生石灰添加对北方粉质盐碱渠基土冻胀融沉改良研究

冯玉坤

（卧虎沟水利服务站，辽宁省朝阳市喀左县 122300）

0 引言

在我国， 分布着较大面积的粉质盐碱土壤，由于该类土壤孔隙度较大且含有较多的易溶盐，遇水之后容易溶解和散失，使土体内部出现较多的孔隙，稳定性大幅降低[1]。 而北方盐碱区的渠道基土在冻融过程中更容易发生变形和破坏，导致渗漏、冻胀、沉陷等诸多难以根本解决的问题。 传统工程多通过加厚和改良渠道衬砌结构来控制盐碱区渠道基土冻胀破坏，但由于没有改变特殊的盐碱环境，不仅成本投入较大且改造效果并不理想[2]。

生石灰渠基土改良是近年来寒区灌溉渠道施工中提出的一种控制冻融破坏的新施工工艺，可以实现就地取材， 还可以大幅提高衬砌结构安全性和稳定性，具有重要的工程意义和价值[3]。 但工程理论和经验并不完善。 同时，由于地域土性、试验工况及工程要求的差异性， 必须进行精密的土工试验，才能获取特定工程范围内施工参数，保证工程效果。

故此次研究在自行设计并加工冻胀融沉试验装置的基础上，选择单因素冻融试验方法，精确设置了地不同梯度水平条件， 分别探讨了7 种不同的生石灰掺量水平、4 个不同的冷端温度水平，4种不同含水率水平条件下， 获得各因素对生石灰改良粉质粘土冻胀率和融沉系数的影响规律，分析探讨生石灰改良粉质盐碱渠基土的最佳条件与效果。 提高农业基础设施水平相对较低，改善水利基础设施，优化环境，降低生产成本。

2 试验与方法

2.1 试验方法

2.1.1 确定研究因素

根据生石灰改良粉质盐碱土的实际工程需求和试验设备要求[4]，研究选择生石灰掺量、冷端温度（指冻融循环试验过程中的最低温度，）以及含水率 （此次研究中的含水率是指土中水的质量与干土和掺入生石灰的总质量的比值。 ）3 个因素进行试验探究，各因素的选取依据和标准如下：

（1） 生石灰掺量：对于生石灰添加改良粉质盐碱土而言，生石灰的掺量无疑是最关键的因素，对改良土的冻胀和融沉特征有着直接影响[5]。

（2） 冷端温度：其大小决定了土体试样内温度的梯度， 温度梯度的大小又会直接影响土体的冻胀融沉速率。

（3） 含水率：含水率对于冻土特性的研究来说具有重要意义。 粉质盐碱土之所以会发生冻胀融沉现象，是因为其内部含有水分[6]。 但是，研究结果表明， 只有当土体内部的水分含量达到一定水平时， 土体的降温冻结和升温融化过程中才会发生冻胀融沉现象。 根据相关研究成果[7]，粉质土发生冻胀的临界含水率为19%左右，液限为36%左右。

2.1.2 方案设计

为了减少试验复杂性和试验数量， 研究中采取单因素试验的方式进行。 也就是固定两个参数值不变，对第3 个参数的影响展开试验研究。 每个试验方案试验3 个试样。 以其试验结果均值作为最终试验结果。 如果某个试样的试验结果偏差较大，超过了中间值的15%，应该重做该组试验[8]。

方案1：保持初始含水率35%、冷端温度-10℃两个指标不变， 对0%、4%、8%、12%、16%、20%、24%等7 种不同的生石灰掺量水平方案进行试验，以获取生石灰掺量对试样冻胀融沉的影响；

方案2：保持生石灰掺量为12%、初始含水率为35%两个因素水平不变，-10℃、-15℃、-20℃、-25℃等4 个不同的冷端温度水平进行试验；

方案3： 固定生石灰掺量12%、 冷端温度为-10℃两个因素不变， 对20%、25%、30%和35%等4种不同含水率水平进行试验。

2.1.3 测试方法

在试验开始之前， 首先采用分层压样法进行试样的制作， 制作过程中首先将试样筒在导热板上固定好，并在内壁均匀涂抹一层凡士林[9]。 将制作好的生石灰改良土分五层装入试样筒， 并分层击实，然后用保鲜膜将试样筒包裹严实，在室温条件下放置7 天进行试验。

试验时首先将在试样上面放置一层滤纸，再放透水板，最后安装好补水装置、温度传感器、位移传感器和保温棉层， 并将各个传感器接入数据采集器并调试。 在试样安装好之后，将试验台箱体内部的温度调至1℃，并保持6h。 然后开始进行冻胀试验， 试验中将温度循环装置的温度调整为试验方案所设定的负温， 每1min 采集一次试验数据， 在试件高度变化量小于0.02mm 时停止试验。然后进行融沉试验，将温度调整为30℃，并记录好试验数据，在试样的高度变化小于0.02mm 时停止试验。

