硫酸盐渍土机场盐胀破坏试验研究

刘小川 吴爱红 刘俊红 周 奇

(1.中国航空港建设第九工程总队，四川 成都 611430； 2.南部战区空军勘察设计院，广东 广州 510000； 3.东战区空军勘察设计院，江苏 南京 210000)



硫酸盐渍土机场盐胀破坏试验研究

刘小川1吴爱红2刘俊红2周 奇3

(1.中国航空港建设第九工程总队，四川 成都 611430；
2.南部战区空军勘察设计院，广东 广州 510000； 3.东战区空军勘察设计院，江苏 南京 210000)

通过室内试验，模拟研究了机场浸水条件下不同压实度、不同硫酸钠含量的土质区与道面区盐渍土的膨胀性，分析了压实度、含盐量、水分、荷载对硫酸盐渍土机场破坏的影响，结果表明，压实度、含盐量越大，膨胀量亦越大，压实度、含盐量不均匀是机场破坏内因；水分、荷载是道面破坏的外部因素，水分对膨胀影响很大；道面区的膨胀比土质区要小得多，道面结构层自重荷载对膨胀有较好抑制作用，但25 kPa还不足以抑制膨胀。

机场，地基，硫酸盐渍土，膨胀量

硫酸盐渍土对道路的主要危害是盐胀。据青海、新疆等内陆盐渍土地区道路调查表明[1,2]，盐渍土盐胀对道路的破坏形式主要表现在：路面产生不均匀变形，形成波浪、鼓包，使路面的平整度严重下降；因盐胀的反复作用，促使路基土体的结构遭到破坏，引起路基整体强度和稳定性下降。盐胀导致的不均匀变形使路面开裂，经行车碾压，会加速路面破坏。敦煌机场[3,4]等几个机场的调查资料也表明，盐渍土对机场工程的主要危害包括引起道面板错台、断裂、平整度显著降低、鼓包、道肩边坡失稳、隆起。

目前公路、铁路部门对盐渍土研究得比较多，取得了丰硕的成果，机场部门研究较少，对盐渍土机场破坏的原因和机理研究还很不够，机场地基压实度高，平整度限制严格，与公路、铁路有很大不同。本文拟通过室内试验模拟机场浸水条件下不同压实度、不同硫酸钠含量的土质区与道面区盐渍土的膨胀，以研究盐胀量与含盐量、压实度之间的关系，分析道面结构层自重荷载对硫酸盐渍土机场地基膨胀的影响，并在此基础上分析盐渍土机场破坏的原因，以探讨盐渍土机场破坏机理。

1 实验方法

1.1 实验仪器

无载膨胀试验参考T 0125—1993公路土工试验规程规定进行，仪器用膨胀仪。有载膨胀试验仪器为三联中压式固结仪，参考T 0137—1993公路土工试验规程规定进行[5]。

1.2 实验方案

机场工程压实度一般要求超过90%,试验压实度考虑90%,95%,98%；西北地区气候干旱，土壤含水量低，戈壁沙漠天然含水量一般仅1%～3%[6]，因此考虑最不利情况，将试样完全烘干。

道面承受的荷载还有很多，有飞机静荷载、飞机动荷载、风雪荷载以及人、车等，但长期作用于道面的荷载主要还是道面结构层自重，因此试验的上覆荷载只考虑道面结构层自重。西北地区机场道面板厚度按30 cm、混凝土容重按2 500 kg/cm3计，道面产生的自重应力约为7.35 kPa；道面下结构层厚度粗略按1 m算，容重按1 800 kg/cm3计，产生的自重应力约为17.64 kPa；因此两者之和约为25 kPa。故本次试验上覆荷载采用25 kPa。

1.3 实验步骤

试验时，在膨胀仪(固结仪)底座中置湿润的透水石1块，将环刀钝口端旋在底座上，使试样底面与透水石顶面接触，然后一并放到水盆中。将有孔活塞板放在试样顶面上，对准活塞中心，将百分表装好，并记录百分表初始读数。注纯水入盆，盆内水面约与试样底部高度齐平。记下开始注水时间，按30 min,2 h,3 h,24 h及以后每隔24 h记录百分表读数，直至试样不再膨胀为止。移去百分表，将试样从环刀内推出，放入表面皿中，称皿、土总质量，精确至0.01 g。然后将试样放入烘箱，烘至恒量，取出后，放在干燥器内，待冷却后称量，精确至0.01 g。

