基土盐-冻胀特性研究

(九江市河道湖泊管理局，江西 九江 332000)

科学研究及工程设计

基土盐-冻胀特性研究

朱武

(九江市河道湖泊管理局，江西 九江 332000)

为探究水利工程中河道基土盐-冻胀现象发生机理，在前人研究的成果基础上，着重分析干密度、Na2SO4比例、湿度与基土盐-冻胀变形的关系。为了达到实际应用效果，采用线性相关分析法，分别固定其中的两个条件设计试验样本，应用对比思想设计试验方案。依据试验结果，做出可视化的图像对比分析，依次得到干密度、Na2SO4比例、湿度与基土盐-冻胀变形变化曲线。力求借助三者与基土盐-冻胀的影响关系指导实践，降低、避免其冻胀现象发生。

基土盐-冻胀；干密度；Na2SO4比例；湿度

1 概 述

随着我国中西部大开发的加快，中西部水利工程逐渐增多。由于中西部地区气候条件恶劣与多盐渍地地质条件，对施工及后期维护造成很大影响。在水利工程中基土盐-冻胀问题一直是工程建设及后期工程使用中的难点，研究基土盐-冻胀的影响因素，分析其具体影响关系，可有效延长后期水利工程使用寿命，节约维护成本。

国内就基土盐-冻胀问题自上个世纪以来一直比较关注，并取得一些研究成果。杨宝军[1]等人借助数值分析的思想探究土干密度、硫酸钠含量与盐渍土盐冻胀关系，最后得到二次抛物线的函数关系。王俊臣[2]等人经过试验得到含水量、硫酸钠含量与盐胀、冻胀呈正相关关系，温度与其成负相关关系。余云燕[3]等人通过探究以矿物外掺料改变盐胀冻胀率，试验表明氯化钙可以缓解其盐胀冻胀现象，粉煤灰、石灰可以消除盐胀冻胀现象。杨保存[4,5]等人通过路基盐-冻胀试验，分析渗路基产生冻胀的原因：硫酸盐、外水渗入，并提出相应的预防措施。那姝姝、慈军[6,7,9]等人分别对天然硫酸盐渍土盐、天然强氯盐渍土盐冻胀现象进行试验，得到“冻融循环次数、含水率、干密度与其呈正相关关系”的结论。任秀玲[8]等人分析盐胀变化机理，探究其影响因素，并提出预防措施及未来发展方向。

本文在前人研究成果及试验设计思想的基础上，着重分析干密度、Na2SO4比例、湿度与基土盐-冻胀变形的关系。为了达到实际应用效果，取用实地某水库河道的基土盐试验材料进行处理，分别固定其中的两个条件、改变第三个条件来设计试验样本，以试验样本对比设计试验方案。依据试验数据结果，做出可视化的图像对比分析，依次得到干密度、Na2SO4比例、湿度与基土盐-冻胀变形变化曲线，定性分析三者对基土盐-冻胀的影响。

2 试验设计

为保证试验样本贴近实际，可用于实际工程中，选用江西某河道地下1.50m左右的基土盐，密闭保存带回实验室。对原始基土盐进行两次过筛处理，第1次用0.50cm筛过滤掉砂砾、杂质。将其平均分为4份，其中1份采用0.20cm筛再次过滤后，对其实施易溶盐试验，统计各离子及其含量(见表1)。

由表1可以算出基土盐中易溶盐占其总量比例约0.40%，主要盐分构成大致是Na2SO4、NaCl、CaCl、MgCl2、NaHCO3，其中Na2SO4占盐分总量比例约48%。造成基土盐冻胀变形的主要因素是Na2SO4，因此Na2SO4是本文重点研究对象。在进行研究试验前，对基土盐分别进行比重试验、颗粒分析试验、界限含水率试验、击实试验，以全面了解基土盐的圡熵及其它情况(见表2)。

