席宣宣 李壽寧

在我國(guó)公路工程中，一般將地表1 m以內(nèi)易溶鹽類(lèi)含量平均達(dá)到0.3%以上的土壤，稱(chēng)之為鹽漬土［1］。鹽漬土在我國(guó)分布范圍廣泛，新疆、青海、甘肅、寧夏、陜西和內(nèi)蒙等地區(qū)是鹽漬土分布面積最廣最多的地域，約占全國(guó)鹽漬土總面積的60%左右。該地區(qū)鹽漬土分類(lèi)屬于內(nèi)陸鹽漬區(qū)中的干旱、過(guò)干旱鹽漬土亞區(qū)。廣泛的道路調(diào)查表明，鹽漬土鹽脹和溶陷破壞是內(nèi)陸鹽漬土地區(qū)道路主要病害之一，鹽脹導(dǎo)致路面產(chǎn)生不均勻變形，形成波浪鼓包現(xiàn)象，溶陷導(dǎo)致路基路面不均勻沉陷，從而造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。

南疆地域受塔克拉瑪干沙漠干旱氣候的影響，土質(zhì)巖性呈高礦化度的鹽堿性。分布在塔克拉瑪干沙漠周邊的五地州四個(gè)師的交通道路都不同程度的受到鹽凍脹的破壞。新修道路三年后鹽凍脹破壞的程度可將局部路面抬高近20公分，有些地方原本低于路沿石10多公分的路面，因鹽凍脹上抬反而高出路沿石近10公分。其特點(diǎn)是:新修道路第一年越冬破壞程度輕一些，第二、第三個(gè)冬季，破壞程度一年比一年嚴(yán)重。四五年后基本趨于穩(wěn)定，但此時(shí)的道路上凸下陷破壞已經(jīng)很?chē)?yán)重了，進(jìn)入春夏有所恢復(fù)，來(lái)年入冬又開(kāi)始加劇破壞。這就是典型的鹽漬土道路病害。

道路破壞的規(guī)律是夏季基本不變形或變形很小，此時(shí)道路中的鹽、水、溫依然存在，但無(wú)明顯變形，說(shuō)明0℃上溫度同鹽、水共場(chǎng)時(shí)不促成鹽漬土體積變化。變性破壞主要發(fā)生在冬季，說(shuō)明低溫同鹽、溫共場(chǎng)時(shí)促使鹽漬土體積膨脹，對(duì)道路破壞起著決定性的作用。

本文主要對(duì)硫酸鹽漬土在開(kāi)放系統(tǒng)中進(jìn)行多次凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究對(duì)相同壓實(shí)密度在不同含水率和不同含鹽量條件下，經(jīng)過(guò)幾個(gè)不同溫度梯變的凍融循環(huán)后，對(duì)不同含鹽量和含水率的鹽漬土的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究分析，找到鹽漬土的鹽脹規(guī)律，從而證實(shí)鹽、水、低溫共場(chǎng)時(shí)對(duì)道路所起的破壞作用。

1 試驗(yàn)方法及原材

1.1 試驗(yàn)方法

鹽脹的發(fā)生主要是硫酸鹽漬土中的芒硝(Na2SO4·10H2O)，隨著溫度降低，硫酸鈉溶解度減小，吸水后形成結(jié)晶體，體積膨脹［2］而破壞道路。為了獲取硫酸鹽漬土經(jīng)降升溫結(jié)晶體積膨脹的相關(guān)資料，我們選用阿拉爾市道路破壞嚴(yán)重的典型路段的路基土作為試驗(yàn)用土，采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)的方法，觀察試樣在經(jīng)歷反復(fù)升降溫時(shí)的鹽脹變化，測(cè)取經(jīng)多次凍融循環(huán)后的鹽凍脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析計(jì)算整理得出規(guī)律性的結(jié)果。

表1 土樣參數(shù)表

2 實(shí)驗(yàn)裝置與結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

主要實(shí)驗(yàn)儀器裝置如圖1所示(1－底板、2－試桶、3－固定桿、4－墊鐵、5－套筒、6－百分表、7－連接桿)。

圖1 凍脹試驗(yàn)儀器

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)相同壓實(shí)度、含水率的含鹽和不含鹽的兩組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析而得出試樣的凍脹率和鹽脹率。試驗(yàn)主要儀器采用《公路土工規(guī)程》中承載比(CBR)試驗(yàn)的整套儀器(把量力環(huán)換成百分表，見(jiàn)圖1)、冰箱以及其他進(jìn)行裝樣的儀器;試驗(yàn)采用與滲透試驗(yàn)中各種不同的不均勻系數(shù)土樣，各組土樣及裝樣參數(shù)見(jiàn)表1;試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)將整套試驗(yàn)裝置放置于設(shè)定為－15℃的恒溫冰箱中模擬降溫過(guò)程中鹽脹和凍脹;當(dāng)變形達(dá)到穩(wěn)定后，將整套儀器置于室溫(10℃)中，讓其自然升溫模擬融沉。而整體則進(jìn)行4－5次凍融循環(huán)。