2.3 仪器与设备

根据石灰改良土冻胀融沉试验的实际需求，参考了其他冻胀融沉试验装置的优点， 自行设计并加工了3 套简易的可以同时测量9 组试样的冻胀融沉试验装置。 试验系统主要由多功能物理模拟 试 验 平 台 （FQZH-015）、 恒 温 循 环 装 置（XT5718LT-R40）、导热板、透水和补水装置、试样筒以及温度和位移监测装置 （YWC-20 型应变式位移传感器）组成。

2.4 数据处理

在试验结束之后， 将收集的数据导入计算机进行试样的冻胀率和融沉系数的计算， 冻胀率和融沉系数的计算公式如下：

式中：η 为试样冻胀系数；α 为试样融沉系数；Δh为试样轴向变形量，mm；Δh0为试样融化下沉量，mm；h0试样初始高度，mm。

3 结果与讨论

3.1 生石灰掺量

根据各生石灰掺量方案的试验结果， 计算出冻胀率和融沉系数，结果如表1 所示。 从具体的试验数据来看，无论冻胀率还是融沉系数，均随着生石灰掺量的增加而减小。 其中没有掺入生石灰试样的冻胀率为10.80%，属于强冻胀土。当生石灰掺量小于4%时，对冻胀率和融沉系数的降低作用较为有限。 以冻胀率为例，生石灰掺量4%试样的冻胀率较未掺加生石灰试样的冻胀率减小了约2.69%；当生石灰掺量从4%增加到12%时，冻胀率和融沉系数的减小较为迅速，仍以冻胀率为例，生石灰掺量12%试样的冻胀率较生石灰掺量4%试样的冻胀率减小了约44.62%； 在掺量12%的基础上，进一步增加生石灰掺量，其对冻胀率和融沉系数的减小作用又趋于减弱。 综上，在粉质盐碱土中掺加生石灰可以降低土体的冻胀率和融沉系数，这对于减轻灌溉渠道冬季冻胀融沉破坏有利。 生石灰的掺量以12%为最佳， 不仅可以获得良好的冻胀融沉控制效果，也可以有效控制施工成本。

表1 不同生石灰掺量冻胀融沉试验结果

研究中对试验数据进行回归分析， 并对冻胀率和融沉系数与生石灰掺量之间的关系进行拟合，结果如表2 所示。 试验结果和拟合关系曲线如图1 所示。 由表2 和图1 可以看出，同试验条件下的冻胀量要小于融沉量， 原因是试验本身的无外荷载的情况下进行， 并在自重作用下产生融沉变形，因此试样的融沉量要大于冻胀量[10]。此外，拟合结果对工程应用和其他类似研究也具有一定的支持和借鉴作用。

表2 冻胀率和融沉系数与生石灰掺量拟合关系

图1 不同生石灰掺量试验结果拟合曲线

3.2 冷端温度

根据试验计算出冻胀率和融沉系数， 结果如表3 所示， 并绘制出冻胀率和融沉系数随冷端温度变化曲线（图2 和图3）。 从图中可以看出，随着冷端温度的降低， 试样的冻胀率和融沉系数均呈现出近似线性减小的变化特征。

表3 不同冷端温度冻胀融沉试验结果

图2 冻胀率随冷端温度变化曲线

图3 融沉系数随冷端温度变化曲线

土体冻胀融沉产生的过程实质上也就是土体内温度场发展的过程， 土体伴随着温度的降低产生冻胀，又随着温度的回升产生融沉。 土体内部温度场的变化是土体发生冻胀融沉变化的内因，由于冷端温度值会直接影响试样内部的温度梯度特征，因此，也是改良土冻胀和融沉变化特征的重要影响因素。

由此可见， 较低的冷端温度对控制生石灰固化粉质盐碱土的冻胀变形有利。 究其原因，在较低的冷端温度条件下，土体冻结速度较快，土体中的水分来不及迁移即冻结成冰，因此冻胀发展停滞，冻胀率和融沉量较小[11]。

3.3 含水率

试验结果如表4 所示。 绘制冻胀率和融沉系数随含水率变化曲线（图4 和图5）。 可以看出，在其他条件不变的情况下， 生石灰改良粉质盐碱土的冻胀率和融沉系数均随着含水率的增大而增大，且呈现出近似线性变化关系。 究其原因，试样土体的初始含水率越大， 则土体本身的饱和度也就越大，在冻结过程就会产生较多的孔隙冰，因此冻胀量相对较大[12]。

表4 不同含水率冻胀融沉试验结果

图4 冻胀率随含水率变化曲线

图5 融沉系数随含水率变化曲线

4 结语

此次研究通过室内试验的方式， 探讨了生石灰改良粉质盐碱渠基土的相关参数变化对冻胀率和融沉系数的影响，获得的主要结论如下：

1）在粉质盐碱土中掺加生石灰可以降低土体的冻胀率和融沉系数，掺加量以12%为最佳。

2）较低的冷端温度对控制生石灰固化粉质盐碱土的冻胀变形有利。

3）生石灰改良粉质盐碱土的冻胀率和融沉系数均随着含水率的增大而增大， 较小的初始含水率对控制渠基土的冻胀变形更有利。 □