加了0.07%；含盐量为4.0%的试件的冻胀率增加了0.06%；含盐量为5.0%的试件的冻胀率增加了0.07%。由此可以看出, 随着含盐量的增大, 不同含盐量试件冻胀率的增长率较为接近。

2.2 含水率为23%时, 不同含盐量下冻胀率随温度下降的变化规律研究

当试件的含水率为23%时, 土样的含盐量与冻胀率关系如图9所示。

图9 含水率为23%, 不同含盐量时冻胀率随温度变化曲线图

由图9 可知, 试件的含水量为23%时, 随着温度的降低, 试件的冻胀率总体呈现规律性变化, 但变化规律较含水量为19%有所不同。下面将曲线分区段进行描述。

（1）10 ℃～0 ℃区段。在这一区段, 随着温度的降低, 试件膨胀量出现了负值, 也就是试件出现了收缩。比如当含盐量为0.71%, 温度从10 ℃降到0 ℃时, 膨胀率增加了-0.08%（负值表示试件收缩）。含盐量为2.0%时的膨胀率增加了-0.11%, 含盐量为3.0%时的膨胀率增加了-0.13%, 含盐量为4.0%时的膨胀率增加了-0.15%, 含盐量为5.0%时的膨胀率增加了-0.16%。相对于含水率为19%的试件而言, 收缩量增大较明显。试件出现了收缩, 主要包括两个方面的原因：（1）土体里的水分并未结冰, 未出现体积膨胀现象；（2）土体里面的水含量增大, 导致试件出现的冷缩现象增大。同时, 含盐量不同的试件收缩量也不同, 含盐量越大试件的收缩量也越大。

（2）0 ℃～-10 ℃区段。在这一区段, 冻胀率随温度的降低增长较快, 同时含盐量对冻胀率的影响具有明显的规律性。由图9 可知, 当温度由0 ℃下降到-10 ℃时, 含盐量为0.71%的试件的冻胀率增加了1.01%；含盐量为2.0%的试件的冻胀率增加了1.12%；含盐量为3.0%的试件的冻胀率增加了1.21%；含盐量为4.0%的试件的冻胀率增加了1.41%；含盐量为5.0%的试件的冻胀率增加了1.51%。而试件含水率为19%时, 冻胀率增加值分别为0.62%、0.70%、0.81%、0.89%和1.06%。到-10 ℃时, 试件冻胀率的增长量已达到总增长量的67%, 说明0 ℃～-10 ℃区段是冻胀增加的主要区段。同时, 随着含盐量的增加, 冻胀率也增加。

（3）-10 ℃～-20 ℃区段。在这一区段, 冻胀率随温度的降低仍呈增长趋势, 但增长速率相对于0 ℃～-10 ℃区段减小。当温度由-10 ℃下降到-20 ℃时, 含盐量为0.71%的试件的冻胀率增加了0.33%；含盐量为2.0%的试件的冻胀率增加了0.35%；含盐量为3.0%的试件的冻胀率增加了0.38%；含盐量为4.0%的试件的冻胀率增加了0.32%；含盐量为5.0%的试件的冻胀率增加了0.35%。而试件含水率为19%时, 冻胀率增加值分别为0.27%、0.29%、0.30%、0.34%、0.32%, 因此随着含水量的增加, 试件在-10 ℃～-20 ℃区段冻胀量的增加量也变大。同时, 在这一温度区段内, 对于不同含盐量的试件, 冻胀率的增长率也较为接近。

（4）-20 ℃～-35 ℃区段。在这一区段, 冻胀率随温度的降低增长缓慢, 增长趋势不再明显。当温度由-20 ℃下降到-35 ℃时, 含盐量为0.71%的试件的冻胀率增加了0.08%；含盐量为2.0%的试件的冻胀率增加了0.07%；含盐量为3.0%的试件的冻胀率增加了0.07%；含盐量为4.0%的试件的冻胀率增加了0.05%；含盐量为5.0%的试件的冻胀率增加了0.04%。而试件含水率为19%时, 冻胀率增加值分别为0.04%、0.05%、0.07%、0.06%和0.07%, 因此在这一阶段, 含水量的增加对冻胀率的影响较小。同时, 含盐量对冻胀率变化的影响也不再明显。

