冻融循环条件下亚氯盐渍土盐冻胀试验研究

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(新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

1 研究背景

盐渍土是指易溶盐含量超过0.3%的土[1]。在岩土工程中，通常将盐渍土归纳入特殊地基的一种，主要是由于盐渍土的三相组成比一般土要复杂，液相中含有易溶盐溶液，固相中含有结晶盐颗粒，尤其是易溶性的结晶盐[2]。目前，一些学者对盐渍土的盐胀理论研究已经取得了初步的成果。李宁远等[3]通过试验与理论分析对硫酸盐渍土的膨胀原因和膨胀过程作了剖析,并对用氯盐渍土来消减硫酸盐渍土膨胀的途径进行了初步研究；高江平等[4]认为硫酸盐渍土盐胀率随含水率、氯化钠含量、硫酸钠含量、初始干重度和上覆压力这5个主要因素的变化而变化，并初步得到了盐胀率与各影响因素之间均呈二次抛物线的规律；彭铁华等[5]研究了降温速率对硫酸盐渍土盐胀特性的影响，分析认为随着降温速率的减小，盐胀率呈幂指函数增长；王俊臣等[6]建立了盐渍土盐-冻胀预报模型；万旭升等[7]分析了初始的溶液浓度和外界环境温度对硫酸盐渍土的盐冻胀特性。

针对新疆地区的天然盐渍土，包卫星等[8]研究了不同含盐量水平下砂类盐渍土的盐胀变化特点；张莎莎等[9]研究了天然粗颗粒氯化物硫酸盐渍土在多次冻融循环时具有明显的体缩现象，上覆压力对粗颗粒盐渍土盐胀起到明显的抑制作用；那姝姝等[10]研究了罗布泊氯盐渍土的溶陷特性；慈军等[11-12]分析了新疆罗布泊地区盐渍土特征的基本情况，并分别研究了冻融循环次数、干密度、含水率等因素对盐渍土盐冻胀的特性影响。不同区域不同类别的盐渍土工程性质差异很大，随着国家“一带一路”战略的实施，新疆作为核心区，各种基础建设日益增多，而新疆的盐渍土分布广泛，所以在新疆盐渍土地区建设在所难免。以往对盐渍土的盐胀研究多集中在硫酸盐渍土，对氯盐渍土多考虑的危害是溶陷破坏，而慈军等[11-12]研究发现氯盐渍土的盐胀危害也不容忽视。

本文通过冻融循环装置对新疆罗布泊地区天然亚氯盐渍土的盐胀特性进行研究，研究成果对分析含硫酸盐亚氯盐渍土的盐胀机理和治理盐胀病害具有重要意义。

2 试验方案及试样基本性质

2.1 试验方案

采用新疆典型地区罗布泊天然盐渍土作为本次试验土样。本试验采用室内模拟试验，模拟自然界冬季温度降低和第2年春天温度升高的过程，观察试样在经历不同冻融循环次数后的变形量。为了有效模拟自然条件下的冻结和融化过程，有机玻璃筒的两端分别与恒温槽设备相连通，在试样的两端之间形成温度差，试样可在竖直方向上自由膨胀变形。为了模拟土样的边界条件与自然状况下一致，且不与外界发生热交换，在有机玻璃筒周围包裹一层保温材料。试样采用轻型击实标准，将试样按最优含水率配置并进行封闭闷料使含水均匀，将配置好的土样以压实度为93%的标准分6次击入高68 cm，内径30 cm的有机玻璃筒内,由上而下依次分为第1层，第2层,…,第5层，第6层是底部制冷头的控制温度，不考虑该层温度变化。分层在预留的有机玻璃筒边壁孔洞预埋温度感应探头,监测土体内部的温度变化情况，顶端装上百分表记录变形量。试样的成型温度控制在20 ℃左右。试样共经历了7次冻融循环周期，每个周期历时48 h。降温时，上端面为冷端面，设置温度为-25 ℃，下端面设置为5 ℃;升温时，上端面设置为20 ℃，下端面还是设置为5 ℃不变。图1为试验装置示意图。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test apparatus

2.2 试样基本性质

试样的粒径组成见表1，粒径分布曲线见图2，可以看出土粒不均匀系数Cu为2.8，曲率系数Cc为1.43，该土粒级配不良，土粒组成较均匀。试样易溶盐离子含量见表2，基本物理性质见表3。

表1 试样粒径组成Table 1 Grain size distribution of test soil

图2 粒径分布曲线Fig.2 Curve of grain size distribution

离子含量/%离子含量/%CO32-0.0000Ca2+0.1625HCO3-0.0235Mg2+0.1620Cl-2.6312K++Na+1.7652SO42-1.1457合计5.8901

