米海珍,劉志義,文　桃,史天龍(蘭州理工大學土木工程學院,甘肅蘭州　730050)

含細粒土夾層粗顆粒硫酸鹽漬土鹽脹實驗分析

米海珍,劉志義,文桃,史天龍
(蘭州理工大學土木工程學院,甘肅蘭州730050)

為研究含細粒夾層粗顆粒硫酸鹽漬土經(jīng)多次凍融循環(huán)后的鹽脹特性,對取自甘肅河西走廊地區(qū)敦煌飛機場某天然料場的粗顆粒鹽漬土進行了室內多次凍融循環(huán)鹽脹實驗.結果表明:含細粒土層與不含細粒土層的硫酸鹽漬土的鹽脹主要集中在－5~15℃,在這個溫度區(qū)間鹽脹量變化較小;隨著溫度的升高,鹽脹量有所減少,升溫過程中鹽脹減少量為降溫過程中鹽脹增加量的1/2左右,但最終都趨于一個大于零的穩(wěn)定值.含細粒土夾層粗顆粒硫酸鹽漬土的鹽脹量大于不含細粒土夾層的鹽漬土,且前者鹽脹量是后者鹽脹量的1．5倍左右.

細粒夾層;粗顆粒硫酸鹽漬土;凍融循環(huán);鹽脹

引用格式:Mi Haizhen,Liu Zhiyi,Wen Tao,et al．The Salt Expansion Experimental Analysis on CoarseGgrained Sulphate Salty Soil in FineGgrained Soil Interlayer[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):88G91,112．[米海珍,劉志義,文桃,等．含細粒土夾層粗顆粒硫酸鹽漬土鹽脹實驗分析[J]．甘肅科學學報,2016,28(2):88G91,112．]

鹽漬土是指包括鹽土和堿土在內的不同程度鹽化、堿化的土壤的統(tǒng)稱.我國鹽漬土土地面積約為1．908×105km2,約占國土面積的1．99%,主要分布在干旱、半干旱和寒冷地區(qū)[1].其中甘肅省是鹽漬土分布面積較大的省份之一,約有1．16×104km2,主要分布在河西走廊地區(qū).土地鹽漬化對建筑物的危害非常嚴重,西北地區(qū)的公路、房建、機場、輸電塔架等工程大多數(shù)都涉及該問題.

目前已有很多學者對硫酸鹽漬土的工程病害進行了研究,認識到硫酸鹽漬土在季節(jié)性凍融和蒸發(fā)作用下,部分鹽分從融化區(qū)向凍結區(qū)遷移,從潮濕區(qū)向干燥區(qū)遷移,最后結晶析出造成體積膨脹即鹽脹,從而對工程建筑物或農田造成嚴重的破壞[2,3].鹽脹是土體內鹽分的遷移聚積、結晶體脹和土體膨脹三個過程的綜合結果.劉娉慧等[4]對天然硫酸鹽漬土的膨脹率以及法向膨脹力進行了測試和分析,發(fā)現(xiàn)硫酸鹽漬土具有較大的法向鹽脹壓力;費學良等[5]在研究西安黃土過程中發(fā)現(xiàn),含3%硫酸鈉的初始干密度為1．8 g/cm3時鹽脹率最小.張莎莎等[6G8]對甘肅典型天然粗粒鹽漬土進行了工程特性試驗及其鹽脹機理研究,并且針對不同種類粗粒鹽漬土進行了路用性能指標的分析.

通過在河西實地考察發(fā)現(xiàn),粗顆粒硫酸鹽漬土通常含有多層細粒土夾層,其工程病害程度較粗顆粒硫酸鹽漬土更為嚴重,但目前對含細粒夾層粗顆粒硫酸鹽漬土的工程病害研究甚少.為此,選取河西走廊地區(qū)敦煌飛機場含細粒夾層的天然粗顆粒硫酸鹽漬土進行室內鹽脹實驗研究,對含細粒夾層和不含細粒夾層的天然粗顆粒鹽漬土進行了多次凍融循環(huán)后的鹽脹特性進行分析,為今后西北地區(qū)含細粒夾層的粗顆粒硫酸鹽漬土地基處理提供參考指導.

