張莎莎，劉瑞瑞，王永威

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064； 2. 中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430040)

0 引 言

針對(duì)粗粒鹽漬土鹽脹特性的研究，徐學(xué)祖等[5]開展了單向凍結(jié)試驗(yàn)，揭示了土體鹽脹是土體、水分、溫度、鹽分和荷載的綜合作用結(jié)果。Wu等[6]研究了恒溫下粗粒硫酸鹽漬土的鹽脹機(jī)理、發(fā)展過(guò)程。包衛(wèi)星等[7]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)公路工程中存在的粗粒鹽漬土的相關(guān)鹽含量進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。張莎莎等[8-9]按照鹽脹五要素對(duì)粗粒亞硫酸鹽漬土在路用填料方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究。Zhang等[10-11]采用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)凍融及降水條件下粗粒鹽漬土路基變形進(jìn)行了研究。以上研究對(duì)于推動(dòng)整個(gè)行業(yè)對(duì)粗粒鹽漬土的認(rèn)識(shí)起到了很大的貢獻(xiàn)，也從多個(gè)角度實(shí)現(xiàn)了含鹽量、含水率、初始?jí)簩?shí)度及上覆荷載對(duì)其基本規(guī)律的概述，但總體來(lái)講，缺乏針對(duì)粗粒鹽漬土路基在上述各因素交互作用下變形敏感參數(shù)的量化研究。

高江平等[12]在對(duì)鹽漬土的研究中使用二次回歸方程對(duì)鹽漬土的含水率以及含鹽量結(jié)合其初始干密度和上覆荷載進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)不同因素的調(diào)整對(duì)鹽漬土的性能進(jìn)行控制。顧強(qiáng)康等[13]以硫酸鹽漬土機(jī)場(chǎng)地基為例，利用擬合方程進(jìn)行計(jì)算，得到鹽脹率與含鹽量、壓實(shí)度及荷載3個(gè)因素之間的具體聯(lián)系。宋啟卓等[14]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推導(dǎo)出細(xì)粒硫酸鹽漬土與含水率、氯化鈉含量、硫酸鈉含量、干容重和荷載具體量化關(guān)系，得到了相應(yīng)的計(jì)算公式。Wu等[15-16]采用數(shù)值方法建立了飽和凍結(jié)鹽漬土的熱-水-鹽-力耦合模型。土體顆粒大小、級(jí)配使粗粒鹽漬土與細(xì)粒鹽漬土在性質(zhì)和特征上產(chǎn)生很大的差異，粗粒鹽漬土受相關(guān)因素的影響與細(xì)粒鹽漬土也不同。為了合理地使用粗粒亞硫酸鹽漬土作為路基填料，需要考慮到各種因素交互作用下對(duì)鹽漬土性能的影響，并做出相應(yīng)的調(diào)整，探究影響粗粒亞硫酸鹽漬土路基變形的敏感參數(shù)。

開展工程可控因素交互作用下影響粗粒亞硫酸鹽漬土路基鹽脹特性的敏感參數(shù)研究對(duì)于改進(jìn)其在實(shí)際工程的應(yīng)用具有重要意義。因此，筆者針對(duì)細(xì)粒土質(zhì)礫亞硫酸鹽漬土、含細(xì)粒土砂亞硫酸鹽漬土及細(xì)粒土質(zhì)砂亞硫酸鹽漬土，在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定多因素交互試驗(yàn)的因素范圍。然后，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立粗粒亞硫酸鹽漬土鹽脹率與影響因素關(guān)系的計(jì)算模型，對(duì)鹽漬土的鹽脹率與各因素交互作用之間的具體關(guān)系進(jìn)行了研究，將鹽漬土路基發(fā)生變形過(guò)程中受到不同因素的影響程度進(jìn)行量化，以調(diào)整粗粒亞硫酸鹽漬土路基設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)，從而為路基工程的設(shè)計(jì)及施工提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)土樣

本文依托伊朗德伊(德黑蘭—伊斯法罕)高速鐵路項(xiàng)目，由于從現(xiàn)場(chǎng)取土耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)且費(fèi)用高，結(jié)合路基填料含鹽量和顆粒級(jí)配特征，采用室內(nèi)人工配制土樣的方式開展試驗(yàn)?；诂F(xiàn)行的《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)[17]，土樣根據(jù)顆粒粒徑組成的不同分為2種，一種是礫類土(細(xì)粒土質(zhì)礫)，另一種是砂類土(含細(xì)粒土砂、細(xì)粒土質(zhì)砂)。

