張莎莎，劉亞超，楊曉華，陳偉志，金好乾

(1. 長安大學公路學院，陜西西安 710064； 2. 中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031

0 引 言

在區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的需求下，一些高速鐵路的建設將面臨既有路基的利用問題。部分既有路基位于粗粒鹽漬土區(qū)，路基填料大多是粗粒鹽漬土，因修筑時建設水平較低，且長時間在無防護條件下擱置，勢必會造成路基填料的基本物理化學性質(zhì)發(fā)生很大程度的改變。路基填料物理化學性質(zhì)的改變直接影響建設工程的安全性，要想有效利用某既有路基，首先就要明確該既有路基填料現(xiàn)在的基本物理化學性質(zhì)及其變形特性，所以開展既有路基變形特性方面的研究具有較大的實際工程意義。

費雪良等[1]對不同初始干密度和凍融循環(huán)條件下硫酸鹽漬土的鹽脹規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用下的鹽脹具有累加性。張莎莎等[2-6]對粗粒鹽漬土的鹽脹敏感區(qū)間、鹽脹特性及其微觀機制等方面進行了研究，并分析了多次添加含鹽施工用水對礫類硫酸鹽漬土工程性質(zhì)的影響機理。Zhang等[7-9]研究了硫酸鹽漬土在鹽脹、冷卻過程中的相變過程，建立了預測凍結(jié)點和未凍結(jié)水含量的數(shù)學模型。包衛(wèi)星等[10]研究了不同含鹽量水平下砂類鹽漬土的鹽脹變化特點和凍融循環(huán)作用下砂類鹽漬土的溶陷特性。楊曉華等[11]采用室內(nèi)模擬潛蝕溶陷變形的離心模型試驗，研究典型天然鹽漬土和不同氯離子含量的鹽漬土溶陷系數(shù)的特點。肖澤岸等[12-13]研究了鹽分在土體凍結(jié)過程中對水分重分布與變形的影響，探討了硫酸鈉鹽漬土在凍融循環(huán)作用下土體的變形規(guī)律。Zhang等[14-15]對凍融-降水循環(huán)作用下鹽漬土路基的變形特性進行了研究，并分析了無機黏結(jié)劑改良粗粒鹽漬土的可行性和合理性。文桃等[16]對不同試樣制備條件下的硫酸鹽漬土進行了擊實試驗和電鏡掃描。張建淵等[17]對蘭新高速鐵路沿線不同類型鹽漬土地基進行現(xiàn)場浸水荷載試驗，并對鹽漬土地基的溶陷特性及影響因素進行研究。張沛然等[18]對深基坑內(nèi)不同深度土層的溫度場、水分場和鹽脹變形隨季節(jié)性變化狀況進行了長期的動態(tài)監(jiān)測和分析研究。Wan等[19]建立了土的冰點和冰的成核速率計算模型以及鹽漬土冰點預測方程，探討了水過冷對不同土壤體積和含鹽量的影響。周鳳璽等[20]建立了溫度梯度作用下非飽和鹽漬土水-熱-鹽-力多場耦合數(shù)學模型,分析了鹽漬土特征溫度的影響因素。許健等[21]研究了硫酸鈉鹽漬原狀黃土凍融過程劣化規(guī)律及微細觀結(jié)構損傷演化機制。楊曉華等[22]對粗顆粒硫酸鹽漬土工程性質(zhì)進行了總結(jié)分析。以上學者在粗粒鹽漬土的鹽脹、溶陷變形等方面做了比較詳盡的研究，但很少涉及既有路基變形特性方面的研究，既有路基具有線路長、工程地質(zhì)條件復雜、路基填料性質(zhì)多變的特點，需要進行關于變形特性方面的深入研究。

本文針對某既有高鐵路基典型路段的填料，分別開展了室內(nèi)鹽脹試驗、溶陷試驗、凍融循環(huán)試驗以及現(xiàn)場大型溶陷試驗，明確該既有路基的基本物理化學性質(zhì)及變形特性，為有效利用該既有路基提供理論支撐，為粗粒鹽漬土作為路基填料提供工程實踐支撐，并為粗粒鹽漬土區(qū)類似工程項目提供參考。

