譚仁義，吳道勇，黃佑芬，吳詩雨

(1.喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550025；2.貴州大學(xué)，國土資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550025；3.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025)

0 引 言

凍脹和鹽脹是硫酸鹽漬土在凍結(jié)過程中導(dǎo)致土體變形破壞的主要方式,已經(jīng)有很多學(xué)者對凍脹和鹽脹現(xiàn)象進(jìn)行了定性分析和研究[1-5]。研究結(jié)果表明含水率、干密度、含鹽量均對凍脹和鹽脹有重要影響，且各因素對凍脹和鹽脹的影響不同。牛璽榮等[6]對凍脹量和鹽脹量進(jìn)行了理論推導(dǎo)并給出了定量計(jì)算的表達(dá)式。周鳳璽等[7]進(jìn)行了飽和鹽漬土的一維蠕變試驗(yàn)并建立了一維蠕變理論模型。Zhang等[8]研究了凍結(jié)過程中水鹽遷移對土體變形的影響。萬旭升等[9]給出了硫酸鹽漬土中未相變含水率與溫度間的關(guān)系，并通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。馮瑞玲等[10]建立了鹽漬土水-鹽-熱-力四場耦合動力學(xué)模型，并用該模型計(jì)算分析了鹽凍脹變形過程。Wu等[11]在不同邊界溫度下進(jìn)行了硫酸鹽漬土的凍結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明體積膨脹不是土體破壞的主要原因。Correns[12]首次給出了結(jié)晶壓力的表達(dá)式。Everett[13]從晶體與溶液之間彎曲界面的性質(zhì)出發(fā)給出了新的結(jié)晶壓力表達(dá)式。Wan等[14]采用Pitzer離子模型計(jì)算出土體中硫酸鈉溶液的過飽和比。Koudelkov等[15]設(shè)計(jì)了一種新型高精度儀器，用于直接檢測晶體-玻璃界面上產(chǎn)生的排斥力。Lai等[16]通過微觀結(jié)晶壓力與析出晶體的數(shù)量，建立了宏觀結(jié)晶壓力(MCS)的表達(dá)式。結(jié)晶壓力表達(dá)式的提出為鹽脹的研究提供了理論基礎(chǔ)，但并未得到試驗(yàn)的驗(yàn)證，無法直接應(yīng)用于工程實(shí)踐中。

本文通過土壓力傳感器在限制變形條件下直接測量凍結(jié)過程中硫酸鹽漬土壓力的大小，探索凍結(jié)過程中水分鹽分結(jié)晶相變對鹽漬土壓力的影響。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)Steiger等[17]提出的結(jié)晶壓力方程并結(jié)合Lai等[16]所給出的宏觀結(jié)晶壓力表達(dá)式進(jìn)行宏觀結(jié)晶壓力的理論計(jì)算。通過理論計(jì)算值與實(shí)測值對比，驗(yàn)證結(jié)晶壓力方程的準(zhǔn)確性和適用性。此外，通過實(shí)測土壓力與理論計(jì)算的冰晶壓力作對比，分析討論了冰晶壓力方程在土體中的適用性，并對原有的冰晶壓力方程進(jìn)行了修正。研究成果對于揭示凍結(jié)過程中鹽漬土結(jié)晶壓力的變化規(guī)律，及提出有效的凍脹和鹽脹防治措施具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)土樣

表1 土樣物理性能

表2 天然鹽漬土中可溶鹽

1.2 試驗(yàn)方法

圖1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，采用冷凍箱進(jìn)行降溫試驗(yàn)，并使用Hydra ProbeⅡ土壤水分鹽分溫度三參數(shù)傳感器測量試樣中未凍水體積含水率和電導(dǎo)率的變化情況，PFmeter傳感器測量基質(zhì)吸力，采用土壓力傳感器記錄鹽分結(jié)晶和水分結(jié)冰過程中的土壓力。此外，采用溫度傳感器測量試驗(yàn)過程中的溫度變化。