2.3 含水率为27%时, 不同含盐量下冻胀率随温度下降的变化规律研究

当试件的含水率为27%时, 土样的含盐量与冻胀率关系如图10所示。

图10 含水率为27%, 不同含盐量时冻胀率随温度变化曲线图

由图10可知, 当试件的含水量为27%时, 随着温度的降低, 试件的冻胀率总体呈现规律性变化, 但变化规律较含水量为23%有所不同。下面将曲线分区段进行描述。

（1）10 ℃～0 ℃区段。在这一区段, 同样出现随着温度的降低, 冻胀率减小的现象, 也就是冻胀率出现了负值, 试件收缩。比如温度从10 ℃降到0 ℃, 当含盐量为0.71%时, 试件的冻胀率增加了-0.10%, 含盐量为2.0%时的冻胀率增加了-0.13%, 含盐量为3.0%时试件的冻胀率增加了-0.16%, 含盐量为4.0%时试件的冻胀率增加了-0.19%, 含盐量为5.0%时试件的冻胀率增加了-0.22%。而含水率为23%试件的冻胀率增加量为-0.08%、-0.11%、-0.13%、-0.15%和-0.16%, 含水量27%的试件膨胀率的数值绝对值均增大, 说明随着含水率增大, 试件出现的冷缩现象更明显。同时, 不同含盐量对试件冷缩现象的影响更大, 含盐量高的试件冷缩现象更明显。

（2）0 ℃～-10 ℃区段。在这一区段, 冻胀率随温度的降低增长较快, 同时含盐量对冻胀率的影响具有明显规律性。由图10 可知, 当温度由0 ℃下降到-10 ℃时, 含盐量为0.71%的试件的冻胀率增加了1.21%, 含盐量为2.0%的试件的冻胀率增加了1.35%；含盐量为3.0%的试件的冻胀率增加了1.52%；含盐量为4.0%的试件的冻胀率增加了1.68%；含盐量为5.0%的试件的冻胀率增加了1.84%。而试件含水率为23%时, 冻胀率增加值分别为1.01%、1.12%、1.21%、1.41%和1.51%, 因此随着含水量的增加, 试件在0 ℃～-10 ℃区段的冻胀率也增加。同时, 随着含盐量的增加, 试件的冻胀率也增大。

（3）-10 ℃～-20 ℃区段。在这一区段, 冻胀率随温度的降低仍呈增长趋势, 但增长速率相对于0 ℃～-10 ℃区段减小。当温度由-10 ℃下降到-20 ℃时, 含盐量为0.71%的试件的冻胀率增加了0.45%, 含盐量为2.0%的试件的冻胀率增加了0.41%；含盐量为3.0%的试件的冻胀率增加了0.37%；含盐量为4.0%的试件的冻胀率增加了0.34%；含盐量为5.0%的试件的冻胀率增加了0.33%。而试件含水率为23%时, 冻胀率增加值分别为0.33%、0.35%、0.38%、0.32%和0.35%, 因此随着含水量的增加, 试件在-10 ℃～-20 ℃区段的冻胀量稍大于含水率为23%时的冻胀率。同时, 随着含盐量的增大, 试件冻胀率的增长率反而出现下降趋势。

（4）-20 ℃～-35 ℃区段。在这一区段, 冻胀率随温度的降低增长缓慢, 增长趋势不再明显。当温度由-20 ℃下降到-35 ℃时, 含盐量为0.71%的试件的冻胀率增加了0.10%, 含盐量为2.0%的试件的冻胀率增加了0.10%；含盐量为3.0%的试件的冻胀率增加了0.09%；含盐量为4.0%的试件的冻胀率增加了0.09%；含盐量为5.0%的试件的冻胀率增加了0.08%。而试件含水率为23%时, 冻胀率增加值分别为0.08%、0.07%、0.07%、0.05%和0.04%, 因此, 在这一温度阶段, 含水量对冻胀率的影响已经很小；含盐量对冻胀率的影响也很小。