表1 试样基土盐各离子构成及含量

表2 基土盐圡熵及其它情况

借鉴前人研究思路，主要探究干密度、Na2SO4比例、湿度与基土盐-冻胀关系，应用对比分析方法，在设计试验方案时，应固定两个变量，仅改变一个变量进行对比才具有可比性。共设置两组试验，第一组试验，固定基土盐的湿度，依次变化Na2SO4比例、干密度，共形成4个试验样本对比；第二组试验对基土盐的湿度、Na2SO4比例、干密度其中两个固定，其中一个因素变化，形成4个试验样本进行对比(见表3、表4)。

表3 第一试验组

表4 第二试验组

为避免盐分大量吸水结晶，要严格控制试样成型温度范围为28～32℃；为达到试验设计的Na2SO4比例，在对各指标标定后，人为向基土盐添加计算好的Na2SO4溶液、水，样本密封一昼夜后，对试验样本称重。试验温度条件设定为-2.5℃、-5℃、-10℃、 -15℃、-20℃、-25℃。

3 试验结果分析

3.1 干密度与基土盐-冻胀关系

进行第一组试验，在最优湿度、不同比例Na2SO4的条件下,探究干密度与基土盐冻胀的关系，对试验结果进行整理，绘制成图1～图4。经分析，图1～图4中相同Na2SO4比例下的各干密度基土盐-冻胀率变化曲线大体一致，并且均反映出干密度越小其冻胀率越大的规律，表明干密度与基土盐-冻胀呈现负相关关系。对比分析图1～图4，虽然基土盐-冻胀率变化曲线大体一致，但其斜率变化区间不同：在图1中Na2SO4比例0.4%时斜率在-2.5～-5℃范围内最大；在图2、图3中Na2SO4比例0.80%、1.60%时斜率在-2.50～-10℃范围内最大；在图4中Na2SO4比例3.2%时斜率在-5～-10℃范围内最大。

图1 Na2SO4比例0.4%时各干密度的基土盐-冻胀曲线

图2 Na2SO4比例0.8%时各干密度的基土盐-冻胀曲线

图3 Na2SO4比例1.6%时各干密度的基土盐-冻胀曲线

图4 Na2SO4比例3.2%时各干密度的基土盐-冻胀曲线

为了更加直观地表现干密度与基土盐-冻胀变化关系，以干密度为横轴、以基土盐-冻胀率为纵轴做出图5。

图5 干密度与基土盐-冻胀变化曲线

分析图5不难得到，在相同的Na2SO4比例下，基土盐-冻胀率随着干密度增大而减小，在干密度1.75g/cm3时，基土盐-冻胀率达到最低，即基土盐-冻胀率与干密度呈负相关关系。对比四种不同Na2SO4比例的基土盐-冻胀率变化曲线，可以得出结论：Na2SO4比例越大，其冻胀率越高。

3.2 Na2SO4比例与基土盐-冻胀关系

同样在第一组试验中，在最优湿度、干密度相同条件下，改变Na2SO4比例，探究其比例变化与基土盐冻胀的关系(见图6)。经分析，图6中不同干密度条件下的基土盐-冻胀率变化曲线大体一致，在相同干密度条件下，基土盐-冻胀率随着Na2SO4比例增大而增大，表明Na2SO4比例与基土盐-冻胀呈现正相关关系。在实际水利工程后期养护中，应增加基土盐中Na2SO4含量，控制其比例有利于防止基土盐-冻胀现象发生。