考慮到各種影響鹽漬土性能的因素，為了將敏感因素的作用集中體現(xiàn)，采取配置易溶鹽的方法開展研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)粗粒鹽漬土作為路基填料的鹽脹特性敏感參數(shù)進(jìn)行研究。以天然素黃土為細(xì)粒土填料，將2種土樣按實(shí)際需求以一定的比例進(jìn)行混合，可以得到滿足級(jí)配良好的路基填料(圖1)。對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，可得到細(xì)粒土質(zhì)礫亞硫酸鹽漬土、含細(xì)粒土砂亞硫酸鹽漬土及細(xì)粒土質(zhì)砂亞硫酸鹽漬土的最大干密度分別為2.22，1.98，2.13 g·cm-3，最佳含水率分別為6.4%，11.0%，8.8%。

圖1 土的粒徑分布Fig.1 Particle Size Distribution of Soil

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)儀器

本文采用高低溫試驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)對(duì)土樣溫度的控制，其溫度范圍為-40～60 ℃，使用直徑24.5 cm、高度25 cm的柱狀筒體開展鹽脹試驗(yàn)，土樣鹽脹率測(cè)量采用精度0.01 mm的百分表，為了提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確度，每組試驗(yàn)都需做平行試驗(yàn)。鹽脹試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Test Device

2.2 降溫試驗(yàn)

對(duì)于粗粒鹽漬土鹽脹率來(lái)說(shuō)，溫度是很關(guān)鍵的影響因素，粗粒鹽漬土所處區(qū)域的溫度與季節(jié)變化和晝夜更替息息相關(guān)。依托工程位于德伊高鐵庫(kù)姆段，結(jié)合之前針對(duì)亞硫酸鹽漬土鹽脹率敏感溫度范圍的研究，統(tǒng)計(jì)鹽漬土鹽脹率變化較為強(qiáng)烈的月份可知，溫度變化范圍集中在-15～25 ℃之間。在研究過(guò)程中利用高低溫試驗(yàn)箱對(duì)土樣降溫，降溫區(qū)間為-15～25 ℃，每次降低5 ℃，每次降溫后土樣在該溫度下維持1 h，降溫結(jié)束后設(shè)定6 h的恒溫環(huán)境，從而使土樣充分鹽脹。為了達(dá)到土體的鹽脹穩(wěn)定趨勢(shì)，基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，含細(xì)粒土砂亞硫酸鹽漬土鹽脹試驗(yàn)-15 ℃穩(wěn)定16 h。

2.3 單因素作用的鹽漬土鹽脹試驗(yàn)

根據(jù)路基工程相關(guān)規(guī)范[18]，首先研究鹽脹率隨含鹽量的單因素變化，土樣密度為最大干密度值的93%，即93%ρdmax，含水率為最佳含水率ωop，上覆荷載值為0 kPa，亞硫酸鹽含量依次設(shè)定為0.3%，0.5%，0.8%，1.1%，1.4%，1.7%，2.3%，2.9%，3.5%，4.1%，4.7%；然后進(jìn)行含水率單獨(dú)改變的測(cè)試，土樣密度為最大干密度值的93%，由ωop和ωop±2.2%確定含水率；其次進(jìn)行初始?jí)簩?shí)度單獨(dú)改變的測(cè)試，設(shè)定土樣壓實(shí)度值為89%，93%，97%；最后開展上覆荷載發(fā)生單一變化下鹽脹率研究，所設(shè)上覆荷載為0，0.276，0.552，0.828 kPa。

2.4 多因素交互作用的鹽漬土鹽脹試驗(yàn)

對(duì)于真實(shí)的工程條件，粗粒亞硫酸鹽漬土鹽脹并非是純粹單個(gè)鹽脹因素作用的結(jié)果，而是受多個(gè)鹽脹因素交互作用的影響。在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交設(shè)計(jì)來(lái)深入研究當(dāng)鹽脹率受到多個(gè)鹽脹因素作用的計(jì)算模型，通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立鹽脹率與其影響因素關(guān)系模型。

