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(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

1 研究背景

鹽漬土是指易溶鹽含量超過0.3%的土[1]。在巖土工程中，通常將鹽漬土歸納入特殊地基的一種，主要是由于鹽漬土的三相組成比一般土要復(fù)雜，液相中含有易溶鹽溶液，固相中含有結(jié)晶鹽顆粒，尤其是易溶性的結(jié)晶鹽[2]。目前，一些學(xué)者對鹽漬土的鹽脹理論研究已經(jīng)取得了初步的成果。李寧遠等[3]通過試驗與理論分析對硫酸鹽漬土的膨脹原因和膨脹過程作了剖析,并對用氯鹽漬土來消減硫酸鹽漬土膨脹的途徑進行了初步研究；高江平等[4]認為硫酸鹽漬土鹽脹率隨含水率、氯化鈉含量、硫酸鈉含量、初始干重度和上覆壓力這5個主要因素的變化而變化，并初步得到了鹽脹率與各影響因素之間均呈二次拋物線的規(guī)律；彭鐵華等[5]研究了降溫速率對硫酸鹽漬土鹽脹特性的影響，分析認為隨著降溫速率的減小，鹽脹率呈冪指函數(shù)增長；王俊臣等[6]建立了鹽漬土鹽-凍脹預(yù)報模型；萬旭升等[7]分析了初始的溶液濃度和外界環(huán)境溫度對硫酸鹽漬土的鹽凍脹特性。

針對新疆地區(qū)的天然鹽漬土，包衛(wèi)星等[8]研究了不同含鹽量水平下砂類鹽漬土的鹽脹變化特點；張莎莎等[9]研究了天然粗顆粒氯化物硫酸鹽漬土在多次凍融循環(huán)時具有明顯的體縮現(xiàn)象，上覆壓力對粗顆粒鹽漬土鹽脹起到明顯的抑制作用；那姝姝等[10]研究了羅布泊氯鹽漬土的溶陷特性；慈軍等[11-12]分析了新疆羅布泊地區(qū)鹽漬土特征的基本情況，并分別研究了凍融循環(huán)次數(shù)、干密度、含水率等因素對鹽漬土鹽凍脹的特性影響。不同區(qū)域不同類別的鹽漬土工程性質(zhì)差異很大，隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，新疆作為核心區(qū)，各種基礎(chǔ)建設(shè)日益增多，而新疆的鹽漬土分布廣泛，所以在新疆鹽漬土地區(qū)建設(shè)在所難免。以往對鹽漬土的鹽脹研究多集中在硫酸鹽漬土，對氯鹽漬土多考慮的危害是溶陷破壞，而慈軍等[11-12]研究發(fā)現(xiàn)氯鹽漬土的鹽脹危害也不容忽視。

本文通過凍融循環(huán)裝置對新疆羅布泊地區(qū)天然亞氯鹽漬土的鹽脹特性進行研究，研究成果對分析含硫酸鹽亞氯鹽漬土的鹽脹機理和治理鹽脹病害具有重要意義。

2 試驗方案及試樣基本性質(zhì)

2.1 試驗方案

采用新疆典型地區(qū)羅布泊天然鹽漬土作為本次試驗土樣。本試驗采用室內(nèi)模擬試驗，模擬自然界冬季溫度降低和第2年春天溫度升高的過程，觀察試樣在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的變形量。為了有效模擬自然條件下的凍結(jié)和融化過程，有機玻璃筒的兩端分別與恒溫槽設(shè)備相連通，在試樣的兩端之間形成溫度差，試樣可在豎直方向上自由膨脹變形。為了模擬土樣的邊界條件與自然狀況下一致，且不與外界發(fā)生熱交換，在有機玻璃筒周圍包裹一層保溫材料。試樣采用輕型擊實標準，將試樣按最優(yōu)含水率配置并進行封閉悶料使含水均勻，將配置好的土樣以壓實度為93%的標準分6次擊入高68 cm，內(nèi)徑30 cm的有機玻璃筒內(nèi),由上而下依次分為第1層，第2層,…,第5層，第6層是底部制冷頭的控制溫度，不考慮該層溫度變化。分層在預(yù)留的有機玻璃筒邊壁孔洞預(yù)埋溫度感應(yīng)探頭,監(jiān)測土體內(nèi)部的溫度變化情況，頂端裝上百分表記錄變形量。試樣的成型溫度控制在20 ℃左右。試樣共經(jīng)歷了7次凍融循環(huán)周期，每個周期歷時48 h。降溫時，上端面為冷端面，設(shè)置溫度為-25 ℃，下端面設(shè)置為5 ℃;升溫時，上端面設(shè)置為20 ℃，下端面還是設(shè)置為5 ℃不變。圖1為試驗裝置示意圖。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test apparatus

2.2 試樣基本性質(zhì)

