劉國田, 雷明軒, 張超

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

鹽漬土的溶陷變形是指在自重應力或附加應力作用下，天然鹽漬土被水浸濕后發(fā)生的變形。在實際工程中，鹽漬土的溶陷變形問題會直接影響路基整體穩(wěn)定性，是目前其作為地基時存在的主要問題。含鹽地層作為一類特殊的工程地質(zhì)體，其工程性能具有易變性、各向異性以及凍脹性等特點。對于鹽漬土而言，其溶陷變形主要分為靜水中的溶陷變形及潛蝕變形兩種。鹽漬土地基的溶陷會造成土體結(jié)構強度的喪失，使地基承載力降低，并產(chǎn)生很大的變形而導致上部構筑物的沉降。當沉降不均勻時，則可能導致上部構筑物的開裂。土體發(fā)生溶陷時，其變形速度很快，由此對構筑物的穩(wěn)定性、安全性形成很大的威脅，所以在鹽漬土地區(qū)工程地質(zhì)勘察中，溶陷性評價直接關系到后續(xù)設計、施工的成敗。目前評價鹽漬土溶陷性的重要指標是溶陷率δ，可通過現(xiàn)場荷載試驗或室內(nèi)壓縮試驗手段獲取，該文以在建察爾汗-格爾木高速公路為依托，通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗的方式，對巖鹽分布地區(qū)的溶陷特性展開分析，研究其作為高等級公路路基的可行性。

1 巖鹽基本性質(zhì)及評價標準

1.1 巖鹽基本性質(zhì)

巖鹽夾層地基最大的隱患是在降雨情況下地表鹽殼層發(fā)生溶解、溶濾和溶陷，從而降低地基承載力或復合地基承載力，加劇上部路基沉降和不均勻沉降。該文通過實體工程，對巖鹽進行室內(nèi)溶陷試驗和巖鹽地基現(xiàn)場浸水載荷試驗，分析巖鹽的溶陷特性。

室內(nèi)溶陷試驗所用巖鹽試樣取自察爾汗鹽湖，取樣地點與現(xiàn)場溶陷試驗位于同一地點。取土深度為0.3～0.5 m，土樣基本性質(zhì)見表1～3。由表1～3可知:試坑淺層土樣總含鹽量為89.1%，天然含水率為5.9%。

表1 土樣顆粒分析結(jié)果

表2 土樣易溶鹽離子含量

表3 土樣界限含水率

1.2 巖鹽溶陷性評價標準

GB/T 50942—2014《鹽漬土地區(qū)建筑技術規(guī)范》將鹽漬土的溶陷程度根據(jù)溶陷系數(shù)(δrx)劃分為3類；將鹽漬土的溶陷等級根據(jù)總?cè)芟萘?ΔS)分為3級。溶陷程度及溶陷等級見表4、5。

表4 鹽漬土溶陷程度分類

表5 鹽漬土地基的溶陷等級

JTG D30—2015《公路路基設計規(guī)范》規(guī)定：地下水埋深小于3.0 m或存在經(jīng)常性地表水侵擾的鹽漬土路段，應進行地基溶陷性評價，溶陷性指標見表6。

表6 鹽漬土地基溶陷性指標

2 室內(nèi)溶陷試驗與結(jié)果分析

2.1 試驗方法

巖鹽室內(nèi)溶陷試驗參照現(xiàn)行JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》(簡稱《規(guī)程》)黃土濕陷試驗進行，采用環(huán)刀法現(xiàn)場取樣，取樣前清除地表松散層，取樣深度為0.3～0.5 m。為盡量減少對試樣的擾動與試樣的長期擱置，取樣與備樣后在現(xiàn)場工地試驗室及時進行試驗?？紤]到巖鹽試樣浸水溶陷量大，為保證巖鹽溶陷試驗的連續(xù)性和試驗結(jié)果的準確性，試制加高了環(huán)刀和水槽，將《規(guī)程》規(guī)定的環(huán)刀高度20 mm改為40 mm，直徑不變；水槽高度由45 mm加高至70 mm，以保證溶陷試驗過程中試樣能完全浸入水中。試驗過程中采用50 mm量程百分表測量試樣高度值。巖鹽溶陷試驗采用單線法和雙線法進行。

