劉夢瑤,馮懷平

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,石家莊 050043)

1 概述

近年來，中國將重建橫貫歐亞大陸的“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”，作為“一帶一路”的核心內(nèi)容之一，以高鐵為主的鐵路建設(shè)變得愈加重要。然而在西北地區(qū)的高速鐵路建設(shè)過程中遇到了大量鹽漬土地基[1]，鹽漬土是指地表以下1 m以內(nèi)易溶鹽含量大于0.5%的土，西北地區(qū)是我國主要鹽漬土分布地區(qū)，約占全國鹽漬土總面積的60%左右[2]，分布面積日趨增大。鹽漬土在干燥狀態(tài)下，土中易溶鹽顆粒以結(jié)晶形式與土顆粒膠結(jié)在一起，土體的強(qiáng)度和變形模量很高。因此，常規(guī)地基的處理方法，如強(qiáng)夯、灌漿法等對(duì)地基處理效果不太明顯[3]；鹽漬土地基浸水后，易溶鹽與土顆粒形成的膠結(jié)晶體溶解[4]，在上部壓力作用下會(huì)產(chǎn)生較大的溶陷變形?？梢钥闯觯}漬土的變形問題嚴(yán)重危害著對(duì)工后沉降等級(jí)要求極高的高速鐵路[5]。

關(guān)于鹽漬土溶陷問題，國外學(xué)者Kazi[6]、Li[7]、Stipho[8]、Dhowian等[9]先后針對(duì)中東地區(qū)(特別是沙特阿拉伯地區(qū))的含鹽砂土和黏土的物理力學(xué)性質(zhì)以及含鹽土與水的關(guān)系進(jìn)行了大量的試驗(yàn)探究；Nixon和Lem[10]研究了凍土地區(qū)的鹽漬土溶陷變形和蠕變特性。國內(nèi)學(xué)者程?hào)|幸等[11]通過現(xiàn)場浸水溶陷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含鹽量和含水量會(huì)影響溶陷特性，粗顆粒的含量、密實(shí)度及滲透系數(shù)也是影響溶陷性的重要因素；馮忠居等[12-17]通過室內(nèi)溶陷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鹽漬土溶陷與初始含水量，含鹽量，干密度，外加荷載，浸水時(shí)間，顆粒大小等有關(guān)，且受地域的影響較大，即不同地區(qū)的鹽漬土的工程特性不盡相同；楊曉華等[18]對(duì)鹽漬土地基的溶陷性進(jìn)行了離心模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)M了在最佳含水量的情況下，向天然鹽漬土中人為加入氯鹽，研究其溶陷變形在不同含鹽量情況下的變化。但是，在多因素影響下對(duì)鹽漬土溶陷變形的客觀經(jīng)驗(yàn)性判定公式以及影響溶陷變形的因素敏感性方面研究相對(duì)較少。

本文針對(duì)蘭新鐵路第二雙線路基鹽漬土，使用基于普通固結(jié)儀工作原理基礎(chǔ)上改進(jìn)的測試儀器，在單因素溶陷試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用正交設(shè)計(jì)方法進(jìn)行多因素溶陷試驗(yàn)，建立發(fā)生病害地段鹽漬土的溶陷變形預(yù)測模型，并探究影響此地區(qū)鹽漬土地基溶陷的敏感參數(shù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試樣基本性質(zhì)及土樣制備

圖1 試驗(yàn)用土粒徑級(jí)配曲線

試驗(yàn)用土的易溶鹽含量見表1，病害發(fā)生處的鹽漬土屬于強(qiáng)氯鹽漬土，且氯鹽極易溶于水，有很強(qiáng)的吸濕性，是造成鹽漬土溶陷變形的主要易溶鹽成分。但由于取樣樣本的針對(duì)性較強(qiáng)，無法準(zhǔn)確判斷該地區(qū)鹽漬土的鹽漬化程度。為了擴(kuò)大研究的應(yīng)用范圍，本文采用室內(nèi)配置鹽漬土的方式研究NaCl含量對(duì)溶陷特性的影響規(guī)律。

表1 天然鹽漬土試樣中易溶鹽各離子含量

制備土樣：依據(jù)設(shè)計(jì)的初始含水率、壓實(shí)度、含鹽量進(jìn)行配置烘干后的土；置于土樣制樣器中，制成高度為40 mm，直徑為61.8 mm的圓柱試樣；隨后將制備好的試樣放置在保濕器中，靜置48 h以上，每隔12 h翻轉(zhuǎn)一次，保證試樣中水分均勻，同時(shí)也為鹽漬土的結(jié)晶鹽產(chǎn)生膠結(jié)作用提供必要的時(shí)間。配置不同含鹽量的鹽漬土的具體步驟如下：