試樣的粒徑組成見表1，粒徑分布曲線見圖2，可以看出土粒不均勻系數(shù)Cu為2.8，曲率系數(shù)Cc為1.43，該土粒級配不良，土粒組成較均勻。試樣易溶鹽離子含量見表2，基本物理性質(zhì)見表3。

表1 試樣粒徑組成Table 1 Grain size distribution of test soil

圖2 粒徑分布曲線Fig.2 Curve of grain size distribution

離子含量/%離子含量/%CO32-0.0000Ca2+0.1625HCO3-0.0235Mg2+0.1620Cl-2.6312K++Na+1.7652SO42-1.1457合計5.8901

表3試樣基本物理性質(zhì)
Table3Basicphysicalpropertiesofthetestsoil

液限WL/%塑限WP/%塑性指數(shù)IP最優(yōu)含水率W/%最大干密度ρd/(g·cm-3)土樣類別24.315.98.412.31.7含砂低液限粉土

3 試驗結(jié)果分析

3.1 亞氯鹽漬土溫度變化過程

羅布泊地區(qū)含砂低液限粉土中亞氯鹽漬土凍融作用下各土層的溫度歷時曲線如圖3。

圖3 亞氯鹽漬土凍融循環(huán)過程各土層溫度變化與 時間關(guān)系曲線Fig.3 Time-history curves of temperature in different layers of sub-chlorine saline soil under freezing-thawing cycles

由圖3可知，第1層土體溫度的升降變化幅度較大且變化速度較快，而隨著深度增大，不同層位的溫度變化范圍越來越小，符合自然界中土體溫度變化的趨勢。顯然第1層土體的溫度變化區(qū)間為-4.8～16.2 ℃，第2層土體的溫度區(qū)間為1.6～13.9 ℃，第3層土體的溫度變化區(qū)間為4.6～12.8 ℃，第4層土體的溫度變化區(qū)間為6.9～12.1 ℃，第5層土體溫度變化區(qū)間為7.7～10.7 ℃，各土層的平均升溫速率和平均降溫速率見表4。由表4可知，平均升降溫速率逐漸降低，到第5層土層基本不變。

表4 各土層的平均升降溫速率Table 4 Average rates of temperature rise andtemperature decline in each soil layer

由圖3還可以得出，各土層的最低氣溫基本上發(fā)生在第4次凍結(jié)過程，但與其他6次凍結(jié)過程的溫度相差不大，可初步認為是每次凍結(jié)過程溫度基本相同，土體第1層的溫度隨著調(diào)節(jié)溫度的升降而升降，但第2層到第5層土體實測溫度相對滯后于調(diào)節(jié)溫度，第2層滯后時間最短，第5層滯后時間最長。

3.2 凍融循環(huán)作用下亞氯鹽漬土的鹽脹特性及性狀分析

羅布泊地區(qū)低液限粉土中亞氯鹽漬土凍融作用下鹽脹量過程曲線如圖4(a)。亞氯鹽漬土鹽脹量歷時曲線見圖4(b)。

(a) 過程曲線

(b) 歷時曲線圖4 亞氯鹽漬土鹽脹量過程曲線和歷時曲線Fig.4 Process lines and duration curve of salt expansion in sub-chlorine saline soil

由圖4可知，低液限粉土亞氯鹽漬土在凍融作用下，鹽脹量隨溫度的降低而逐漸增加。由于土體是熱的不良導(dǎo)體，鹽脹在第1周期初始階段，土體降溫速率較慢，鹽脹在0～3 h內(nèi)表現(xiàn)不明顯。當(dāng)溫度保持在-25 ℃，3 h后，鹽脹量增加較大且增長速度較平緩，即3～24 h內(nèi)每小時的平均增長量相差不大，且第1周期的鹽脹總量不是很大，這主要是因為凍融作用可使土體的結(jié)構(gòu)變得疏松，孔隙率變大，對鹽脹有一定的吸收作用。第2周期到第4周期鹽脹量在0～15 h增長較快，15～24 h內(nèi)土體鹽脹速度相對平緩一些，鹽脹量增加相對小一些。第5周期到第7周期在0～12 h土體鹽脹速度較快，后期逐漸趨于平緩。升溫時，鹽脹量開始回落，但鹽脹量每個周期只回落一小部分，回落過程主要發(fā)生在升溫初期0～8 h內(nèi),8 h之后回落過程基本穩(wěn)定。隨著凍融循環(huán)周期的增加，最大鹽脹量也在不斷疊加，鹽脹過程具有較好的累加效應(yīng)，最大鹽脹量可達到7.61 mm。主要的鹽脹量增長周期發(fā)生在前4周期，前4周期的鹽脹量占7次鹽脹量的80%左右。總體來說，鹽脹量增長速率隨著凍融循環(huán)周期的增加而逐步降低。其原因是在凍融循環(huán)作用過程中，溫度場、毛細管水、鹽分等作用使鹽分重新分布，鹽分結(jié)晶的位置將發(fā)生改變，晶體對土體顆粒產(chǎn)生移動、錯位，使土體的體積為之膨脹。在溫度升高的階段，鹽結(jié)晶體逐漸溶解，作用在土體顆粒的膨脹力隨之降低，直至全部消失，使土體顆粒的空間排列位置發(fā)生明顯改變，小顆?；芈渲镣令w粒骨架空隙中，較大顆粒組成新的骨架達到平衡狀態(tài)，但并不會恢復(fù)到初始的骨架平衡狀態(tài)。