設(shè)置試驗(yàn)因素水平時(shí)，主要遵循如下原則：參考鹽脹率界限來(lái)合理地確定含鹽量的實(shí)際值[19]，還需符合正交設(shè)計(jì)(二次回歸)標(biāo)準(zhǔn)的要求；選擇ωop作為試驗(yàn)土樣含水率的基準(zhǔn)；選擇下路堤有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)值的93%作為壓實(shí)度的基礎(chǔ)；選擇實(shí)際的試驗(yàn)條件作為上覆荷載的基準(zhǔn)。表1～3詳細(xì)列出了試驗(yàn)因素水平情況。對(duì)于礫類及砂類亞硫酸鹽漬土而言，每種土試驗(yàn)因素均為4個(gè)，試驗(yàn)水平均為5個(gè)，共開展25組不同的試驗(yàn)(每組的平行測(cè)試為2或3次)。

表1 細(xì)粒土質(zhì)礫亞硫酸鹽漬土正交試驗(yàn)因素水平Tab.1 Orthogonal Factor Level for Gravel Sulfite Saline Soil

3 粗粒亞硫酸鹽漬土鹽脹率BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

本文通過(guò)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)確定粗粒亞硫酸鹽漬土鹽脹率與影響因素間的關(guān)系。BP算法是從修正性的角度出發(fā)，使學(xué)習(xí)算法具有理論基礎(chǔ)[20]，通過(guò)相互連接的神經(jīng)元建立輸入和輸出變量之間的相關(guān)性[21]。與經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)方法相比，BP模型的主要優(yōu)勢(shì)在于不需要任何有關(guān)輸入和輸出變量之間關(guān)系性質(zhì)的先驗(yàn)知識(shí)。本文合理選擇了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(共3層，即輸出層、隱含層、輸入層)，以促進(jìn)其結(jié)構(gòu)的有效簡(jiǎn)化，提升網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的效率水平，具體如圖3所示。

表2 含細(xì)粒土砂亞硫酸鹽漬土正交試驗(yàn)因素水平Tab.2 Orthogonal Factor Level for Sandy Soil-I Sulfite Saline Soil

表3 細(xì)粒土質(zhì)砂亞硫酸鹽漬土正交試驗(yàn)因素水平Tab.3 Orthogonal Factor Level for Sandy Soil-II Sulfite Saline Soil

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of BP Neural Network Model

在對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層輸入數(shù)據(jù)時(shí)，使用式(1)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將輸入的數(shù)據(jù)變換成[-1，1]區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)。

(1)

式中：Xi為輸入數(shù)據(jù)歸一化值；zi為相關(guān)的輸入數(shù)據(jù)；zmin，zmax分別為輸入數(shù)據(jù)的最低值和最高值。

對(duì)于本文模型，以4×25維的矩陣作為其輸入向量，25是具體的組數(shù)，4為不同的試驗(yàn)因素(上覆荷載、壓實(shí)度、含水率以及含鹽量)。

在設(shè)計(jì)BP模型時(shí)，需要合理地選擇隱含層自身所具有的具體節(jié)點(diǎn)數(shù)量，若對(duì)所得結(jié)果的收斂性及準(zhǔn)確性進(jìn)行考慮，那么需使上述節(jié)點(diǎn)數(shù)提高；若對(duì)訓(xùn)練時(shí)間如何受到模型隱含層中具體節(jié)點(diǎn)數(shù)量及網(wǎng)絡(luò)自身所具有的推理能力的影響予以考慮，那么就需降低上述節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。如要分析某特定領(lǐng)域中應(yīng)用的相關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，需要對(duì)泛化性及精確性進(jìn)行深入全面分析，再確定上述節(jié)點(diǎn)數(shù)。對(duì)于本文模型，可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式(2)來(lái)確定其隱含層中的具體節(jié)點(diǎn)數(shù)，即

(2)

式中：m為隱含層上的具體節(jié)點(diǎn)數(shù)；n，l分別為輸入層及輸出層上的具體節(jié)點(diǎn)數(shù)；α為調(diào)整系數(shù)，其取值范圍為1～10。