(1) 單線法

采用環(huán)刀法制取5個試樣，依次施加5個不同的壓力值(50、100、150、200和400 kPa)，將備好的試樣按照要求放置在固結(jié)儀內(nèi)，施加預壓荷載后對5個試樣分級加壓至5個等級壓力沉降穩(wěn)定后加水溶陷至再度達到沉降，測讀該壓力下浸水前后的高度值，計算溶陷量與溶陷系數(shù)。具體步驟：第一個試樣施加50 kPa壓力，按照規(guī)定的時間間隔讀數(shù)直至沉降穩(wěn)定，自試樣頂面緩慢加水再度達到沉降穩(wěn)定讀數(shù)并記錄；第二個試樣分級加壓至100 kPa，按照規(guī)定的時間間隔讀數(shù)直至沉降穩(wěn)定，自試樣頂面緩慢加水再度達到沉降穩(wěn)定讀數(shù)并記錄；其他分級壓力以此類推。

(2) 雙線法

雙線法切取2個環(huán)刀試樣，一個試樣在天然含水率下分級加壓，直至溶陷變形穩(wěn)定為止；另一個試樣在天然含水率下施加第一級壓力，變形穩(wěn)定后加水待再次穩(wěn)定后分級施加后續(xù)分級壓力，直至各級壓力溶陷變形穩(wěn)定為止。計算天然狀態(tài)和浸水狀態(tài)的沉降差，即溶陷量。

(3) 溶陷系數(shù)δ計算公式為：

δ=(hP-h′P)/h0

(1)

式中：h0為原狀試樣的原始高度(此次試驗為40 mm)；hP為壓力P穩(wěn)定變形后試樣的高度(mm)；h′P為壓力P浸水溶陷穩(wěn)定后試樣的高度(mm)。

2.2 試驗結(jié)果與分析

室內(nèi)溶陷試驗結(jié)果見表7、8。

表7 單線法溶陷試驗結(jié)果

從表7、8可知：施加的壓力越大，試樣的溶陷量和溶陷系數(shù)越大，溶陷量和溶陷系數(shù)在壓力為50～100 kPa時，變化較為顯著；其后分級壓力加載過程中，變化相對平穩(wěn)。同級壓力條件下，雙線法測得的溶陷系數(shù)要略大于單線法。兩試樣單線法測得的溶陷量為6.558～9.451 mm，溶陷系數(shù)為0.164～0.239；雙線法測得的溶陷量為6.297～10.109 mm，溶陷系數(shù)為0.157～0.253。根據(jù)溶陷性評價標準，由溶陷系數(shù)判定巖鹽試樣的溶陷程度為強溶陷。限于室內(nèi)試驗儀器尺寸所限，室內(nèi)試驗測得的溶陷量并不能確定巖鹽的溶陷等級，JTG D30—2015《公路路基設計規(guī)范》指出鹽漬土地基應根據(jù)溶陷量對其溶陷性進行評價，鑒于此，以下章節(jié)將開展巖鹽夾層地基現(xiàn)場溶陷試驗，以分析評價巖鹽夾層地基的溶陷特性。

表8 雙線法溶陷試驗結(jié)果

3 現(xiàn)場溶陷試驗與結(jié)果分析

試驗段(室內(nèi)溶陷試驗取樣段)位于G3011線(青海境)察爾汗—格爾木高速公路察爾汗鹽湖互通區(qū)發(fā)展大道段。該區(qū)地貌類型為湖積平原，地形較平坦。工程地質(zhì)構成為，地基表層為0～1.0 m厚氯鹽型鹽殼層，密實；下層為低液限粉土，軟塑，揭示厚度為10.9 m，厚度未揭穿；地下水為表層潛水，水位為1.50 m，第二層水為承壓鹵水，水頭為2～5 m。地下水和土對混凝土均具強腐蝕性。