圖5為亞氯鹽漬土鹽脹平均速度和鹽脹率與凍融循環(huán)周期的關(guān)系曲線。

(a)鹽脹平均速度 (b)鹽脹率圖5 亞氯鹽漬土鹽脹平均速度和鹽脹率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig.5 Curvesoftheaveragerateandtheratioofsaltexpansioninsub-chlorinesalinesoilvs.thenumberoffreezing-thawingcycle

由圖5可知：在前5次凍融循環(huán)中鹽脹平均速度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸遞增，而第6次和第7次凍融循環(huán)的鹽凍脹平均速度開始減小；鹽凍脹率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐步增加，但增加的幅度隨著凍融循環(huán)次數(shù)有所降低。經(jīng)過一系列的試驗可得出鹽脹平均速度、鹽脹率隨著凍融循環(huán)次數(shù)變化的回歸方程為:

Y=-0.000 7X3+0.006 1X2-0.007 4X+0.111 1，

R2=0.997 9 ；

(1)

Z=-0.002 5X3+0.016 1X2+0.151 4X+0.282 9，

R2=0.999 。

(2)

式中：Y為鹽脹平均速度(mm/h)；Z為鹽脹率(%)；X為凍融循環(huán)次數(shù)；R2為擬合系數(shù)。

3.3 含硫酸鹽亞氯鹽漬土的鹽脹機理分析

Blaser等[13]指出：在降溫過程中，硫酸鈉會與水發(fā)生水合反應(yīng)引起鹽分的聚集，從而結(jié)晶生成芒硝，體積增大3.11倍，土體發(fā)生膨脹破壞。在自然界中由于環(huán)境溫度較高，蒸發(fā)作用使土中的鹽溶液不斷向頂部聚集,當(dāng)環(huán)境溫度降低時，硫酸鈉的溶解度降低，硫酸鹽結(jié)晶析出發(fā)生膨脹。一般認為亞氯化鈉鹽漬土主要發(fā)生的是溶陷破壞，并不是鹽脹破壞，主要原因是氯化鈉在水中的溶解度隨溫度的改變基本上不發(fā)生變化，且氯化鈉與水發(fā)生水合反應(yīng)生成的是二水氯化鈉，體積增大1.3倍。對于含有大量氯化鈉的硫酸鈉溶液，隨著氯化鈉濃度的不斷增大，硫酸鈉溶解度逐漸降低，這就是工程中摻適量的氯化鈉來抑制硫酸鈉的鹽脹，達到“以鹽治鹽”的目的。

基于本文中亞氯鹽漬土也產(chǎn)生了過大的鹽脹可得出，溫度的降低與升高是影響鹽脹產(chǎn)生的主要原因，加入氯鹽主要是削弱溫度降低帶來的影響，并且氯鹽的含量要控制在一定的范圍，不然鹽脹作用也會比較明顯，同時針對現(xiàn)行規(guī)范中氯鹽和硫酸鹽的劃分作進一步研究時，可適當(dāng)考慮含鹽總量，以期更加準確判斷硫酸鹽漬土和氯鹽漬土。

4 結(jié) 論

(1)羅布泊地區(qū)的亞氯鹽漬土土層溫度每一層呈拋物線變化趨勢。隨著深度增大，不同層位的溫度變化范圍越來越小。

(2)低液限粉土亞氯鹽漬土在凍融作用下，鹽脹量隨溫度的降低而逐漸增加。隨著凍融循環(huán)周期的增加，最大鹽脹量也在不斷疊加，鹽脹過程具有較好的累加效應(yīng)，最大鹽脹量可達到7.61 mm。在溫度升高的階段，鹽脹量有所回落，但并不會恢復(fù)到初始的平衡狀態(tài)。

(3)在前5次凍融循環(huán)中鹽脹平均速度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸遞增，而第6次和第7次凍融循環(huán)的鹽凍脹平均速度開始減小。而鹽凍脹率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐步增加，但增加的幅度隨著凍融循環(huán)次數(shù)有所降低。

(4)溫度的降低與升高是影響鹽脹產(chǎn)生的主要原因，加入氯鹽主要是削弱溫度降低帶來的影響，并且氯鹽的含量要控制在一定的范圍。

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