(1)洗土，用蒸餾水對(duì)試驗(yàn)用土反復(fù)淋洗和濾除，測試洗土完畢之后的土體電阻率，電阻率極大，說明土中易溶鹽離子基本洗凈；

(2)過篩，將上述洗土、風(fēng)干后的土樣進(jìn)行過5 mm篩(過大的顆粒對(duì)溶陷變形影響很小)；

(3)NaCl處理，將純NaCl顆粒進(jìn)行再研磨；

(4)按照試驗(yàn)方案，進(jìn)行土樣配置(土樣與NaCl充分混合，靜置7 d)。

2.2 溶陷試驗(yàn)儀器

鹽漬土在豎向荷載下，可溶解鹽溶解，土體承載力降低，產(chǎn)生較大的溶陷變形。側(cè)限壓縮試驗(yàn)(固結(jié)試驗(yàn))通常在普通固結(jié)儀完成。然而，普通固結(jié)儀通常采用20 mm高的環(huán)刀樣。試樣高度限制溶陷變形的范圍，為增加研究較大的溶陷變形，需要加高試樣高度。此外，固結(jié)試驗(yàn)通常為土樣排氣排水，而針對(duì)鹽漬土浸水為相反的過程，所以有必要對(duì)補(bǔ)水測量裝置進(jìn)行一定改進(jìn)。

本研究基于普通固結(jié)儀原理針對(duì)上面兩點(diǎn)不足進(jìn)行修正設(shè)計(jì)(圖2，圖3)。保證試驗(yàn)?zāi)軠?zhǔn)確反映鹽漬土壓縮特性以及溶陷特性的基礎(chǔ)上，滿足結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高的要求。綜上，本裝置需要6個(gè)重要的部分：(1)足夠高的土樣盛放裝置同時(shí)保證剛度非常高；(2)盛放土樣裝置下方應(yīng)當(dāng)帶有透水的底座，雙向保持通暢；(3)進(jìn)水裝置；(4)豎向加載裝置；(5)保留空間，安裝電子數(shù)據(jù)采集裝置；(6)配套人工度數(shù)裝置，與電子自動(dòng)采集裝置相互驗(yàn)證。

圖2 溶陷測試儀器結(jié)構(gòu)示意

圖3 溶陷測試儀器實(shí)物

3 單因素試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

3.1 單因素試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)是運(yùn)用正交回歸的分析方法，預(yù)測鹽漬土在3個(gè)因素(軸向壓力p、含鹽量s、壓實(shí)度k)的影響下的溶陷性的簡化模型。通常用溶陷系數(shù)來評(píng)價(jià)鹽漬土的溶陷性，溶陷系數(shù)越大，鹽漬土的溶陷性越大，溶陷系數(shù)的具體計(jì)算表達(dá)式為

式中δ——溶陷系數(shù)；

hP——浸水前，土樣加至最后一級(jí)壓力，下沉穩(wěn)定后的高度，mm；

h0——試樣的初始高度，mm。

為了確定正交試驗(yàn)中各因素中的具體水平參數(shù)，需要對(duì)鹽漬土在單因素作用下的溶陷系數(shù)進(jìn)行分析，因此設(shè)計(jì)的單因素的試驗(yàn)方案如下：(1)土樣的壓實(shí)度k設(shè)定為0.89，軸向壓力F設(shè)定為150 kPa，研究鹽漬土含鹽量s分別為0%，2%，4%，6%，8%的情況下，溶陷系數(shù)的變化情況；(2)僅變化壓實(shí)度k(0.85，0.87，0.89，0.91，0.93)，觀察土樣溶陷系數(shù)在含鹽量s為6%，軸向壓力p為150 kPa時(shí)的變化情況；(3)研究軸向壓力p(50，100，150，200，250 kPa)對(duì)溶陷系數(shù)影響，土樣含鹽量s設(shè)定為6%，壓實(shí)度k設(shè)定為0.89。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)3.1中所設(shè)定的試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，分別得到鹽漬土溶陷系數(shù)與壓實(shí)度、含鹽量、軸向壓力的關(guān)系曲線，如圖4～圖6所示。

圖4 溶陷系數(shù)-壓實(shí)度關(guān)系曲線

圖5 溶陷系數(shù)-含鹽量關(guān)系曲線

由圖4可知，鹽漬土溶陷系數(shù)隨壓實(shí)度的增加而減小。壓實(shí)度越小，試樣的孔隙比越大，孔隙數(shù)量越多，試樣內(nèi)部可形成多條連續(xù)的孔隙通道，浸水后，孔隙通道塌陷，試樣產(chǎn)生的變形越明顯。