1　實驗方案

1．1試樣基本工程性質

研究根據(jù)文獻[9],對試樣進行易溶鹽含量測定、篩分試驗和擊實實驗,實驗基本參數(shù)見表1和表2.經(jīng)分析,該鹽漬土屬于礫砂.擊實實驗采用重型擊實實驗,得到粗顆粒硫酸鹽漬土和細顆粒硫酸鹽漬土的最佳含水率及最大干密度分別為6．71%、2．38 g/cm3和11．57%、1．866 g/cm3.根據(jù)文獻[10]取壓實度為93%,即在有機硬質塑料桶中土體擊實后的干密度等于最大干密度乘以0．93,含水率采用最佳含水率.

表1　試樣易溶鹽各離子含量Table 1　Contents of easily soluble salt ions of sample

1．2實驗方案設計

實驗中試樣設計為不含細粒層粗顆粒硫酸鹽漬土和含細粒層粗顆粒硫酸鹽漬土兩種,其中含細粒層試樣分五層夯填,第1、3、5層為粗粒層,第2、4層為細粒層;不含細粒層分三層夯填.實驗中一個循環(huán)的溫度區(qū)間設計為5~15℃、0．5~5℃、－5~ 0．5℃、－10~－5℃、－15~－10℃,每單次降溫時間以溫度傳感器為準(即每2 h溫度變化幅度小于0．2℃為準),共經(jīng)歷四個凍融循環(huán).

1．3試樣制備與儀器

試樣取自敦煌飛機場某天然料場的含細粒夾層的粗顆粒鹽漬土,試樣取回后,先對其進行易溶鹽含量測定、篩分試驗和擊實實驗.對土樣進行洗鹽,并配以2%硫酸鈉拌勻,然后養(yǎng)護24 h.

試樣養(yǎng)護好后,將不含細粒土層的試樣分三次裝入高54 cm,內徑27 cm的有機硬質塑料桶中;而含細粒土層的試樣分五次裝入有機硬質塑料桶中,其中第1、3、5層為粗顆粒土,第2、4層為細顆粒土,擊實后粗顆粒土每層高度為14 cm,細顆粒土每層高度為6 cm.試樣裝填好后,將其擊實到所需的壓實度(93%),并進行凍融循環(huán).試樣桶為20 mm厚的硬質塑料桶,并在桶外壁和上下底板粘貼保溫膜,保證試樣在降溫過程中同一水平面上溫度一致.同時,在桶內壁涂抹凡士林,減少試樣在鹽脹過程中與桶壁間的摩擦.同時在一號桶和二號桶每層試樣中插入溫度傳感器測量各層溫度,并采用百分表測量試樣的鹽凍脹量.

2　實驗結果分析

2．1硫酸鹽漬土鹽脹特性

甘肅省河西走廊地區(qū)敦煌某天然料場含細粒土層與不含細粒土層粗顆粒硫酸鹽漬土在單次凍融循環(huán)中,其各溫度區(qū)間的鹽脹量變化規(guī)律分別如圖1、圖2所示.

從圖1、圖2中的四次凍融循環(huán)可以看出,含細粒土層與不含細粒土層的粗顆粒硫酸鹽漬土,其鹽脹量都隨溫度降低而逐漸增加,而隨著溫度升高逐漸減小,并且最終都趨于一個大于零的穩(wěn)定值.同時,從四次凍融循環(huán)周期的曲線圖可以看出,含細粒土層與不含細粒土層的粗顆粒硫酸鹽漬土均在－5~15℃溫度范圍內鹽脹量增加的較為劇烈,而在－15~－5℃這個溫度區(qū)間鹽脹量增幅較小.在升溫過程中,通過溫度傳感器讀取的溫度顯示,鹽脹量在0．3~13℃這個溫度區(qū)間迅速減小,其減小量約占整個升溫過程中總減小量的90%以上.

