宁夏滨河路基盐渍化粉土的动力特性

马文国，张 刚，2，封少博，杨有贞，董旭光

（1.宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学 学术期刊中心，宁夏 银川 750021；3.榆林学院 生命科学学院，陕西 榆林 719000）

土壤盐渍化是指地下水或土壤底层中的易溶盐离子随毛细水上升到地表，水分蒸发后盐分积聚在表层土壤中的物理化学过程[1-2]。在农业、交通、建筑和水利等领域，研究人员对盐渍土开展了大量的研究工作，但其各自研究的重点有所不同，主要的研究内容有水盐运移规律，盐胀、冻胀、结晶和多场耦合下盐渍土的力学性质变化等方面。宁夏沿黄城市带有很多基础建设布局在盐渍化区域，盐渍土的研究具有较大的社会和经济价值。

在交通领域，路基甚至路面的盐渍化将导致土和结构面的强度降低。很多学者对盐渍土的力学特性进行了比较深入的研究。刘威等[3]对不同含盐类别和不同干密度的盐渍土开展了三轴试验，得出在干密度相同时，氯盐渍土比硫酸盐渍土的抗剪强度要小，并应用Duncan-Chang 模型模拟了盐渍土的应力-应变关系。马冰[4]通过试验得出，盐渍土无侧限抗压强度随含水率的增加而降低。席人双[5]通过试验得出，盐渍土的抗剪强度和黏聚力会随含盐量的增加而增大，而内摩擦角几乎不受影响。王沪生[6]通过试验得出，在干湿冻融循环条件下硫酸盐渍土的抗压强度会不断降低。姚占勇等[7]研究了盐分在非盐渍粉土路基中的运移规律，得出地下水矿化程度比地下水位和路基高度对盐分运移的影响要大。刘康[8]对青海的氯盐渍粉土进行了大量的试验，结果表明，增加含盐量会使干密度先增大后减小，抗剪强度参数出现开口向上抛物线的变化特点。吕擎峰等[9]采用石灰粉煤灰改良盐渍土，发现增加粉煤灰含量会导致盐渍土的强度先增大后减小。付玉涛[10]验证了砾石换填、冲击碾压和强夯等方法处理盐渍土地基是合理的。这进一步表明，《盐渍土地区建筑技术规范》（GB/T 50942—2014）[11]中的地基处理方法符合工程实际。封少博等[12]对宁夏北部滨河地区的盐渍土进行了静力和动力特性的测试，结果表明，盐渍土较无盐土有着较低的抗剪强度等性质。

在宁夏北部沿滨河大道修建了很多基础设施，周围主要是农田、池塘和滩涂，滨河大道施工就地取材，导致道路两边有很多低洼空地，盐渍化积聚更加严重。根据水文地质环境勘察结果，由于农田灌溉和路基临近黄河，笔者在多个探坑采样时发现地下自由水位非常浅，均在0.5～1.0 m，地表土体也很潮湿。滨河大道自运营以来，由于超载和地质环境等原因，路面病害比较严重。因此，开展宁夏滨河区域盐渍化粉土在循环荷载下的力学特性研究非常重要。本文分别对宁夏北部滨河路基盐渍粉土和洗盐粉土进行动三轴试验，通过研究盐渍土和洗盐土的滞回曲线、骨干曲线、抗液化能力、动弹性模量和阻尼比等多个指标，揭示其力学特性的变化规律，从而为宁夏盐渍土地区的基础建设提供参考。

1 路面病害与盐渍化

1.1 路基病害特征

滨河大道自运营以来，病害主要表现在路面基层的大面积龟裂，并伴随有纵向的贯通裂纹，裂纹尺寸较大，使用沥青进行了修复，如图1 所示。

图1 路面龟裂和纵向贯通裂纹

1.2 粉土的盐渍化特征

在实验室中，将粉土重塑后制备成直径50 mm、高度100 mm 的土样，土样表面形成盐渍化结晶，如图2 所示。本文利用离子色谱仪对土样中的离子质量浓度进行测定，结果如表1 所示。

表1 盐渍化粉土的离子质量浓度

图2 粉土盐渍化

由表1 可知，土壤中Cl-和Na+占据多数，其次是Mg2+，Ca2+和SO42-，也就是盐渍土中的盐分主要是以离子化合物NaCl 为主导，MgSO4和CaSO4次之。

根据《盐渍土地区建筑技术规范》（GB/T 50942—2014）对盐渍土按盐的化学成分分类，公式如下：

式中：c（Cl-）和分别表示氯离子和硫酸根离子在0.1 kg 土中所含毫摩尔数，mmol/0.1 kg。

当比值≤0.3 时，土样属于硫酸盐渍土；当0.3<比值≤1.0 时，土样属于亚硫酸盐渍土；当1.0<比值≤2.0 时，土样属于亚氯盐渍土；当比值>2.0 时，土样属于氯盐渍土。本文计算得出该比值为7.59，故滨河路基粉土属于氯盐渍土中的中盐渍土。