整套試驗(yàn)進(jìn)行四組試驗(yàn)，每組包括兩個(gè)試樣。整個(gè)試驗(yàn)分兩批進(jìn)行，每批四個(gè)試樣(第二組與第三組作為一批、第一組合第四組作為一批)其中三個(gè)架設(shè)百分表，一個(gè)架設(shè)溫度計(jì)(1－2和3－2)于試樣正中心

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

表2 鹽－凍脹試樣結(jié)果

2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合及分析

采用最小二乘法原理，利用matlab編程分析，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合得到如下公式。

方式一假定Y1=A1Cu+A2W+A3Ws+A4d+A5

方式二假定Y2=B1

y 為鹽脹率，A1，A2，A3，A4，A5為待定系數(shù)，Cu為不均勻系數(shù)，w為含水率，Ws為含鹽量，d為試樣干密度

兩次分別擬合得到

從上兩公可知:A3＞A2＞A4＞A1，B3＞B2＞B4＞B1，因此對(duì)膨脹率影響最大的為含鹽量，含水量次之，干密度相對(duì)較小，不均勻系數(shù)對(duì)鹽脹率影響最小。鹽脹率隨干密度的增加而減小。

2.4.1 不同含鹽量的變形實(shí)驗(yàn)

圖2 鹽－凍脹試驗(yàn)結(jié)果

從圖2可以看出隨著時(shí)間的增加，各試樣的變形量也逐步增加，溫度降低引起了試樣的2.4.2 不同含鹽量的溫度實(shí)驗(yàn)

圖3 鹽－凍脹試樣中心溫度

鹽－凍脹試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3，綜合分析可得:

(1)隨著溫度的降低試樣發(fā)生凍脹和鹽脹，對(duì)比2－1和2－2、4－1和4－2可知試驗(yàn)過(guò)程中試樣的縱向變形主要是由鹽脹引起;隨著溫度的升高，試樣出現(xiàn)溶沉，并且變形有殘留，殘留變形具有累加性。

(2)鹽脹變形有累加效應(yīng)，而凍脹沒(méi)有累加效應(yīng)。因?yàn)辂}脹過(guò)程中有 Na2SO4·10H2O(芒硝晶體)產(chǎn)生，體積發(fā)生膨脹是原來(lái)體積的3倍，這使得試樣土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞、土顆粒間空隙增大，在溫度降低時(shí)殘留了變形;而凍脹會(huì)隨著溫度的升高，在自重應(yīng)力下發(fā)生恢復(fù)。因此對(duì)應(yīng)路基結(jié)構(gòu)中路基土在多次凍融循環(huán)后，土體結(jié)構(gòu)的損失也是累積的，多次凍融循環(huán)必然導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)損傷破壞。

(3)當(dāng)含水量較小時(shí)，試樣變形隨著循環(huán)次數(shù)增加，其增長(zhǎng)速率減小，但不會(huì)出現(xiàn)溶沉現(xiàn)象(如試樣3－1);當(dāng)含水量較高，出現(xiàn)明顯的溶沉和變形殘存和累加。

(4)在同樣的溫變環(huán)境中，含鹽試樣對(duì)溫度的敏感范圍比不含鹽試樣低20度左右，為5℃ ～－20℃。

3 結(jié)論

溫度使鹽漬土發(fā)生鹽凍脹變形;對(duì)于不含鹽的土樣，隨著溫度的降低只發(fā)生凍脹變形，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得單純發(fā)生凍脹變形的土體總體變形量比較平緩，在消融的過(guò)程結(jié)束后基本能恢復(fù)到初始變形狀態(tài);而當(dāng)鹽漬土發(fā)生鹽凍脹變形時(shí)，隨著時(shí)間的增加，變形量基本呈現(xiàn)有規(guī)律的上升狀態(tài)，幅度較大且每次消融后都會(huì)有變形殘余存在，隨著凍融的不斷增加，每次發(fā)生的變形在消融后的變形殘余也逐步增加。

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