圖1、圖2中的實驗結果表明,在5~15℃、0．5~5℃、－5~0．5℃三個降溫區(qū)間內,含細粒土層鹽脹量約為不含細粒土層鹽脹量的1．5~2．0倍,圖1(a)~(c)和圖2(a)~(c)看出,前三個凍融循環(huán)周期中鹽脹量基本完成了總鹽脹量的85%以上.圖1(a)與圖2(a),即第一循環(huán)過程中,鹽脹量達到了總鹽脹量的50%以上,含細粒土層鹽脹量約為不含細粒土層鹽脹量的2．0倍左右.在升溫過程中,含細粒土層鹽脹量的減小量也大于不含細粒土層鹽脹量的減小量.圖1(b)~(d)和圖2(b)~(d)中,后三個凍融循環(huán)過程中鹽脹量較第一循環(huán)過程鹽脹量增量有所減少,通過溫度傳感器讀取溫度顯示升溫過程中鹽脹量的減小量基本為降溫過程中鹽脹量增加量的0．5倍左右.圖1(c)與圖2(c)、圖1(d)與圖2(d)顯示,凍融循環(huán)周期中,含細粒土層與不含細粒土層鹽脹量增長趨勢曲線基本吻合,且其鹽脹量較前兩個循環(huán)有所減少.

圖1　不含細粒土層粗顆粒硫酸鹽漬土在各溫度區(qū)間的鹽脹量變化Fig．1　Changes of salt expansion amount of coarseGgrained sulphate salty soil in soil interlayer without fine grains under different termperature range

圖2　含細粒土層粗顆粒硫酸鹽漬土各溫度區(qū)間的鹽脹變化Fig．2　Changes of salt expansion of coarseGgrained sulphate salty soil in fineGgrained soil interlayer under different termperature range

2．2鹽脹量與凍融循環(huán)次數(shù)的關系

含細粒土層和不含細粒土層粗顆粒硫酸鹽漬土在四次凍融循環(huán)下的鹽脹量變化規(guī)律分別如圖3、圖4所示.

圖3　不含細粒土層粗顆粒硫酸鹽漬土Fig．3　CoarseGgrained sulphate salty soil in soil interlayer without fine grains

圖4含細粒土層粗顆粒硫酸鹽漬土Fig．4　CoarseGgrained sulphate salty soil in fineGgrained soil interlayer

從圖3和圖4可以看出,隨著凍融循環(huán)的次數(shù)的增加,含細粒土層與不含細粒土層的粗顆粒硫酸鹽漬土,其鹽脹量都具有很好的累加性,但進入第三次凍融循環(huán)周期以后,鹽脹量的增量有所減小;在四次循環(huán)后,含細粒土層的最大鹽脹量為0．936 9 mm,不含細粒土層的最大鹽脹量為0．597 7 mm,含細粒土層的最大鹽脹量是不含細粒土層鹽脹量的2倍左右.

由于土中硫酸鈉的溶解度對溫度變化極為敏感,在降溫過程中,硫酸鈉的溶解度迅速減小,土壤中的硫酸鈉溶液達到過飽和狀態(tài),從而吸水結晶成十水硫酸鈉析出,其體積增大為原來的3倍以上,結晶鹽一部分填充于土體中的孔隙,即結晶鹽被孔隙吸收,而另一部分結晶鹽則破壞了土體的結構,使土體產生鹽脹.另外,隨著溫度的逐漸降低,從硫酸鈉溶液中析出的十水硫酸鈉晶體也不斷增多.因此在降溫過程中,試樣的鹽脹量不斷增大.在溫度升高的過程中,硫酸鈉的溶解度迅速增大,部分十水硫酸鈉開始溶解致使土顆粒之間失去相互支撐而形成空缺,此時部分土顆?；芈?從而土體的鹽脹量減小.但是,還有一部分土顆粒雖然失去了硫酸鈉晶體的支撐,但由于其他土顆粒與其具有相互作用(內摩阻力、粘結力等)并沒有發(fā)生回落現(xiàn)象,從而產生殘余鹽脹量,表現(xiàn)出了鹽脹的累加性.