2 材料与方法

2.1 试样的基本物理力学性质

滨河大道路基主要由两边的农田和滩涂取土填筑路堤和路床而成，路基主要由盐渍化粉土、粉细砂和砂土组成，其中盐渍化粉土的物理力学性质如表2所示。

表2 滨河路基盐渍化粉土的物理力学性质

2.2 试样的洗盐、制备和饱和

（1）洗盐。首先，将土样过0.5 mm 的筛子，去除大颗粒和其他杂物；然后将土样放入洗涤桶中，按1∶5 加入高纯水进行搅拌稀释，土样沉淀稳定后把桶中水平缓倒出，如此将盐渍粉土清洗3 次，将土样自然风干后再过0.5 mm 的筛子。盐渍化粉土的循环荷载试验省去该步骤。

（2）制样。首先，将土样过0.5 mm 筛子后烘干称重并放入塑料密封箱中，把滤纸覆盖在土样上方；其次，用高纯水将土样配置到22.0% 的最优含水率；最后，将密封箱静置24 h，测试土样含水率是否达到要求，满足条件以后制备直径50 mm、高度100 mm 的重塑土样（干密度为1.58 g/cm3）。

（3）饱和。首先，将试样裹好保鲜膜，两端放置滤纸和透水石，制备多个试样，装在饱和器内，一起放入真空桶中抽真空；其次，以压力表的示数不变为准，将高纯水缓缓注入真空桶中，待水面没过饱和器后打开排气阀门，使试样在水中浸泡3 h；最后，将试样轻放在三轴试样底座上，拆掉保鲜膜后套上橡皮膜，将橡皮膜两端用损坏的橡皮膜扎紧后安装在压力室中，设置围压和反压，保持20 kPa 的压力差，围压和反压每级增加30 kPa，直至试样饱和度达到0.95 以上，饱和过程反压尽量不超过200 kPa，饱和结束后进行固结。

2.3 循环荷载试验方案

为研究上述饱和土样在循环荷载下的力学特性，本文的试验方案设计如表3 所示，表中固结压力和动应力的单位均为kPa，本文只给出了固结压力为100，300，500 kPa 下的试验方案。限于篇幅没有提供200，400 kPa 的试验方案和结果，动应力和固结压力的比例均相同。为研究骨干曲线和超静孔隙水压力发展情况，设计两种动态加载方案。

表3 循环荷载试验方案

（1）逐级加载试验：荷载频率1 Hz，固结比1.7，固结压力分别为100，300，500 kPa，其中动应力幅值从30 kPa 起，每级振动10 次，每级增加30 kPa，研究逐级加载条件下滞回曲线、骨干曲线、滞回曲线面积、动弹性模量和阻尼比的发展规律。

（2）恒定动载试验：为得出相同固结压力不同动应力幅值下滞回曲线、滞回曲线面积和孔隙水压力等变化趋势，设置频率为1 Hz，固结比为1。限于篇幅只给出300 kPa 固结压力下，动应力幅值为固结压力的0.4 和0.5 倍的试验结果用于比较。

3 逐级加载下粉土的动力特性对比

3.1 逐级加载下滞回曲线的比较

为清晰比较洗盐土和盐渍土在逐级加载下的滞回曲线，取试样破坏前3 个加载阶段的第6 个周期，绘制应力-应变的滞回曲线，如图3 所示。

由图3 可知，固结压力为100 kPa 时，盐渍土和洗盐土的动荷载均达到了相同的150 kPa；固结压力为300 kPa 时，盐渍土的动荷载达到了300 kPa，洗盐土的动荷载达到了330 kPa；固结压力为500 kPa时，盐渍土的动荷载达到了420 kPa，洗盐土的动荷载达到了480 kPa。因此，洗盐土较盐渍土具有较高的强度，但在100 kPa 固结压力下表现得不够明显。

3.2 逐级加载下骨干曲线的比较

本文将逐级加载各阶段第6 周期滞回曲线两端的顶点相连接，得出对应的骨干曲线，并对不同固结压力下盐渍土与洗盐土的骨干曲线进行比较，如图4所示。

图4 不同盐分条件下骨干曲线

由图4 可知，洗盐土与盐渍土的骨干曲线相似，当动应变较小时，两种土样的骨干曲线几乎重合；随着动应变的增大，盐渍土与洗盐土的骨干曲线开始有所分离，洗盐土的骨干曲线始终在盐渍土的骨干曲线的外面。因此，洗盐土比盐渍土有更高的抗变形能力。

3.3 逐级加载下滞回曲线面积的比较

不同盐分条件下（盐渍土、洗盐土）滞回曲线面积与振次关系的曲线如图5 所示，本文从另一个角度揭示盐分对土体的力学特性所带来的影响。

图5 不同盐分条件下滞回曲线面积与振次关系的曲线

由图5 可知，在前几级动应力作用下，两种土样的滞回曲线包围的面积S很小且几乎相等，土样处于弹性阶段。随着动应力的增大，S出现指数式增长，曲线斜率持续增大，相同的振次下盐渍土滞回曲线包围的面积明显大于洗盐土，意味着相同振次下盐渍土耗散的能量更大，产生的变形也会更大。