根據(jù)公式(2)，選擇建模隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為5個(gè)。輸出層只有1個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)，即鹽脹率的值。輸出結(jié)果為歸一化后的結(jié)果，由公式(3)對(duì)輸出結(jié)果反歸一化，即

(3)

式中：YF為反歸一化后的鹽脹率；Y為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)歸一化后的鹽脹率輸出計(jì)算值；Tmax，Tmin分別為鹽脹率最大值、最小值。

本模型選取雙曲正切函數(shù)tansig作為神經(jīng)元之間的轉(zhuǎn)移函數(shù)，選取線性函數(shù)purelin作為輸出層轉(zhuǎn)移函數(shù)。tansig函數(shù)的表達(dá)式如式(4)所示。通過(guò)MATLAB里的newff函數(shù)來(lái)生成網(wǎng)絡(luò)，此外，該函數(shù)還可初始化網(wǎng)絡(luò)閾值及權(quán)值。

(4)

4 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

4.1 單因素作用對(duì)粗粒鹽漬土鹽脹的影響

圖4為含鹽量變化時(shí)粗粒亞硫酸鹽漬土的鹽脹率變化規(guī)律。由圖4可知，在提高含鹽量之后，與礫類土相比，砂類土鹽脹率增長(zhǎng)幅度較高。在整個(gè)鹽脹的過(guò)程中，由于具有較好的顆粒級(jí)配度，小粒徑土樣(含細(xì)粒土砂和細(xì)粒土質(zhì)砂)可以更為顯著地提升鹽脹率。此外，參考易溶鹽所對(duì)應(yīng)的工程界限值可知[19]，含細(xì)粒土砂亞硫酸鹽漬土的界限含鹽量值約為1.4%，細(xì)粒土質(zhì)砂亞硫酸鹽漬土的界限含鹽量值約為0.5%，細(xì)粒土質(zhì)礫亞硫酸鹽漬土的界限含鹽量值約為2.5%。因此，在開展正交試驗(yàn)的過(guò)程中，其含鹽量都涵蓋了上述界限值(表1，2，3)，可見(jiàn)試驗(yàn)方案是合理的。

圖4 粗粒亞硫酸鹽漬土鹽脹率隨含鹽量變化Fig.4 Variation of Salt Expansion Rate with Salt Content for Coarse-grained Sulfite Saline Soil

圖5為含水率變化時(shí)粗粒亞硫酸鹽漬土的鹽脹率變化規(guī)律。由圖5可知：亞硫酸鹽漬土鹽脹率受到含水率的影響與易溶鹽含量高低相關(guān)，當(dāng)易溶鹽含量為0.5%時(shí)，鹽脹率會(huì)因含水率提高而提升；當(dāng)易溶鹽含量為2.6%時(shí)，鹽脹率會(huì)因含水率提高而降低[22]。

圖5 粗粒亞硫酸鹽漬土鹽脹率隨含水率變化Fig.5 Variation of Salt Expansion Rate with Water Content for Coarse-grained Sulfite Saline Soil

鹽脹率受到含水率的作用機(jī)制比較復(fù)雜，其中初始?jí)簩?shí)作用效果將會(huì)受到鹽漬土本身和易溶鹽間作用機(jī)制的影響，含水率隨著鹽脹率的變化所發(fā)生的改變也將有不同的規(guī)律[23]；此外，當(dāng)土體級(jí)配存在差異時(shí)，上述變化也存在特定的界限含水率及含鹽量值。在重視路堤防水的同時(shí)，也要做好最佳含水率的有效控制。

圖6為初始?jí)簩?shí)度變化時(shí)粗粒亞硫酸鹽漬土的鹽脹率變化規(guī)律。由圖6可知，在提高初始密度值后，鹽脹率也會(huì)相應(yīng)地上升，主要原因是提高了土體的密度值以后會(huì)降低土體的孔隙率，由此極大地提高了鹽脹率[24]。

圖6 粗粒亞硫酸鹽漬土鹽脹率隨初始?jí)簩?shí)度變化Fig.6 Variation of Salt Expansion Rate with Initial Compaction for Coarse-grained Sulfite Saline Soil