試驗(yàn)前先將一部分鹽漬土用去離子水反復(fù)浸泡沖洗，用電導(dǎo)率檢測儀檢測浸泡鹽漬土后去離子水的電導(dǎo)率,直至電導(dǎo)率接近零，此時鹽漬土中的鹽離子被洗凈。然后按照SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》將鹽漬土在105 ℃烘干后過2 mm篩，最后將試樣密封保存?zhèn)溆?。為了研究含水率和含鹽量對凍結(jié)過程中結(jié)晶壓力的影響，在其他條件相同的情況下，設(shè)計(jì)不同的含水率和含鹽量條件，重塑硫酸鹽漬土基本參數(shù)如表3所示。

表3 重塑硫酸鹽漬土基本參數(shù)

表3中，試樣A1～A4為向洗鹽之后的土樣中加入無水硫酸鈉粉末配制成干密度為1.6 g/cm3，含水率為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，含鹽量依次為1%、2%、3%、4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的土樣。A0為不含鹽的試樣。B1～B5為向洗鹽之后的土樣中加入水配制成干密度為1.7，含鹽量為0%，含水率依次為15%、17%、19%、21%和23%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的土樣。制樣完成后，安裝好試樣和相應(yīng)傳感器，然后從室溫開始逐漸降溫，記錄試驗(yàn)過程中各參數(shù)的變化情況。

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)結(jié)果分析中的符號約定：例如Ps-A1中Ps代表土壓力，相應(yīng)Pc、Pi、Vw、C和T分別表示宏觀鹽結(jié)晶壓力、宏觀冰晶壓力、體積含水率、過飽和比以及溫度，A1表示土樣編號。

2.1 凍結(jié)過程中硫酸鹽漬土壓力的形成機(jī)制

凍結(jié)過程中硫酸鹽漬土隨溫度的降低將發(fā)生鹽分結(jié)晶相變和水-冰相變[18]，其相變過程如下：

Na2SO4(l)+7H2O(l)=Na2SO4·7H2O(s)

(1)

Na2SO4·7H2O(s)+3H2O(l)=Na2SO4·10H2O(s)

(2)

H2O(l)=H2O(s)

(3)

式(1)、(2)中Na2SO4先與水分子結(jié)合生成亞穩(wěn)定相七水硫酸鈉(Na2SO4·7H2O)，然后七水硫酸鈉與水分子結(jié)合最終生成芒硝晶體(Na2SO4·10H2O)。由于Na2SO4結(jié)合水分子最終生成芒硝晶體體積將會增大3.14倍[19]，式(3)中液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)冰體積也會增大，因此在限制變形條件下，鹽分結(jié)晶與水分結(jié)冰將會產(chǎn)生較大的結(jié)晶壓力。Steiger等[17]給出了過飽和比(C)和微觀鹽結(jié)晶壓力(Δpsc)表達(dá)式：

(4)

(5)

由于Na2SO4-H2O系統(tǒng)能夠形成不同的結(jié)晶相，對于不同的結(jié)晶相統(tǒng)一用化學(xué)式MaXb·cH2O來表示。其中，a、b和c分別表示正離子M、負(fù)離子X和水分子的化學(xué)計(jì)量數(shù)。式中：n=a+b為電荷總數(shù)，對于硫酸鈉n=3；n0=c為水分子的化學(xué)計(jì)量數(shù)，當(dāng)生成的晶體為Na2SO4、Na2SO4·7H2O、Na2SO4·10H2O時，n0依次為0、7、10；R為氣體常數(shù)；T為溫度；Vm為鹽晶體摩爾體積；m和γ±分別為鹽溶液的質(zhì)量摩爾濃度和平均活度系數(shù)；m0和γ±0分別為飽和溶液的質(zhì)量摩爾濃度和平均活度系數(shù)；αw和αw0分別為過飽和、飽和溶液對應(yīng)的水分活度。Wu等[20]給出了微觀冰晶壓力(Δpwi)表達(dá)式：

(6)

σ=SiΔpwi+ScΔpsc

(7)

Pi=SiΔpwi

(8)