由圖5可知，鹽漬土溶陷系數(shù)是隨含鹽量的增加而增加。土顆粒與結(jié)晶鹽構(gòu)成了土體的骨架，而浸水過程基本上破壞了試樣中土顆粒與易溶鹽晶體的膠結(jié)作用，使試樣內(nèi)部原來占據(jù)結(jié)晶鹽的位置都變?yōu)榭紫?，在壓力的作用下，土粒重新排列，并被壓縮。含鹽量越大，被水分破壞的膠結(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，試樣中形成的孔隙也就越多，試樣的溶陷變形也更為顯著。

圖6 溶陷系數(shù)-軸向壓力關(guān)系曲線

由圖6可知，鹽漬土溶陷系數(shù)是隨軸向壓力的增加而增加。軸向壓力的作用，使得土顆粒在水分的潤滑下更易于滑落和重新排列，密實(shí)度提高。軸向壓力越大，這種作用愈加明顯，但隨著壓力的不斷增大，試樣內(nèi)的孔隙也在不斷減小，土顆粒滑落的阻礙增大，使得溶陷系數(shù)的增幅逐漸減小。

通過上述3個(gè)單因素試驗(yàn)可以看出，在含鹽量，壓實(shí)度，軸向壓力的影響下，溶陷系數(shù)呈良好的線性變化。這樣的試驗(yàn)結(jié)果有利于溶陷系數(shù)的正交回歸分析中參數(shù)的選擇。

4 鹽漬土溶陷變形預(yù)測模型

4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

為了給鹽漬土地區(qū)溶陷性提供參考，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)正交回歸試驗(yàn)[19-20]，由于下星號(hào)臂值低于下水平，所以下水平選定含鹽量為2%，三個(gè)因素的水平選擇見表2。

表2 試驗(yàn)因素水平

4.2 溶陷變形預(yù)測模型

根據(jù)正交回歸原理得出溶陷系數(shù)的二次正交回歸設(shè)計(jì)計(jì)算(表3)。

表3 二次正交回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)

Y=0.057+0.029x1-0.045x2+0.022x3-

(1)

根據(jù)正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理可知，式(1)中各因素之間存在正交性，所以單純刪除其中的某項(xiàng)并不會(huì)影響其他因素系數(shù)的變化。將不顯著因素的偏回歸平方和歸入到殘差平方和之中，對(duì)簡化之后的方程再進(jìn)行一次方差分析得表5。

表4 試驗(yàn)方差分析I

表5 試驗(yàn)方差分析Ⅱ

簡化之后的方程為

Y=0.057+0.029x1-0.045x2+0.022x3-

0.023x1x2-0.017x2x3

取顯著性水平α=0.05，F(xiàn)0.05(5，9)=3.48，F(xiàn)0.05(1，9)=5.12。表5分析結(jié)果F0.05(5，9)=3.48< 19.06可知，回歸方程達(dá)到顯著性水平，方程有意義。但是，在此回歸式中壓實(shí)度與含鹽量的交互作用x2x3所得回歸系數(shù)的顯著性水平小于F0.05(1，9)=5.12，回歸系數(shù)未達(dá)到顯著性水平。因此，將x2x3項(xiàng)的偏回歸平方和歸入到殘差平方和中，重新對(duì)所得的方程進(jìn)行一次方差分析得表6，得到新的回歸方程：

Y=0.057+0.029x1-0.045x2+0.022x3-0.023x1x2

R2=0.867

(2)

取顯著性水平α=0.05，F(xiàn)0.05(4，10)=3.48，F(xiàn)0.05(1，10)=4.96。由分析F0.05(4，10)=3.48<13.70回歸方程達(dá)到顯著性水平，方程具有意義，x1，x2，x3，x1x2的回歸系數(shù)均大于F0.05(1，10)=4.96，則這4個(gè)因素均達(dá)到顯著性水平。

表6 試驗(yàn)方差分析Ⅲ

構(gòu)造新的F值統(tǒng)計(jì)量，即

式中，R1與R2分別為式(1)與式(2)的復(fù)相關(guān)系數(shù)；k1與k2分別為式(1)與式(2)的自變量個(gè)數(shù)；F值服從k1-k2和n-k1-1個(gè)自由度的F分布。計(jì)算可得F=5.045

Y1=0.125 2+0.180 3z1-0.167z2+

0.000 176z3-0.192z1z2

式中，Y1表示鹽漬土實(shí)際溶陷系數(shù)；z1表示因素實(shí)際含鹽量；z2表示因素實(shí)際壓實(shí)度；z3表示因素實(shí)際所受軸向壓力；z1z2表示實(shí)際含鹽量與壓實(shí)度的交互作用。