圖6中含鹽量為0.5%的細(xì)粒土質(zhì)砂亞硫酸鹽漬土在提高初始?jí)簩?shí)度時(shí)其鹽脹率卻降低，主要是由于在降溫的最初階段存在結(jié)晶鹽，對(duì)土體的結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生了破壞[24]，粗粒土所具有的大孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)造成其鹽脹變化方面的不穩(wěn)定特征。

圖7為上覆荷載變化時(shí)粗粒亞硫酸鹽漬土的鹽脹率變化規(guī)律。由圖7可知，鹽脹過(guò)程會(huì)受到上覆荷載較為強(qiáng)烈的抑制作用。

圖7 粗粒亞硫酸鹽漬土鹽脹率隨上覆荷載變化Fig.7 Variation of Salt Expansion Rate with Overburden Load for Coarse-grained Sulfite Saline Soil

4.2 多因素交互作用的粗粒鹽漬土鹽脹試驗(yàn)結(jié)果

多因素交互作用的粗粒亞硫酸鹽漬土的最終鹽脹率試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。從圖8可知：在試驗(yàn)因素水平設(shè)定條件下，細(xì)粒土質(zhì)礫亞硫酸鹽漬土的最大鹽脹率為1.602%，最小鹽脹率為0.255%；含細(xì)粒土砂亞硫酸鹽漬土的最大鹽脹率為1.663%，最小鹽脹率為0.562%；細(xì)粒土質(zhì)砂亞硫酸鹽漬土的最大鹽脹率為1.881%，最小鹽脹率為-0.054%。所設(shè)定的因素水平符合相關(guān)要求[22]。

圖8 多因素交互作用下鹽脹率試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Salt Expansion Test Results Under Interaction of Multiple Factors

4.3 細(xì)粒土質(zhì)礫亞硫酸鹽漬土鹽脹率與其影響因素計(jì)算模型

基于BP模型，細(xì)粒土質(zhì)礫亞硫酸鹽漬土的鹽脹率方程為

aLS=-0.484 8X1+0.939 2X2+0.021 5X3-

1.263 7X4-4.127 6

bLS=-1.739 3X1-0.516 2X2-1.918 3X3+

2.362 3X4-0.114 3

cLS=-0.661 5X1-0.345 4X2+1.573 4X3+

1.133 8X4-0.141 7

dLS=1.484 2X1+1.622 9X2+1.2576X3+

0.861 4X4+0.911 2

eLS=3.601 7X1+0.300 2X2-0.465X3+

2.190 9X4+2.209 4

(5)

式中：X1，X2，X3，X4分別為歸一化后的含鹽量、含水率、壓實(shí)度、上覆荷載；R2為決定系數(shù)。

圖9詳細(xì)地展示了細(xì)粒土質(zhì)礫亞硫酸鹽漬土通過(guò)式(5)得到的鹽脹率計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差值?？梢园l(fā)現(xiàn)它們較為接近，最大差值約為0.238%，建立的計(jì)算模型是穩(wěn)定的。

圖9 粗粒亞硫酸鹽漬土鹽脹率計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差值Fig.9 Difference Between Salt Expansion Rate Calculated Values and Measured Values for Coarse-grained Sulfite Saline Soil

4.4 含細(xì)粒土砂亞硫酸鹽漬土鹽脹率與其影響因素計(jì)算模型

基于BP模型，含細(xì)粒土砂亞硫酸鹽漬土的鹽脹率方程為

aHY=0.245 7X1-1.103 9X2-0.440 5X3-

2.916 1X4-2.918 4

bHY=1.541 5X1+1.694 3X2-0.563 6X3+

0.260 8X4-2.158 7

cHY=-1.845 7X1+1.457 5X2-0.088X3+

1.549 2X4-0.091 1

dHY=0.378 9X1-1.355 2X2-1.170 3X3+

3.358 1X4-0.363 3

eHY=1.010 4X1-2.562 9X2+1.089X3+

1.254 6X4+2.698 7

(6)

圖9詳細(xì)地展示了含細(xì)粒土砂亞硫酸鹽漬土通過(guò)式(6)得到的鹽脹率計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差值?？梢园l(fā)現(xiàn)它們較為接近，最大差值約為0.346%，建立的計(jì)算模型是穩(wěn)定的。