1 路基填料基本物理化學性質(zhì)

由于路基填料級配特征與其相關變形特性密切相關，為了明確該既有路基變形特性與其級配特征的關系，采用篩分法得到該既有路基填料的顆粒組成，部分標段路基填料篩分試驗結(jié)果見圖1。

圖1 顆粒級配曲線Fig.1 Grain Gradation Curves

為了探究該既有路基填料變形特性與土樣本身的相關物理化學性質(zhì)之間的關系，基于室內(nèi)重型擊實試驗，得到各標段路基填料的最大干密度和最佳含水率，并采用液、塑限聯(lián)合測定法測得各標段路基填料中細粒土的液限和塑限值，部分標段路基填料的試驗結(jié)果見表1；采用過5 mm篩孔的烘干土樣300 g進行易溶鹽含量試驗，部分標段試驗結(jié)果見表2、3。

表2 各標段路基填料易溶鹽總含量Table 2 Total Soluble Salt Content of Subgrade Filler in Each Bid Section

表3 各標段路基填料化學成分分析結(jié)果Table 3 Chemical Composition Analysis Results of Subgrade Filler in Each Bid Section

2 試驗方案

2.1 單次降溫鹽脹試驗

為了探究單次降溫條件下各標段土樣鹽脹量情況以及與填料級配特點之間的關系，選取K87+950、K121+150、K133+500、K165+260、K196+900、K214+900土樣進行單次降溫鹽脹試驗。添加適量蒸餾水使土樣處于最佳含水率狀態(tài)，試驗選用各標段路基填料的易溶鹽含量、最大干密度、最佳含水率及路基壓實度見表1。

表1 各標段土樣基本物理性質(zhì)Table 1 Basic Physical Properties of Soil Sample in Each Bid Section

本次試驗采用高度為13 cm、直徑為15 cm的鐵桶作為試驗容器，試驗裝置見圖2[6]。按照現(xiàn)場檢測取土位置處的壓實度，將土樣分3次擊入試驗桶中，然后覆蓋1層保鮮膜，放置12 h。采用單次降溫，降溫范圍設定為25～-15 ℃，降溫速率為5 ℃·(60 min)-1，當降溫到-15 ℃時，恒溫保持6 h。

圖2 單次降溫鹽脹裝置Fig.2 Single Cooling Salt Expansion Device

2.2 溶陷試驗

為了探究各標段路基的溶陷量以及與土樣相關性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，進行室內(nèi)溶陷試驗。試筒選用直徑28 cm、高度12 cm的有機玻璃桶，試筒上、下面均可自由排水，在試筒上部放置鋼排水板，同時在有機玻璃桶外側(cè)安裝鐵箍。試驗土樣同室內(nèi)鹽脹試驗所取土樣一致，每個標段的土樣按照現(xiàn)場測得的壓實度，分3次擊入試樣桶中。采用單線法，通過萬能試驗機施加荷載，荷載施加順序為0→50 kPa→100 kPa→150 kPa→200 kPa→300 kPa。以試樣每小時變形量不超過0.01 mm為變形穩(wěn)定標準，變形穩(wěn)定后再施加下一級荷載，200 kPa加載穩(wěn)定1 h后，加水浸濕3 d，然后將荷載加載至300 kPa。

為了明確降水量對路基溶陷量的影響效果，選取K31+000標段路基進行現(xiàn)場溶陷試驗。荷載板直徑為0.8 m，試坑直徑為2.5 m。在距試坑中心0.43 m處布置4個分層觀測點(圖3)，距坑底表面深度分別為1、2、3、4 m，用來測量不同土層的沉降、溶陷量以及溶陷深度。