4.3 鹽漬土的溶陷性敏感因素分析

運(yùn)用SPSS分析軟件，采用逐步回歸方法對(duì)所剩4個(gè)顯著性因素進(jìn)行分析，構(gòu)建顯著性模型，具體見表7。

表7 模型匯總

注：模型1預(yù)測變量為常量、壓實(shí)度；模型2預(yù)測變量為常量、壓實(shí)度， 軸向壓力；模型3預(yù)測變量為常量、壓實(shí)度、軸向壓力，含鹽量；模型4預(yù)測變量為常量、壓實(shí)度、軸向壓力、含鹽量、含鹽量與壓實(shí)度的交互作用。

R2為決定系數(shù)，所表示的是所預(yù)測的溶陷系數(shù)模型能夠解釋因變量所占比重。由表7可知，模型1是由常數(shù)項(xiàng)與壓實(shí)度所構(gòu)建的模型，R2=0.463，調(diào)整之后的R2=0.422，可知壓實(shí)度是影響鹽漬土溶陷系數(shù)的最主要因素。由R2更改量可知，影響鹽漬土溶陷系數(shù)的敏感性因素由高到低依次為：壓實(shí)度、軸向壓力、含鹽量以及軸向壓力與壓實(shí)度的相互作用，影響所占比重分別為0.463，0.172，0.140，0.092。軸向壓力與壓實(shí)度的相互作用在這里出現(xiàn)的原因是軸向壓力對(duì)測試土的壓實(shí)度產(chǎn)生了影響，從而影響到了鹽漬土溶陷情況。

4.4 對(duì)比分析

為了驗(yàn)證此模型在鹽漬土地區(qū)的實(shí)用性，將文獻(xiàn)[21]的羅布泊強(qiáng)氯鹽漬土中的數(shù)據(jù)提取并代入公式中進(jìn)行驗(yàn)證。

首先采用氯鹽漬土的含鹽量，壓實(shí)度為定值，溶陷系數(shù)隨軸向壓力變化而變化。本試驗(yàn)鹽漬土的含水率為8%，文獻(xiàn)[21]中鹽漬土含水率為13%。由于含水率的不同，在試驗(yàn)的初始階段以結(jié)晶體的形式存在的易溶鹽晶體的溶解的量不同，對(duì)土體結(jié)構(gòu)破壞情況也不同，所以造成的初始溶解系數(shù)不同，且張洪萍等[13-14]研究表明初始含水量較小時(shí)，溶陷系數(shù)更大。因此，在對(duì)比分析過程中將2組數(shù)據(jù)初始溶陷系數(shù)設(shè)定為相同值，即將預(yù)測模型所得直線截距降低，向下平移，再進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)圖7的觀察可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)測模型中溶陷速率變化與文獻(xiàn)[21]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)所得溶陷速率較為相似，且預(yù)測模型所得結(jié)果與參考的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也相差不大，可為工程實(shí)踐提供參考。

圖7 數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

基于普通固結(jié)儀原理，優(yōu)化設(shè)計(jì)一種新的測試儀器，能更充分、直觀地測試鹽漬土試樣溶陷變形；以蘭新鐵路第二雙線出現(xiàn)的鹽漬土溶陷病害為背景，運(yùn)用SPSS分析軟件，采用正交回歸設(shè)計(jì)原理，得出了在多因素交互作用下的鹽漬土溶陷變形規(guī)律及鹽漬土地基溶陷變形公式，分析了高速鐵路鹽漬土地基溶陷變形控制的敏感因素。所得結(jié)論如下。

(1)試驗(yàn)所得公式具有較高的計(jì)算精度，不僅為長期宏觀預(yù)測蘭新鐵路第二雙線鹽漬土地基溶陷變形發(fā)展規(guī)律提供了便利，且對(duì)其他高速鐵路鹽漬土地基工程具有一定參考價(jià)值。

(2)針對(duì)壓實(shí)度、軸向壓力與含鹽量進(jìn)行回歸分析得到預(yù)測模型，并分析這三個(gè)因素的敏感性。試驗(yàn)結(jié)果表明影響鹽漬土的溶陷系數(shù)的敏感性因素由高到低依次為壓實(shí)度、軸向壓力、含鹽量以及軸向壓力與壓實(shí)度的相互作用。

(3)試驗(yàn)結(jié)果所得溶陷變形預(yù)測模型是基于氯鹽的高速鐵路鹽漬土地基，對(duì)于鹽漬土地區(qū)高速鐵路地基施工方案的設(shè)計(jì)、病害的預(yù)防及處治等均具有參考意義。