图6 Na2SO4比例与基土盐-冻胀变化曲线

3.3 湿度与基土盐-冻胀关系

进行第二组试验，在固定干密度、Na2SO4比例的条件，改变基土盐的湿度，探究其湿度变化与基土盐冻胀的关系(见图7、图8)。分析图7、图8，不难得到在4种不同试验条件下基土盐-冻胀率均随着湿度变大而增大，湿度与基土盐-冻胀呈正相关关系。但细致分析4条变化曲线的斜率变化，不难发现，在图7干密度为1.60g/cm3条件下，2条变化曲线在0.14～0.18区间内近似成直线，表现为线性关系；在图8干密度为1.75g/cm3条件下，2条变化曲线在0.10～0.16区间内近似成直线，表现为线性关系。图7、图8在Na2SO4比例0.40%、3.20%条件下，均表现为Na2SO4比例0.40%的基土盐-冻胀率小于Na2SO4比例3.20%的基土盐-冻胀率，同样印证了上述“Na2SO4比例与基土盐-冻胀率呈正相关关系”的结论。

图7 干密度1.60g/cm3时湿度与基土盐-冻胀变化曲线

图8 干密度1.75g/cm3时湿度与基土盐-冻胀变化曲线

4 结 论

本文着重分析干密度、Na2SO4比例、湿度与基土盐-冻胀变形的变化关系。为了达到实际应用效果，选用江西某地河道中的基土盐作为试验基础材料进行处理后，分别固定其中的两个影响因素、改变一个影响因素设计试验样本，以其对比设计试验方案。依据试验结果，做出可视化的图像对比分析，依次得到干密度、Na2SO4比例、湿度与基土盐-冻胀变形变化曲线，最终得到如下结论：ⓐ干密度与基土盐-冻胀呈现负相关关系；ⓑNa2SO4比例与基土盐-冻胀呈现正相关关系；ⓒ湿度与基土盐-冻胀呈正相关关系。

[1] 杨宝军, 张岩, 余勇. 硫酸(亚硫酸)盐渍土盐胀和冻胀变形试验研究[J]. 水利规划与设计, 2005(2): 76-84.

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[3] 余云燕, 赵德安, 彭典华, 等. 南疆铁路路基填料改良盐渍土的盐胀冻胀试验研究[J]. 兰州交通大学学报, 2009(1): 1-5.

[4] 杨保存, 邱林, 汪为巍, 等. 盐渍土路基盐-冻胀变形试验研究[J]. 公路, 2009(12): 63-69.

[5] 杨保存, 汪为巍, 杨柳. 南疆盐渍土路基盐-冻胀变形综合防治技术研究[J]. 干旱区地理, 2011(1): 133-142.

[6] 那姝姝. 天然强氯盐渍土盐-冻胀性试验研究[J]. 山西建筑, 2012(35): 77-78.

[7] 那姝姝. 天然硫酸盐渍土盐-冻胀性试验研究[J]. 山西建筑, 2015(31): 69-70.

[8] 任秀玲, 张文, 刘昕, 等. 西北地区盐渍土盐胀特性研究进展与思考[J]. 土壤通报, 2016(1): 246-252.

[9] 慈军, 张远芳, 那姝姝. 冻融循环条件下罗布泊天然盐渍土的盐冻胀规律研究[J]. 水资源与水工程学报, 2016(5): 194-197.

CharacteristicResearchofGeotinite-FrostHeaving

ZHU Wu

(JiujiangRiverandLakeAuthority,Jiujiang332000,China)

in order to explore in river geotinite-frost heaving mechanism in water conservancy projects, the relationship of dry density,Na2SO4proportion, humidity and geotinite-frost deformation is mainly analyzed on the basis of results in previous study. Linear correlation analysis method is adopted in order to achieve the practical application effect. Two condition design test samples thereof are fixed respectively, and comparative though design test plan is applied. Visual image contrast analysis is done according to experiment results, thereby obtaining the change curve of dry density,Na2SO4proportion, humidity and geotinite-frost deformation, and it is expected that practice can be guided by the influence relationship between the three properties and geotinite-frost expansion, thereby reducing and lowering the frost-heaving phenomena.

geotinite-frost heaving; dry density;Na2SO4proportion; humidity

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.08.009

S277

：A

：1673-8241(2017)08-0033-04