4.5 細(xì)粒土質(zhì)砂亞硫酸鹽漬土鹽脹率與其影響因素計(jì)算模型

基于BP模型，細(xì)粒土質(zhì)砂亞硫酸鹽漬土的鹽脹率方程為

aSY=-0.310 3X1-3.711 8X2-1.938 5X3+

3.949 6X4+2.000 2

bSY=2.058 9X1-1.125 0X2+0.386 8X3-

1.086 9X4-0.744 1

cSY=1.623 3X1-5.239 3X2-0.369 8X3-

1.205 0X4+2.791 1

dSY=-4.229 6X1+3.786 2X2+0.097 9X3-

0.224 1X4+3.014

eSY=4.328 4X1+5.308 9X2-0.889 9X3-

3.331 3X4+3.040 5

(7)

圖9詳細(xì)地展示了細(xì)粒土質(zhì)砂亞硫酸鹽漬土通過(guò)式(7)得到的鹽脹率計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差值?？梢园l(fā)現(xiàn)它們較為接近，最大差值約為-0.216%，建立的計(jì)算模型是穩(wěn)定的。

5 影響因素權(quán)重討論

當(dāng)含鹽量在本文試驗(yàn)設(shè)定的范圍、含水率為最佳含水率、壓實(shí)度為最大干密度的93%、上覆荷載為0 kPa時(shí)，由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到的鹽脹率隨含鹽量的變化趨勢(shì)如圖10所示。從圖10可知，在提高含鹽量之后，鹽脹率也會(huì)隨之提升，而礫類亞硫酸鹽漬土含鹽量提高到某一程度后，鹽脹率隨含鹽量的增大速率變緩甚至減少。這是因?yàn)殡S著含鹽量的增加，結(jié)合土中水形成更多的結(jié)晶鹽，因此鹽脹率隨含鹽量的增加而增大，但是當(dāng)含水率一定時(shí)，隨著含鹽量的增加而形成過(guò)飽和溶液，結(jié)晶鹽的析出反而減少，鹽脹率增大將不再明顯甚至呈下降趨勢(shì)。

圖10 鹽脹率隨含鹽量變化趨勢(shì)Fig.10 Trend of Salt Expansion Rate with Salt Content

當(dāng)含鹽量為試驗(yàn)范圍中間值、含水率為最佳含水率 2.2%、壓實(shí)度為最大干密度的93%、上覆荷載為0 kPa時(shí)，由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到的鹽脹率隨含水率變化趨勢(shì)如圖11所示。當(dāng)含鹽量為試驗(yàn)范圍中間值、含水率為最佳含水率、壓實(shí)度為最大干密度的93%、上覆荷載為0～4.42 kPa時(shí)，由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到的鹽脹率隨上覆荷載變化趨勢(shì)如圖12所示。由圖12可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上覆荷載提高之后，鹽脹率逐漸減小，也就是前者具有對(duì)鹽脹過(guò)程的抑制作用。

圖11 鹽脹率隨含水率變化趨勢(shì)Fig.11 Trend of Salt Expansion Rate with Water Content

圖12 鹽脹率隨上覆荷載變化趨勢(shì)Fig.12 Trend of Salt Expansion Rate with Overburden Load

鹽脹率的影響因素包括了初始?jí)簩?shí)度，然而在BP模型中卻沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。究其原因，認(rèn)為試驗(yàn)土樣具有較高的最大干密度值，在當(dāng)前試驗(yàn)所設(shè)壓實(shí)度條件下(從89%～97%)，具有較小的干密度區(qū)別，此外，從參考所進(jìn)行的單因素試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)提高壓實(shí)度值時(shí)，鹽脹率的變化不太明顯，起到的作用較小。

由鹽脹率影響因素權(quán)重分析可知，下述交互作用相對(duì)顯著，包括含鹽量與含水率、上覆荷載與含水率、上覆荷載與含鹽量[25]。根據(jù)所采用的BP模型研究可知，對(duì)于礫類亞硫酸鹽漬土而言，其含鹽量與含水率、上覆荷載與含水率的交互作用達(dá)到顯著性水平，對(duì)于砂類(細(xì)粒土質(zhì)砂)亞硫酸鹽漬土而言，其含鹽量與含水率、上覆荷載與含鹽量的交互作用達(dá)到顯著性水平[14]，取壓實(shí)度為最大干密度的93%，上覆荷載為試驗(yàn)范圍中間值2.21 kPa，含水率與含鹽量交互作用對(duì)鹽脹率影響程度如圖 13所示。同理可得，上覆荷載與含水率的交互作用、上覆荷載與含鹽量的交互作用對(duì)鹽脹率影響程度分別如圖14，15所示。