Pc=ScΔpsc

(9)

式中：Si、Sc分別為冰晶體、鹽晶體的飽和度；Δpwi、Δpsc分別為微觀冰晶壓力、微觀鹽結(jié)晶壓力；σ為總的宏觀結(jié)晶壓力；Pi和Pc分別為宏觀冰晶壓力和宏觀鹽結(jié)晶壓力。由于鹽晶體率先在大孔隙中生長，隨著溫度的進(jìn)一步降低，晶體開始在小孔隙中生長，在小孔隙中生長的晶體由于空間小很快對孔隙壁施加了壓力。相反，大孔隙中生長的晶體并未對孔隙壁產(chǎn)生壓力，晶體生長示意圖見圖2。

圖2 晶體生長示意圖

因此，在計(jì)算宏觀鹽結(jié)晶壓力時應(yīng)當(dāng)只計(jì)算產(chǎn)生結(jié)晶壓力的那部分晶體，其表達(dá)式如下：

Pc=ncScΔpsc

(10)

式中：nc為對孔隙壁施加壓力的晶體體積與晶體總體積的比值。

2.2 凍結(jié)過程中硫酸鹽漬土壓力的變化過程

鹽漬土壓力的變化受溫度、水分、鹽分等多種因素的影響。為了研究鹽漬土壓力與水分、鹽分間的內(nèi)在聯(lián)系，試驗(yàn)中采用土壓力傳感器記錄鹽分結(jié)晶和水分結(jié)冰過程中的土壓力。此外，為了保證土樣與土壓力傳感器之間接觸良好，降溫前給試樣一個較小的初始壓力，待土壓力穩(wěn)定后進(jìn)行降溫凍結(jié)試驗(yàn)。凍結(jié)過程中，隨著溫度的降低土壓力也隨之改變。圖3為土壓力隨溫度的變化曲線，由圖3可知，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，土壓力隨溫度的變化可分為三個階段：(Ⅰ)土壓力保持不變；(Ⅱ)土壓力迅速增大；(Ⅲ)土壓力逐漸減小至穩(wěn)定。圖3(a)中，降溫初期，由于溫度較高，含鹽量較低，土體孔隙中的鹽溶液過飽和度較低，鹽分尚未結(jié)晶，土壓力保持不變。當(dāng)溫度降低至凍結(jié)溫度時，體積含水率迅速降低，水分快速結(jié)冰，土壓力迅速增大。隨著溫度的進(jìn)一步降低，當(dāng)自由水完全結(jié)晶時土壓力達(dá)到峰值。冰晶壓力作為張應(yīng)力作用在孔隙壁上使得土顆粒間相互擠壓，在峰值應(yīng)力后，束縛水開始結(jié)晶，土體結(jié)構(gòu)破壞，土顆粒重分布，土壓力迅速降低至穩(wěn)定。圖3(b)～(d)中，降溫初期，由于溫度較高，土體孔隙中的鹽溶液過飽和度較低，鹽分尚未結(jié)晶，土壓力保持不變。隨著溫度的進(jìn)一步降低，當(dāng)土體孔隙中鹽溶液的過飽和比大于1時，鹽分開始結(jié)晶，土壓力逐漸增大。當(dāng)土體溫度降低至凍結(jié)溫度時，體積含水率迅速降低，自由水快速結(jié)晶，土壓力迅速增大。當(dāng)自由水完全結(jié)晶時土壓力達(dá)到峰值。冰晶壓力與鹽結(jié)晶壓力作為張應(yīng)力作用在孔隙壁上使得土顆粒間相互擠壓，在峰值應(yīng)力后，束縛水開始結(jié)晶，土體結(jié)構(gòu)破壞，土顆粒重分布，土壓力迅速降低。當(dāng)體積含水率不再變化時，束縛水結(jié)晶完成，土壓力在較小值處保持穩(wěn)定。此外，當(dāng)忽略凍結(jié)溫度以下鹽分結(jié)晶所產(chǎn)生的鹽結(jié)晶壓力時可得試樣A1～A4在凍結(jié)過程中的最大鹽結(jié)晶壓力，分別為0 MPa、0.1 MPa、0.22 MPa和0.3 MPa。通過峰值土壓力與最大鹽結(jié)晶壓力的差值可得試樣A1～A4在凍結(jié)過程中的最大冰晶壓力，依次為0.108 MPa、0.04 MPa、0.02 MPa和0.008 MPa。這一試驗(yàn)結(jié)果表明隨著含鹽量的增大，鹽結(jié)晶壓力增大而冰晶壓力減小。