圖3 現(xiàn)場溶陷觀測點布置Fig.3 Layout of Field Collapse Observation Point

本次試驗浸水壓力為200 kPa，加載階段分8級，浸水過程完成后分8級繼續(xù)加載，整個加載過程見圖4。浸水階段分5步進行，模擬5種不同的氣候條件：①注水30 mm模擬一年中月最大平均降水量；②在工況1的基礎上再次注水30 mm，模擬一年內(nèi)最大單次降水量；③在工況2的基礎上再次注水40 mm，模擬年均降雨量；④保持30～40 cm常水頭浸水持續(xù)24 h，模擬當?shù)貥O端單次降雨；⑤長期保持30～40 cm常水頭浸水來測定最不利工況下試驗點路基的溶陷系數(shù)。

圖4 現(xiàn)場溶陷加載過程Fig.4 Field Collapse Loading Process

2.3 凍融循環(huán)試驗

為了明確凍融循環(huán)條件下路基的變形量及凍融后含水率、硫酸根離子的分布情況，選取K87+950標段土樣開展室內(nèi)大尺寸凍融循環(huán)試驗。按照最佳含水率配制試驗用土，并裝入密封袋中悶料24 h以上。試筒選用直徑30 cm、桶高75 cm的有機玻璃桶。土樣高度75 cm，每層土厚度為2.5 cm，分層擊實，使試驗土樣壓實度與現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)一致。距土樣底部每隔10 cm設置溫度探頭，來測量對應土層的溫度，試驗裝置見圖5。

圖5 凍融循環(huán)試驗裝置Fig.5 Freeze-thaw Cycle Test Device

試驗裝置采用低溫恒溫槽，單向降溫，單向升溫。降溫設置為25 ℃→-15 ℃，降溫速率為5 ℃·(1.5 h)-1，溫度達到-15 ℃后恒溫36 h。升溫設置為-15 ℃→25 ℃，升溫速率為5 ℃·(1.5 h)-1，溫度達到25 ℃時恒溫維持36 h。在無附加荷載的情況下(制冷頭0.7 kPa)，共進行7個凍融循環(huán)周期。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 單次降溫鹽脹試驗結(jié)果及分析

各標段土樣最終鹽脹量以及與路基填料不均勻系數(shù)之間的關系見圖6。從圖6可以看出，單次降溫情況下路基填料的最終鹽脹量與土樣的不均勻系數(shù)之間呈現(xiàn)出正相關關系。K87+950土樣在整個降溫過程中出現(xiàn)了顯著的體縮，K121+150土樣出現(xiàn)輕微體縮，K133+500和K165+260土樣則發(fā)生明顯的鹽脹，K196+900和K214+900土樣鹽脹變形不明顯。K133+500、K165+260、K214+900土樣最大干密度一致，說明在最大干密度相同的情況下，土樣最終鹽脹量的大小在很大程度上由顆粒級配特點以及硫酸根離子含量共同決定。

圖6 各標段土樣最終鹽脹量Fig.6 Final Salt Expansion of Soil Sample in Each Bid Section

在本次試驗的6個標段路基填料中，K133+500和K165+260土樣的硫酸根離子含量以及不均勻系數(shù)最大，且路基壓實度最大。不均勻系數(shù)越大代表級配越良好，壓實以后孔隙率越小，顆粒間接觸越緊湊，硫酸鹽吸水膨脹時外在表現(xiàn)越顯著。在降溫階段，K133+500和K165+260土樣中硫酸鹽吸水結(jié)晶產(chǎn)生很大的膨脹力，導致顆粒間隙增大，鹽結(jié)晶體積增加量部分填充大孔隙，土體顆粒重新排列，小顆粒回落到大孔隙中，但鹽結(jié)晶體積增加量大于小顆?；芈淞浚蚨a(chǎn)生了明顯的鹽脹變形[4]。其余標段路基填料中硫酸根離子含量相對較少，不均勻系數(shù)較小，顆粒間隙較大。在降溫階段，鹽結(jié)晶產(chǎn)生膨脹力，使得土體顆粒間隙擴大，而硫酸鹽結(jié)晶數(shù)量少，不能很好地填充土體顆粒間隙而使土體結(jié)構破壞，小顆?；芈湓诖罂紫吨?，因此鹽脹現(xiàn)象不明顯，甚至會產(chǎn)生體縮。