3.1 試驗方案

參照JTG E40—2017《公路土工試驗規(guī)程》，現(xiàn)場試驗中選取承載板直徑為1.13 m，試坑直徑為3.4 m，通過在工字鋼跨度范圍內(nèi)增加支點的方式，減少工字鋼的撓度，保證平臺的穩(wěn)定。浸水壓力取值不小于基底壓力值，分級加荷的等級為9級?，F(xiàn)場試驗同樣以單線法及雙線法同步開展，具體過程參見相關試驗規(guī)程。

3.2 計算方法

鹽漬土地基試驗土層的溶陷系數(shù)δm按下式計算：

(2)

式中：δm為溶陷系數(shù)；sm為浸水壓力作用下土層的溶陷量；ss為浸水飽和條件下地基的沉降量；sn為自然狀態(tài)條件下地基的沉降量；hm為浸潤深度。

浸潤深度測定方法如下：

(1) 注水前，通過鉆探等手段進行取樣，分層取樣厚度宜為0.1 m，取樣深度宜為地下水位0.5 m處；對各土層的含水率w1進行測定。

(2) 浸水飽水并逐級加荷試驗完成后，將試坑中的水排除。同樣采用鉆探等手段進行分層取樣，并對各土層的含水率w2進行測定。

(3)W2-W1≥1%的最大深度即為浸潤深度。

3.3 試驗結(jié)果分析

按照上述浸潤深度的測定方法，經(jīng)多組檢測數(shù)據(jù)對比分析，試坑平均浸潤深度為100 mm，試驗結(jié)果見表9及圖1～4。

圖1 單線法沉降曲線(最大加載量120 kPa)

表9 溶陷系數(shù)試驗結(jié)果(最大加載量200 kPa)

最大加載量120 kPa施荷條件下，地基土溶陷系數(shù)采用單線法測定為0.032，采用雙線法測定為0.046。

圖2 雙線法沉降曲線(最大加載量120 kPa)

圖3 單線法沉降曲線(最大加載量200 kPa)

從表9及圖1～4中可以看出：

(1) 當施加荷載超過75 kPa時，無論是在天然狀態(tài)還是浸水飽和狀態(tài)下，地基沉降曲線均發(fā)生急劇下沉現(xiàn)象，沉降曲線斜率較大，沉降速率相對較快。說明現(xiàn)場地基溶陷起始壓力為75 kPa，地基土的沉降主要發(fā)生于溶陷起始壓力以后。

(2) 雙線法試驗，荷載為0～110 kPa加載過程中，同一級荷載作用下，天然狀態(tài)地基沉降量較浸水狀態(tài)地基沉降量要大。分析其原因：浸水飽和后的巖鹽地基在荷載壓力的作用下產(chǎn)生了超孔隙水壓力，排水固結(jié)緩慢，鹽漬土體浸水飽和后增加的水分無法徹底排出，從而導致天然狀態(tài)下地基的壓縮變形量要大于壓縮固結(jié)變形量。定義交點處壓力(110 kPa)為真溶陷起始壓力。在真溶陷起始壓力以后，各級荷載作用下浸水狀態(tài)的地基沉降量大于天然狀態(tài)的地基沉降量。鹽漬土的溶陷主要發(fā)生于真溶陷起始壓力之后。

(3) 在真溶陷起始壓力以后，P-ss和P-sn兩曲線上各對應壓力下的沉降差，即為溶陷曲線P-sm。從圖4溶陷P-sm曲線可以看出：鹽漬土各級荷載下的溶陷量隨著浸水壓力的增加而增加，當壓力增加到一定值時，溶陷曲線有一個明顯的拐點，最大的溶陷性在該拐點對應的荷載處產(chǎn)生。溶陷試驗過程存在一個峰值溶陷壓力和峰值溶陷量(對應地存在峰值溶陷系數(shù)，為0.194)，圖中溶陷P-sm曲線峰值溶陷壓力為175 kPa。

圖4 雙線法沉降曲線(最大加載量200 kPa)