3.4 逐级加载下动弹性模量及阻尼比的比较

图6 为滨河路基盐渍土与洗盐土的动弹性模量及阻尼比的曲线。

图6 不同盐分条件下动弹性模量及阻尼比曲线

由图6 可知，盐渍土与洗盐土的动弹性模量和阻尼比随动应变的发展规律基本相同。在弹性阶段，盐渍土的动弹性模量明显大于洗盐土的动弹性模量，随着动应变的增加，盐渍土的动弹性模量逐渐地小于洗盐土的动弹性模量，而且固结压力越大，二者的差异就越大。在弹性阶段盐分的胶结作用较强，在弹塑性阶段这种胶结作用被逐渐破坏。盐渍土的阻尼比要大于洗盐土的阻尼比，主要是由于盐渍土在动应变过程中耗散的能量更多，土样的变形更大导致的。

4 恒定动载下粉土的动力特性

4.1 恒定动载下的滞回曲线

限于篇幅，图7 仅给出盐渍土和洗盐土在固结压力为300 kPa，动应力幅值为固结压力的0.4 倍和0.5 倍的恒定动载应力下的应力-应变滞回曲线。

图7 恒定动载条件下滞回曲线

由图7 可知，在弹性阶段，滞回圈接近封闭，随着振次的不断增加，滞回曲线不断右移，形成不可恢复的累计塑性变形，滞回曲线的倾斜角度不断变大。两种土样在相同固结压力下都是趋近于拉升破坏，盐渍土的滞回圈更大，能够消耗更多的动能。

4.2 恒定动载下滞回曲线面积的比较

将盐渍土和洗盐土的滞回曲线包围的面积进行比较，更能反映两种土样对应的滞回曲线的差异。图8 给出了固结压力为300 kPa，动应力幅值为固结压力的0.4 倍和0.5 倍的恒定动载应力下的滞回曲线面积对比图。

图8 不同盐分条件下滞回曲线面积与振次关系的曲线

由图8 可知，当所有加载条件都相同时，同等振次下盐渍土的滞回曲线面积明显大于洗盐土的滞回曲线面积，盐渍土的能量耗散大于洗盐土，洗盐土抵抗变形的能力比盐渍土更强。

4.3 超级孔隙水压力

盐渍土与洗盐土在相同条件下抗液化破坏能力的比较，主要以超静孔隙水压力的发展情况为依据。图9 给出了固结压力为300 kPa，两种动应力（固结应力的0.4 倍和0.5 倍）条件下的孔压比比较图。

图9 孔压比与振次关系的曲线

由图9 可知，盐渍土的超静孔隙水压力增长比洗盐土快得多。这可能是因为土体中盐分的存在会降低土体抗液化破坏的能力，随着振次的增加，土中易溶盐溶解速度加快，溶解后的易溶盐加速了中溶盐的溶解，大量盐分的溶解导致土中孔隙结构的破坏，土体颗粒迅速重新排列，土中孔隙体积减小，孔隙水来不及排出使得土中孔压急剧升高，有效应力降低，土体结构发生破坏。

5 结论与讨论

5.1 结论

（1）在相同的加载条件下，盐渍土更加容易产生变形，随着土中盐分含量的减少，土体抗变形能力得到一定的提升。相同振次下，盐渍土的滞回曲线面积比洗盐土的大。

（2）当动应变较小时，盐渍土的动弹性模量要大于洗盐土的动弹性模量，随着动应变的增大，盐渍土的动弹性模量出现了比洗盐土动弹性模量小的趋势。当动应变较小时，两种土样的阻尼比曲线几乎重合，随着动应变的增大，盐渍土的阻尼比明显高于洗盐土的阻尼比，说明盐渍土在动载下更容易遭破坏。

（3）相同条件下，洗盐土的孔压比增长明显慢于盐渍土，当达到某一固定孔压比，洗盐土所需的振次明显大于盐渍土，说明经过洗盐以后，土体抗液化的能力得到了提升。

5.2 讨论

综上所述，通过对洗盐土和盐渍土的试验结果比较可知，随着土中盐分的降低，土体抗变形、抗液化能力得到提升。可能的原因是土中的盐分是以晶体存在，这种晶体增强了土颗粒间的胶结，表现为在动应变较小的时候，要达到一定的动应变量所需的动应力有所提高，随着动荷载的持续施加，应变累积量不断增大，土颗粒间的这种胶结被破坏，土颗粒间出现相对错动并且进行了重新排列，孔隙通道被连通，更利于饱和试样中孔压的增长，升高的孔压同时也会加速土中盐分的溶解，更容易发生液化。而对洗盐土来说，其颗粒间主要靠摩擦力和咬合力接触，刚度和强度更高，对应力波的传递也更好，不易发生破坏。