圖3 土壓力隨溫度的變化曲線

2.3 含鹽量和含水率對土壓力的影響

凍結(jié)過程中，含水率與干密度一定時，含鹽量的多少決定了土壓力的大小。由前述可知，隨著含鹽量的增大，鹽結(jié)晶壓力增大而冰晶壓力減小。圖4為不同含鹽量下土壓力隨時間的變化曲線，圖5為不同含水率下土壓力隨時間的變化曲線。由圖4可知，隨著含鹽量的增加峰值土壓力增大,即相同體積的自由水結(jié)晶產(chǎn)生的冰晶壓力比與鹽分結(jié)合產(chǎn)生的鹽結(jié)晶壓力小。因此，含鹽量越高，鹽結(jié)晶壓力越大，冰晶壓力越小，土壓力越大。凍結(jié)過程中，水分結(jié)冰產(chǎn)生冰晶壓力，冰晶壓力使土體拉伸進(jìn)而增大土壓力。冰晶壓力的大小與含水率密切相關(guān)。由圖5可知，凍結(jié)過程中，隨著含水率的增大，峰值土壓力逐漸增大。在低含水率的試樣B1中土壓力較小，水-冰相變產(chǎn)生的冰晶壓力可忽略不計(jì)。在高含水率的試樣B5中土壓力可達(dá)到0.48 MPa，表明高含水率下冰晶壓力對土體的破壞不可忽視。

圖4 不同含鹽量下土壓力隨時間的變化曲線

圖5 不同含水率下土壓力隨時間的變化曲線

2.4 鹽結(jié)晶壓力方程的適用性

宏觀鹽結(jié)晶壓力可由式(10)給出。當(dāng)nc=1/6時，鹽結(jié)晶壓力與土壓力隨時間的變化過程見圖6，其中宏觀鹽結(jié)晶壓力隨時間的變化與土壓力相似，可分為三個階段：(Ⅰ)保持不變；(Ⅱ)迅速增大；(Ⅲ)逐漸降低至穩(wěn)定。

圖6 宏觀鹽結(jié)晶壓力、實(shí)測土壓力和過飽和比隨時間的變化曲線

凍結(jié)過程中，隨著時間的延長，溫度的降低，過飽和比先逐漸增大，達(dá)到最大值后逐漸減小至0(見圖6)。當(dāng)過飽和比達(dá)到最大值時，宏觀鹽結(jié)晶壓力也達(dá)到最大值，此時土壓力并未達(dá)到最大值。這是由于水分結(jié)冰產(chǎn)生了冰晶壓力使土壓力進(jìn)一步增大。當(dāng)過飽和比減小至1時，鹽分結(jié)晶全部完成，宏觀鹽結(jié)晶壓力降低至0，此時土壓力并未減小為0。這是由于水分結(jié)冰尚未結(jié)束，土體還受冰晶壓力的作用。從整體來看，圖6中宏觀鹽結(jié)晶壓力與實(shí)測土壓力呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，且宏觀鹽結(jié)晶壓力達(dá)到峰值以前實(shí)測土壓力與宏觀鹽結(jié)晶壓力幾乎相等。這一試驗(yàn)結(jié)果表明用式(10)計(jì)算宏觀鹽結(jié)晶壓力是可行的。因此，研究鹽漬土在凍結(jié)過程中的鹽結(jié)晶壓力時可直接用式(10)進(jìn)行定量計(jì)算和定性分析。