(4) 現(xiàn)場溶陷試驗壓力120 kPa，單線法溶陷量為3.2 mm，溶陷系數(shù)為0.032，雙線法溶陷量為4.6 mm，溶陷系數(shù)為0.046；試驗壓力200 kPa，單線法溶陷量為2.0 mm，溶陷系數(shù)為0.020，雙線法溶陷量為12.5 mm，溶陷系數(shù)為0.125。按照GBT 50942—2014《鹽漬土地區(qū)建筑技術規(guī)范》溶陷等級和JTG D30—2015《公路路基設計規(guī)范》溶陷性標準，巖鹽夾層地基溶陷量滿足高速公路、一級公路地基的技術要求，可作為公路地基。

(5) 無論最大加載量為120 kPa還是200 kPa，采用雙線法測得的鹽漬土溶陷系數(shù)均大于單線法測得的溶陷系數(shù)，其原因主要在于兩種方法中地基土具有不同的浸水條件。單線法浸水時試樣已在上部荷載的作用下擠壓，其空隙率、吸水性均逐級減??；而雙線法是先浸水飽和再逐級加荷，因此單線法測得的溶陷量一般小于雙線法測得的溶陷量。

(6) 對比室內(nèi)溶陷試驗和現(xiàn)場溶陷試驗結(jié)果可知：針對巖鹽試樣(地基)，室內(nèi)測得的溶陷系數(shù)遠大于現(xiàn)場測定值。主要原因是因為兩者浸水與受力環(huán)境不同，巖鹽的溶陷主要是易溶鹽的溶解，對于室內(nèi)試驗而言，浸水是在封閉環(huán)境下，水中易溶鹽的溶解是受壓的巖鹽試樣自身的溶解，溶質(zhì)來自于巖鹽自身；對于現(xiàn)場試驗而言，試坑內(nèi)易溶鹽的溶解來自于受壓巖鹽自身和試坑周圍鹽分的供應。對于達到相同濃度的飽和鹵水，現(xiàn)場試驗受壓巖鹽溶解量要少。再者，室內(nèi)試驗所施加的荷載壓力由試樣全部承受，且受尺寸效應的影響；而現(xiàn)場試驗對象為一完整的、且具有水平面無限大的地基結(jié)構層，起到了應力擴散的作用，實際所受壓力較小。

4 結(jié)論

(1) 對巖鹽室內(nèi)溶陷試驗儀器進行改進，試驗壓力為50～400 kPa，單線法測得巖鹽的溶陷量為6.558～9.451 mm，溶陷系數(shù)為0.164～0.239；雙線法測得的溶陷量為6.297～10.109 mm，溶陷系數(shù)為0.157～0.253，巖鹽試樣具有強溶陷的工程特性。限于試驗環(huán)境條件與儀器尺寸效應等影響，室內(nèi)溶陷試驗并不能真正反映巖鹽的實際溶陷性。

(2) 進行了現(xiàn)場溶陷浸水載荷試驗。采用雙線法測定時，存在一個真溶陷起始壓力值，該壓力值是指自然狀態(tài)和浸水飽和狀態(tài)下地基沉降量的臨界點，一般大于常規(guī)的溶陷起始壓力值。在真溶陷起始壓力之后的各級荷載作用下，浸水飽和狀態(tài)下的地基沉降量大于自然狀態(tài)下的地基沉降量。巖鹽夾層地基的溶陷主要發(fā)生于真溶陷起始壓力之后；溶陷試驗過程存在一個峰值溶陷壓力和峰值溶陷量，該試驗巖鹽地基峰值溶陷壓力為175 kPa，峰值溶陷系數(shù)為0.194；雙線法測得的巖鹽溶陷系數(shù)比單線法測得的溶陷系數(shù)要大。

(3) 根據(jù)巖鹽地基現(xiàn)場溶陷試驗結(jié)果，巖鹽夾層地基溶陷量小，按照GBT 50942—2014《鹽漬土地區(qū)建筑技術規(guī)范》溶陷等級和JTG D30—2015《公路路基設計規(guī)范》溶陷性標準，該巖鹽地基滿足高速公路、一級公路地基的技術要求。