3.2 溶陷試驗結(jié)果及分析

圖7為各標段土樣在不同荷載壓力P作用下的溶陷曲線。從圖7可以看出，隨著荷載的增加，各標段溶陷變形量具有一致的變化趨勢。在荷載壓力為100 kPa時，各標段土樣變形量在1～3.5 mm之間；當荷載壓力為200 kPa時，浸水后土樣會發(fā)生Δhp的溶陷量；當荷載壓力達到300 kPa時，K87+950標段土樣最終變形量最大，為5.67 mm，最大變形率為4.7%。在實際工程中，若以1 m浸水深度計算，則最大變形量為47 mm，超出了高速鐵路無砟軌道要求的15 mm變形量[21]，所以需要采取相關措施，防止因溶陷導致路基破壞。

圖7 各標段土樣溶陷曲線Fig.7 Collapse Curve of Soil Sample in Each Bid Section

圖8為各標段土樣溶陷系數(shù)。由圖8可知，各標段路基填料的溶陷系數(shù)與氯離子含量曲線變化趨勢一致，二者存在正相關關系。K87+950、K133+500以及K165+260這3個標段土樣的溶陷系數(shù)大于或等于0.01，屬于溶陷性鹽漬土，其最大溶陷系數(shù)為0.012。其余3個標段的鹽漬土溶陷系數(shù)均小于0.01，溶陷現(xiàn)象不明顯。

圖8 各標段土樣溶陷系數(shù)Fig.8 Collapse Coefficient of Soil Sample in Each Bid Section

現(xiàn)場溶陷試驗浸水階段溶陷量變化如圖9所示。在浸水階段，第1次注水30 mm時，荷載板下部土體沉降量顯著增大，溶陷發(fā)展迅速，這一階段溶陷量占比高達80%。第2次注水30 mm時，土體沉降量和溶陷量均有所增加，且2 m及2 m以下土體沉降板基本上沒有發(fā)生沉降，此工況下溶陷量占比1.6%。再次注水40 mm，溶陷會持續(xù)發(fā)生，但增加速度緩慢，第3工況溶陷量占總?cè)芟萘康?.1%。持續(xù)24 h保持30 cm常水頭浸水穩(wěn)定時，試驗路基各觀測點沉降、溶陷量增加幅度較小，此工況溶陷量占比為6.8%。保持30 cm常水頭，長期浸水穩(wěn)定時，此工況溶陷量占比6.5%。路基土體溶陷量隨著降水量的變大而增加，但當降水量達到30 mm以后，溶陷量保持相對穩(wěn)定，極端降水不會使路基土體發(fā)生過大的溶陷變形?，F(xiàn)場溶陷試驗表明，K31+000段路基不具有溶陷性，最大溶陷量為4.83 mm，滿足高速鐵路無砟軌道15 mm的變形要求。

圖9 浸水階段土樣溶陷量Fig.9 Collapse Amount of Soil Sample in Immersion Stage

3.3 凍融循環(huán)試驗結(jié)果及分析

圖10為K87+950標段土樣在凍融循環(huán)各周期中最低溫度和最高溫度時的變形量，溫度測點位置土體的溫度變化見圖11。

圖10 各凍融循環(huán)周期最高溫度、最低溫度時的變形量Fig.10 Deformations at Highest Temperature and Lowest Temperature in Each Freeze-thaw Cycle

圖11 凍融循環(huán)過程中的溫度變化曲線Fig.11 Temperature Change Curves During Freeze-thaw Cycle