2 土样基本性质

取土地点为西安灞桥区东李，土样为黄土，天然含水量为19.8%，天然容重为19.78 kN/m3，干容重为16.5 kN/m3，土粒容重为26.84 kN/m3，孔隙比为0.63，孔隙率为0.38，饱和度为86.3%，液限为37.2%，塑限为20.2%，塑性指数Ip=17，液性指数Il≤0。

土样采集后，通过晒干、木槌敲碎，再做筛分。筛分试验结果如表1所示。

表1 筛分试验表

通过击实试验得土样最大干密度和最佳含水量，击实试验结果如下，土样最大干密度为18.4 kN/m3，最佳含水量为14.5%。

原土样掺入无水硫酸钠粉末，含盐量按无水硫酸钠粉末掺量0%,0.5%,1%,2%,4%配置五种土样，搅拌均匀，按最佳含水量拌好土样，塑料袋密封焖制24 h，试件制备时按指定压实度计算高20 mm、内径61.8 mm试样需土质量，装模，用千斤顶压实至20 mm，用顶土块顶出后置于烘箱内完全烘干。

3 实验数据

1)土质区不同含盐量的膨胀试验数据如表2所示。2)道面区不同含盐量的膨胀试验数据如表3所示。从试验数据看，当盐胀稳定时，浸水条件下道面区盐渍土盐胀率仍然较大，但与土质区盐胀比起来要小许多。含盐量4%时土质区盐胀率最高达40.9%，而道面区盐胀率仅为13.2%，以盐渍土厚度1 m计，粗估土质区盐胀量能达40 cm以上，道面区13.2 cm，两者的盐胀量相差27.7 cm，可见土质区与道面区的盐胀是有很大区别的。

4 机场盐胀破坏原因分析

硫酸盐渍土地基的盐胀一般可分为两类，即结晶盐胀与非结晶盐胀。结晶盐胀是指硫酸盐渍土因温度降低或失去水分后，溶于土中孔隙中的盐浓缩并析出结晶而产生的体积膨胀，或者是失水后，土体存在无水硫酸钠，当含水量逐渐增大时，无水硫酸钠吸水结晶引起土体膨胀。非结晶膨胀是指由于盐渍土中存在大量的吸附性阳离子，具有较强的亲水性，遇水后很快地与胶粒相互作用，在胶粒颗粒和粘土颗粒周围形成稳固的结合水薄膜，导致土体膨胀。

表2 土质区不同含盐量的膨胀试验数据表 %

表3 道面区不同含盐量的膨胀试验数据表 %

4.1 压实度对机场破坏的影响

对试验数据进行分析，可以得到膨胀率与压实度的关系。从图1,图2都可以看到，压实度大，盐胀率也大。这主要是由于压实度越大，土体颗粒间越紧密，孔隙率越小，从而盐胀越明显。机场工程压实度高，机场面积大，土基压实时难以保证各处压实度完全一致，水分渗入时容易不均匀膨胀，降低道面平整度，加速机场破坏。

4.2 含盐量对机场破坏的影响

根据试验数据，可以得到膨胀率与含盐量的关系曲线。图3,图4表明，随着含盐量增大，盐胀率明显增大。含盐量是盐胀的主要影响因素，含盐量越大，吸水结晶的硫酸钠越多，盐胀越明显。机场面积大，覆盖的区域广。机场选址难以保证飞行区地层含盐量均一，而机场地基处理时又不能使地基各处含盐量均匀分布，因此地基中硫酸盐含量是不均匀的。在雨季或者地下水上升时，会发生不均匀膨胀，导致机场破坏。