表3试样基本物理性质
Table3Basicphysicalpropertiesofthetestsoil

液限WL/%塑限WP/%塑性指数IP最优含水率W/%最大干密度ρd/(g·cm-3)土样类别24.315.98.412.31.7含砂低液限粉土

3 试验结果分析

3.1 亚氯盐渍土温度变化过程

罗布泊地区含砂低液限粉土中亚氯盐渍土冻融作用下各土层的温度历时曲线如图3。

图3 亚氯盐渍土冻融循环过程各土层温度变化与 时间关系曲线Fig.3 Time-history curves of temperature in different layers of sub-chlorine saline soil under freezing-thawing cycles

由图3可知，第1层土体温度的升降变化幅度较大且变化速度较快，而随着深度增大，不同层位的温度变化范围越来越小，符合自然界中土体温度变化的趋势。显然第1层土体的温度变化区间为-4.8～16.2 ℃，第2层土体的温度区间为1.6～13.9 ℃，第3层土体的温度变化区间为4.6～12.8 ℃，第4层土体的温度变化区间为6.9～12.1 ℃，第5层土体温度变化区间为7.7～10.7 ℃，各土层的平均升温速率和平均降温速率见表4。由表4可知，平均升降温速率逐渐降低，到第5层土层基本不变。

表4 各土层的平均升降温速率Table 4 Average rates of temperature rise andtemperature decline in each soil layer

由图3还可以得出，各土层的最低气温基本上发生在第4次冻结过程，但与其他6次冻结过程的温度相差不大，可初步认为是每次冻结过程温度基本相同，土体第1层的温度随着调节温度的升降而升降，但第2层到第5层土体实测温度相对滞后于调节温度，第2层滞后时间最短，第5层滞后时间最长。

3.2 冻融循环作用下亚氯盐渍土的盐胀特性及性状分析

罗布泊地区低液限粉土中亚氯盐渍土冻融作用下盐胀量过程曲线如图4(a)。亚氯盐渍土盐胀量历时曲线见图4(b)。

(a) 过程曲线

(b) 历时曲线图4 亚氯盐渍土盐胀量过程曲线和历时曲线Fig.4 Process lines and duration curve of salt expansion in sub-chlorine saline soil

由图4可知，低液限粉土亚氯盐渍土在冻融作用下，盐胀量随温度的降低而逐渐增加。由于土体是热的不良导体，盐胀在第1周期初始阶段，土体降温速率较慢，盐胀在0～3 h内表现不明显。当温度保持在-25 ℃，3 h后，盐胀量增加较大且增长速度较平缓，即3～24 h内每小时的平均增长量相差不大，且第1周期的盐胀总量不是很大，这主要是因为冻融作用可使土体的结构变得疏松，孔隙率变大，对盐胀有一定的吸收作用。第2周期到第4周期盐胀量在0～15 h增长较快，15～24 h内土体盐胀速度相对平缓一些，盐胀量增加相对小一些。第5周期到第7周期在0～12 h土体盐胀速度较快，后期逐渐趋于平缓。升温时，盐胀量开始回落，但盐胀量每个周期只回落一小部分，回落过程主要发生在升温初期0～8 h内,8 h之后回落过程基本稳定。随着冻融循环周期的增加，最大盐胀量也在不断叠加，盐胀过程具有较好的累加效应，最大盐胀量可达到7.61 mm。主要的盐胀量增长周期发生在前4周期，前4周期的盐胀量占7次盐胀量的80%左右。总体来说，盐胀量增长速率随着冻融循环周期的增加而逐步降低。其原因是在冻融循环作用过程中，温度场、毛细管水、盐分等作用使盐分重新分布，盐分结晶的位置将发生改变，晶体对土体颗粒产生移动、错位，使土体的体积为之膨胀。在温度升高的阶段，盐结晶体逐渐溶解，作用在土体颗粒的膨胀力随之降低，直至全部消失，使土体颗粒的空间排列位置发生明显改变，小颗粒回落至土颗粒骨架空隙中，较大颗粒组成新的骨架达到平衡状态，但并不会恢复到初始的骨架平衡状态。

图5为亚氯盐渍土盐胀平均速度和盐胀率与冻融循环周期的关系曲线。

(a)盐胀平均速度 (b)盐胀率图5 亚氯盐渍土盐胀平均速度和盐胀率与冻融循环次数关系曲线Fig.5 Curvesoftheaveragerateandtheratioofsaltexpansioninsub-chlorinesalinesoilvs.thenumberoffreezing-thawingcycle

由图5可知：在前5次冻融循环中盐胀平均速度随冻融循环次数增加而逐渐递增，而第6次和第7次冻融循环的盐冻胀平均速度开始减小；盐冻胀率随冻融循环次数的增加逐步增加，但增加的幅度随着冻融循环次数有所降低。经过一系列的试验可得出盐胀平均速度、盐胀率随着冻融循环次数变化的回归方程为:

Y=-0.000 7X3+0.006 1X2-0.007 4X+0.111 1，

R2=0.997 9 ；

(1)