由圖13可知，當(dāng)含水率一定時(shí)，含鹽量越大，對(duì)鹽脹的促進(jìn)作用越強(qiáng)。由圖13(a)可知，當(dāng)含鹽量一定時(shí)，礫類亞硫酸鹽漬土鹽脹率隨含水率增加的變化規(guī)律呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；由圖13(b)可知，砂類(細(xì)粒土質(zhì)砂)亞硫酸鹽漬土鹽脹率隨含水率的變化趨勢(shì)與含鹽量的高低相關(guān)，含鹽量較低時(shí)鹽脹率會(huì)因含水率提高而逐漸提升，含鹽量較高時(shí)鹽脹率會(huì)隨著含水率提高而發(fā)生顯著的降低。這是因?yàn)榻换プ饔玫拇嬖?，使得鹽脹率隨含水率的變化規(guī)律在其他因素取不同值時(shí)，表現(xiàn)了不同的變化規(guī)律。

圖13 含鹽量與含水率的交互作用對(duì)鹽脹率的影響Fig.13 Influence of Interaction Between Salt Content and Water Content on Salt Expansion Rate

從圖14可知，當(dāng)上覆荷載較小時(shí)，礫類亞硫酸鹽漬土鹽脹率隨含水率的減小速率大于上覆荷載較大時(shí)。從圖15可知：如果含鹽量保持不變，在比較高的上覆荷載作用下，將會(huì)提升抑制鹽脹的效果，當(dāng)該荷載值為3 kPa及其以上時(shí)，鹽脹現(xiàn)象大為降低；如果保持上覆荷載值不變，那么提高含鹽量會(huì)促進(jìn)鹽脹過(guò)程。

圖14 細(xì)粒土質(zhì)礫亞硫酸鹽漬土含水率與上覆荷載的交互作用對(duì)鹽脹率的影響Fig.14 Influence of Interaction Between Water Content and Overburden Load on Salt Expansion Rate for Gravel Sulfite Saline Soil

圖15 細(xì)粒土質(zhì)砂亞硫酸鹽漬土含鹽量與上覆荷載的交互作用對(duì)鹽脹率的影響Fig.15 Influence of Interaction Between Salt Content and Overburden Load on Salt Expansion Rate for Sandy Soil-II Sulfite Saline Soil

由上可知，與上覆荷載和含水率相比，含鹽量對(duì)鹽漬土鹽脹率影響作用較為明顯，這與鹽脹率影響因素權(quán)重相一致，同時(shí)也驗(yàn)證了BP模型的正確性。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)基于單因素改變條件下的鹽脹試驗(yàn)，采用二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)BP模型建立了礫類(細(xì)粒土質(zhì)礫)亞硫酸鹽漬土鹽脹率計(jì)算模型和砂類(含細(xì)粒土砂、細(xì)粒土質(zhì)砂)亞硫酸鹽漬土鹽脹率計(jì)算模型。

(2)根據(jù)BP模型，礫類亞硫酸鹽漬土的含鹽量與含水率、上覆荷載與含水率的交互作用顯著，砂類(細(xì)粒土質(zhì)砂)亞硫酸鹽漬土的含鹽量與含水率、上覆荷載與含鹽量的交互作用顯著。

(3)在工程應(yīng)用中，上覆荷載對(duì)粗粒亞硫酸鹽漬土(含細(xì)粒土砂)鹽脹率大小的抑制作用需要結(jié)合顆粒級(jí)配方面的情況來(lái)展開分析，細(xì)粒土含量起到的影響作用比較明顯。同時(shí)，在路基防排水措施良好的情況下，從影響粗粒亞硫酸鹽漬土鹽脹特性的敏感參數(shù)分析結(jié)果可以看出，易溶鹽和荷載所占比例最大，水的影響較小。在進(jìn)行相關(guān)路基設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用重型路面結(jié)構(gòu)以抑制鹽脹率的增長(zhǎng)，合理利用粗粒亞硫酸鹽漬土作為路基填料。