4.3 水分对机场破坏的影响

试验后测定含水量可以发现，含水量都有不同程度的增大，膨胀大的土样含水量也大。实测资料[3]也表明，膨胀变形主要发生在地温明显回升，日夜温差变化最大的冬末春初和降水量较集中的七、八月间，正是上述两个季节的降雨为硫酸钠的结晶创造了外界条件。多雨季节，雨水可通过道面裂缝和接缝处，进入道面基层和土基，无水硫酸钠结晶，导致盐胀现象发生，且各处渗入的水分不尽相同，造成道面不均匀膨胀。而后随着水分的蒸发，膨胀也会慢慢缓解趋于稳定，每年周而复始地重复上述过程，土基不断地膨胀与收缩，土体结构被破坏，承载力降低，造成道面开裂破坏。

4.4 荷载对机场破坏的影响

试验发现，道面区的膨胀比土质区要小得多，道面结构层自重荷载对盐渍土地基的膨胀有明显的抑制作用，但25 kPa作用下盐胀仍然较大，足够对道面造成破坏。机场道面在飞机静荷载、飞机动荷载、风雪荷载以及人、车等活载的作用下，地基各处膨胀会因荷载大小以及荷载作用时间不同而有很大差异。一般来说，跑道两侧鼓起，整体上道面产生鼓胀。跑道轮迹范围内的道面膨胀很少，甚至发生沉陷；轮迹范围外道面鼓起，膨胀逐渐增大，道肩的膨胀大于道面，土质区大于道肩。当道面整体发生鼓起时，飞机起落滑行重量抑制了轮迹范围内道面的鼓起变形，使这部分道面不能产生与外侧道面同样量级的变形，因而在轮迹分界处产生了拉应力，容易导致轮迹分界处道面沿跑道纵向开裂[3]。另外，因水分、压实度、含盐量不均匀导致的道面板错台、断裂、平整度显著降低、鼓包、隆起等危害，在飞机、人、车等活载以及环境因素的反复作用下，道面的破坏迅速加剧。

5 结语

压实度、含盐量不均匀是硫酸盐渍土机场破坏的内因，而水分的渗入以及荷载的反复作用是其破坏的外部因素。试验表明，压实度、含盐量越大时膨胀量亦越大，地基处理时应控制好含盐量；在满足承载力要求的条件下压实度可以适当降低；应控制好施工质量，保证各处压实度、含盐量尽量均匀；雨水下渗对地基膨胀的影响很大，应重视排水设计；道面区的膨胀比土质区要小得多，结构层自重荷载对膨胀有较好抑制作用，但25 kPa还不足以抑制膨胀；飞机、人、车等活载反复作用会加剧道面破坏。

[1] 张长福,王晓阳.加强盐渍土路面的养护及防治病害的措施[J].青海交通科技，2000(1):34-35.

[2] 王智明.青海省西宁地区盐渍土的特征及其对建筑物的危害[J].军工勘查,1996(1):29-32.

[3] 杨茂华.敦煌机场道面病害分析[J].青海交通科技,2006(5):32.

[4] 张平川,董兆祥.敦煌民用机场地基的破坏机制与治理对策[J].水文地质工程地质,2003(3):78-80.

[5] JTG E40—2007,公路土工试验规程[S].

[6] 华尊孟,沈秋武.西北内陆盆地粗颗粒盐渍土研究[J].工程勘察,2001(1)：27-28.

The experiment of sulphate saline soil airport salt heaving ruin

Liu Xiaochuan1Wu Aihong2Liu Junhong2Zhou Qi3

(1.ChinaAirportConstructionNinthEngineeringCorps,Chengdu611430,China;2.AirforceEngineeringDesignDepartmentofSouthernWarZone,Guangzhou510000,China;3.AirforceEngineeringDesignDepartmentofEasternWarZone,Nanjing210000,China)

Through indoors experiments, salt heaving of sulphate saline soil in terrene area and pavement district of airport is simulated under the condition of water soakage, considering different compaction degree and saltness. The effect to sulphate saline soil airport ruin produced by compaction and saltness degree, water and load were analyzed. The result is that, higher degree of compaction and saltness bring bigger salt heaving,different degree of compaction and saltness are the inside reasons of airport ruin, water and load are out reasons, water is especially important factor, salt heaving in pavement district is much more small than terrene area, deadweight of structural layer can restrain the salt heaving well, but 25 kPa is not enough to reduce it to zero.

airport, foundation, sulphate saline soil, swell increment

1009-6825(2017)11-0075-03

2017-02-07

刘小川(1982- ),男,工程师

TU448

A