從圖10可以看出，土樣在各周期最高溫度時的變形量隨著凍融循環(huán)周期的增加逐漸增大，變形量隨溫度變化呈現(xiàn)V形下降趨勢，在第5個凍融循環(huán)周期相對融沉量達到最大值。本標段路基壓實度為91.8%，土體不密實，空隙較大較多。在凍融循環(huán)開始階段，硫酸鹽吸水結(jié)晶，土體體積增大，細小顆?；芈涮畛浯罂障叮馏w鹽脹不明顯。當溫度升高時，鹽結(jié)晶失去結(jié)晶水，逐漸溶解，土體骨架遭到破壞，土體產(chǎn)生塌落變形，體積減小。5次凍融循環(huán)后，土體骨架結(jié)構破壞嚴重，升溫過程中結(jié)晶鹽釋放出水分子，水分遷移使得頂部位置含水率特別大，可以溶解部分土顆粒膠結(jié)而形成的骨架結(jié)構，破壞膠結(jié)結(jié)構，使得部分土體失穩(wěn)塌陷，土顆粒重新排列，產(chǎn)生溶陷，7次凍融循環(huán)后該標段土體鹽脹量為負值，最終表現(xiàn)為融沉。

從圖11可以看出，距土樣頂部15 cm高度范圍為溫度敏感區(qū)間，溫度影響作用沿土體高度逐漸遞減，土樣高度70 cm處溫度探頭監(jiān)測的溫度變化范圍最大，第二周期最低溫度為-11 ℃。

土樣經(jīng)歷7個周期的凍融循環(huán)后含水率和硫酸根離子含量變化見圖12。

圖12 凍融循環(huán)后含水率及硫酸根離子含量變化Fig.12 Changes of Water Content and Sulfate Ion Content After Freeze-thaw Cycle

從圖12可以看出，凍融循環(huán)后土樣頂部含水率明顯增加，底部含水率減少,20～40 cm高度范圍內(nèi)土樣含水率無明顯變化。降溫過程中，土樣頂部的硫酸鹽吸水形成結(jié)晶體，液態(tài)水逐漸結(jié)冰，使得水分逐漸向冷端遷移，頂部土體含水率高于試驗開始時的含水率。硫酸根離子分布呈現(xiàn)出M形，土樣頂部和底部位置處的硫酸根離子含量都減少，中間位置的硫酸根離子含量沒有變化。鹽脹是由硫酸鈉吸水結(jié)晶體積膨脹導致的，距土樣頂部15～30 cm范圍硫酸根離子含量最高，說明這個層位范圍鹽脹變形量最大。

4 結(jié)語

(1)在無上覆荷載的單向降溫條件下，土體的最大鹽脹率為0.96%，部分標段路基不會發(fā)生鹽脹，甚至出現(xiàn)下沉。最大鹽脹率與路基填料不均勻系數(shù)之間存在正相關關系，在最大干密度相同的情況下，土樣最終鹽脹量在很大程度上取決于顆粒級配和硫酸根離子含量。

(2)在最不利工況下，由室內(nèi)溶陷試驗可知土樣的最大溶陷系數(shù)為0.012，部分標段土樣是溶陷性鹽漬土。溶陷系數(shù)與氯離子含量之間存在正相關關系。K87+950標段土樣最終溶陷量最大，為5.67 mm，最大變形率為4.7%，應采用設置反壓護道或垂直防滲等措施，防止發(fā)生溶陷危害。

(3)現(xiàn)場溶陷試驗點路基的溶陷量和溶陷系數(shù)均較小，不具有溶陷特性，該路基填料粗顆粒含量相對較多，細顆粒含量少，浸水過程中，易溶鹽晶體溶解，不影響土體主要骨架結(jié)構，不會發(fā)生較大的溶陷變形。注水量達到30 mm時，溶陷量可達到最終溶陷量的80%，極端降雨不會引起路基產(chǎn)生較大的溶陷變形。

(4)K87+950段路基變形量隨溫度變化呈現(xiàn)V形下降趨勢，在第2次凍融循環(huán)后，出現(xiàn)融沉，在第5次凍融循環(huán)周期時相對融沉值達到最大。7次凍融循環(huán)后硫酸根離子沿土樣高度呈現(xiàn)M形分布，土樣頂部含水率增大。土樣頂部15 cm范圍內(nèi)為溫度敏感區(qū)間，土樣頂部15～30 cm層位膨脹變形最大。在實際工程中，對于壓實度較低的路段，應重視其融沉。