Z=-0.002 5X3+0.016 1X2+0.151 4X+0.282 9，

R2=0.999 。

(2)

式中：Y为盐胀平均速度(mm/h)；Z为盐胀率(%)；X为冻融循环次数；R2为拟合系数。

3.3 含硫酸盐亚氯盐渍土的盐胀机理分析

Blaser等[13]指出：在降温过程中，硫酸钠会与水发生水合反应引起盐分的聚集，从而结晶生成芒硝，体积增大3.11倍，土体发生膨胀破坏。在自然界中由于环境温度较高，蒸发作用使土中的盐溶液不断向顶部聚集,当环境温度降低时，硫酸钠的溶解度降低，硫酸盐结晶析出发生膨胀。一般认为亚氯化钠盐渍土主要发生的是溶陷破坏，并不是盐胀破坏，主要原因是氯化钠在水中的溶解度随温度的改变基本上不发生变化，且氯化钠与水发生水合反应生成的是二水氯化钠，体积增大1.3倍。对于含有大量氯化钠的硫酸钠溶液，随着氯化钠浓度的不断增大，硫酸钠溶解度逐渐降低，这就是工程中掺适量的氯化钠来抑制硫酸钠的盐胀，达到“以盐治盐”的目的。

基于本文中亚氯盐渍土也产生了过大的盐胀可得出，温度的降低与升高是影响盐胀产生的主要原因，加入氯盐主要是削弱温度降低带来的影响，并且氯盐的含量要控制在一定的范围，不然盐胀作用也会比较明显，同时针对现行规范中氯盐和硫酸盐的划分作进一步研究时，可适当考虑含盐总量，以期更加准确判断硫酸盐渍土和氯盐渍土。

4 结 论

(1)罗布泊地区的亚氯盐渍土土层温度每一层呈抛物线变化趋势。随着深度增大，不同层位的温度变化范围越来越小。

(2)低液限粉土亚氯盐渍土在冻融作用下，盐胀量随温度的降低而逐渐增加。随着冻融循环周期的增加，最大盐胀量也在不断叠加，盐胀过程具有较好的累加效应，最大盐胀量可达到7.61 mm。在温度升高的阶段，盐胀量有所回落，但并不会恢复到初始的平衡状态。

(3)在前5次冻融循环中盐胀平均速度随冻融循环次数增加而逐渐递增，而第6次和第7次冻融循环的盐冻胀平均速度开始减小。而盐冻胀率随冻融循环次数的增加逐步增加，但增加的幅度随着冻融循环次数有所降低。

(4)温度的降低与升高是影响盐胀产生的主要原因，加入氯盐主要是削弱温度降低带来的影响，并且氯盐的含量要控制在一定的范围。

参考文献：

[1] GB 50021—2001，岩土工程勘察规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2001.

[2] 徐攸在. 盐渍土地基[M]．北京: 建筑工业出版社，1993.

[3] 李宁远，李 斌，吴家惠. 硫酸盐渍土的膨胀特性及微结构形态试验研究[J].公路，1989，(8):24-29.

[4] 高江平，吴家惠. 硫酸盐渍土盐胀特性的单因素影响规律研究[J].岩土工程学报，1997，19(1)：39-44.

[5] 彭铁华，李 斌. 硫酸盐渍土在不同降温速率下的盐胀规律[J]. 冰川冻土,1997,(3):252-257.

[6] 王俊臣,李劲松,王常明. 硫酸(亚硫酸)盐渍土单次盐胀和冻胀发育规律研究[J].吉林大学学报(地球科学版),2006,36(3):410-416.

[7] 万旭升,赖远明. 硫酸钠溶液和硫酸钠盐渍土的冻结温度及盐晶析出试验研究[J].岩土工程学报,2013,35(11):2090-2096.

[8] 包卫星,张莎莎. 路用砂类盐渍土盐胀及融陷特性试验研究[J].岩土工程学报，2016，38(4):734-739.

[9] 张莎莎,杨晓华,戴志仁. 天然粗颗粒盐渍土多次冻融循环盐胀试验[J].中国公路学报,2009,22(4):28-32.

[10] 那姝姝,张远芳,慈 军,等. 罗布泊强氯盐渍土溶陷性试验研究[J].新疆农业大学学报， 2012，35(2)：149-151.

[11] 慈 军,张远芳,刘 亮,等. 新疆哈密至罗布泊沿线盐渍土特征及其灾害探析[J]. 中国地质灾害与防治学报,2012,23(3):120-124.

[12] 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胀融沉规律研究[J].水利水电技术,2014,45(7):120-123.

[13] BLASER H D, SCHERER O J. Expansion of Soils Containing Sodium Sulfate Caused by Drop in Ambient Temperatures[C]∥Highway Research Board. International Conference on Expansive Soil. Washington DC, United States, January 16, 1969: 150-160.