3　結論

(1)甘肅河西走廊地區(qū)粗顆粒鹽漬土在多次凍融循環(huán)過程中隨著溫度的變化鹽脹量有升有降.在四次凍融循環(huán)實驗中,鹽脹量主要以鹽脹累加為主.每單次凍融循環(huán)周期內,土體在降溫過程以鹽脹為主,升溫階段鹽脹量有所減少,但最終土體的鹽脹量都趨于一個大于零的穩(wěn)定值.

(2)在多次凍融循環(huán)循環(huán)實驗中,含細粒土層的鹽脹量較不含細粒土層鹽脹顯著增加,且前者鹽脹量最大值大約是后者鹽脹量的1．5倍,最終鹽脹量是后者鹽脹量的2．0倍左右;含細粒土層在升溫階段鹽脹量的減小值也大于不含細粒土層鹽脹量的減小值.實際工程中,對于含細粒夾層的粗顆粒鹽漬土應充分重視其鹽脹的處理.

(3)通過溫度傳感器讀取的數(shù)據(jù)顯示,鹽漬土在降溫階段鹽脹發(fā)生最顯著的溫度區(qū)間在－5~0．5℃.

[1]徐袒學,王家澄,張立新,等．土體凍脹和鹽脹機理[M]．北京:科學出版社,1999．

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[4]劉娉慧,王君臣,將劍,等．硫酸鹽漬土鹽脹特性試驗及分析[J]．吉林大學學報:地球科學版,2005,35(1):74G78．

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[6]張莎莎,楊曉華,謝永利,等．路用粗粒鹽漬土鹽脹特性[J]．長安大學學報:自然科學版,2009,29(1):20G25．

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[8]張莎莎,楊曉華,戴志仁．天然粗顆粒鹽漬土多次凍融循環(huán)鹽脹試驗[J]．中國公路學報,2009,22(4):28G32．

[9]交通部公路科學研究所．JTJ051G93公路土工試驗規(guī)程[S]．北京:人民交通出版社,1993．

[10]交通公路科學研究所．JTGB01G2003公路工程技術標準[S]．北京:人民交通出版社,2003．

The Salt Expansion Experimental Analysis on CoarseGGrained Sulphate Salty Soil in FineGgrained Soil Interlayer

Mi Haizhen,Liu Zhiyi,Wen Tao,Shi Tianlong
(School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

In order to research on the salt expansion characteristics of coarseGgrained sulphate salty soil in fineG grained soil interlayer after several freezeGthaw cycles,several salt expansion experiments indoor under freezeGthaw cycles on the coarseGgrained salty soil from some borrow area of Dunhuang airport in Hexi corridor area of Gansu are conducted．The experiment indicates that the salt expansion of sulphate salty soil in soil interlayer with or withG out fine grains mainly concentrates upon the temperature range between 15℃and－5℃,which has smaller chanG ges in salt expansion amount．The salt expansion amount gets lesser with the rise of temperature．The decreasing aG mount of salt expansion in the rise of temperature is about 0．5 times than the increasing amount of salt expansion in the fall of temperature．However the multiples tends to become stable constants which is above zero eventually．The salt expansion amount of coarseGgrained sulphate salty soil in fineGgrained soil interlayer is about 1．5 times than the salt expansion amount of salty soil in soil interlayer without fine grains．

FineGgrained interlayer;CoarseGgrained sulphate salty soil;Freezing and thawing cycles;Salt expansion

U491．5

A

1004G0366(2016)02G0088G05

10．16468/j．cnkii．ssn1004G0366．2016．02．019．

2015G01G20;

2015G05G19．

甘肅省電力設計院與蘭州理工大學合作項目(N2011620111000485)．

米海珍(1956G),男,甘肅慶陽人,博士,教授,碩士生導師,研究方向為巖土工程．EGmail:252729738＠qq．com．