2.5 冰晶壓力方程的適用性

為了研究冰晶壓力與土壓力間的內(nèi)在聯(lián)系，本文對凍結(jié)過程中不同含水率下土壓力變化進(jìn)行了測試。圖7為土壓力與含水率隨時間的變化曲線，由圖7可知，土壓力隨時間的變化主要經(jīng)歷了三個階段：(I)保持不變；(II)迅速增大；(III)迅速降低至穩(wěn)定。降溫初期，體積含水率保持不變，土壓力也保持不變。隨著溫度的進(jìn)一步降低，當(dāng)溫度降低至凍結(jié)溫度時，體積含水率迅速降低，水-冰相變劇烈，冰晶壓力使土壓力迅速增大。在冰晶壓力的作用下土顆粒間相互擠壓，峰值土壓力之后土體破壞，土顆粒重分布，土壓力迅速降低。圖7(a)中，含水率較低，隨溫度的降低，土壓力僅小幅增大后迅速降低。圖7(b)～(e)中，含水率較高，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，土壓力逐漸增大至最大值然后迅速降低。由式(6)可知，水-冰相變產(chǎn)生的冰晶壓力隨溫度的降低會一直增大，這與實(shí)測土壓力的變化規(guī)律截然不同。因此，在土體中用式(6)計(jì)算冰晶壓力的大小是不正確的，這在以往的研究中并未引起研究人員的重視。所以，在研究凍結(jié)過程中水-冰相變產(chǎn)生的冰晶壓力對鹽漬土壓力的影響時不能直接用式(6)去定量計(jì)算和定性分析。

圖7 土壓力與含水率隨時間的變化曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對式(6)進(jìn)行修正并給出修正后的宏觀冰晶壓力表達(dá)式：

(11)

式中：A和B為系數(shù)；v0和v分別為初始體積含水率和體積含水率。

冰晶壓力與實(shí)測土壓力的擬合曲線如圖8所示，根據(jù)式(11)對試樣B2中實(shí)測土壓力進(jìn)行擬合，可得A=1.838,B=14.581 3，R2=0.98，擬合結(jié)果較好。

圖8 冰晶壓力與實(shí)測土壓力的擬合曲線

3 結(jié) 論

本文采用青海大水橋附近粉土配制成不同含水率和含鹽量的試樣，研究凍結(jié)過程中水分鹽分對硫酸鹽漬土結(jié)晶壓力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，水分、鹽分直接影響了結(jié)晶壓力的大小。

(1)凍結(jié)過程中，隨著溫度的降低，土壓力在穩(wěn)定一段時間后便迅速增大至峰值，當(dāng)土壓力達(dá)到峰值時，土體中大部分水分和鹽分的結(jié)晶相變作用已經(jīng)完成，此后土壓力隨著凍結(jié)時間的增加逐漸減小，最后土壓力在較小的應(yīng)力水平上趨于穩(wěn)定。此外，隨著含鹽量的增加，鹽結(jié)晶壓力增大而冰晶壓力減小，土壓力增大。當(dāng)土體中不含鹽時，隨著含水率的增加，冰晶壓力增大，土壓力也增大。

(2)本文在低含水率情況下進(jìn)行了硫酸鹽漬土的凍結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)宏觀鹽結(jié)晶壓力達(dá)到峰值之前實(shí)測土壓力與傳統(tǒng)結(jié)晶壓力模型計(jì)算的宏觀鹽結(jié)晶壓力值幾乎相等。因此，在研究凍結(jié)過程中硫酸鹽漬土結(jié)晶壓力時可以直接用鹽結(jié)晶壓力方程(式(10))進(jìn)行定量計(jì)算和定性分析。此外，本文對土體中水-冰相變產(chǎn)生的冰晶壓力與實(shí)測土壓力進(jìn)行了對比，試驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)測土壓力與冰晶壓力的變化規(guī)律截然不同。在此基礎(chǔ)上，本文對冰晶壓力方程(式(6))進(jìn)行了簡單的修正并給出了修正后的表達(dá)式。