粗颗粒盐渍土室内溶陷装置设计及试验研究

孙安元，吴亚平，蒲增钢，陈坤，张晓波

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2. 中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；3. 中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

目前，对于粗颗粒盐渍土没有明确的定义，一般认为粗粒质量大于总质量的 50%且含盐量在0.3%以上的土体称为粗颗粒盐渍土[1]。盐渍土的溶陷是指浸水土体在荷载的作用下产生的沉陷现象，主要由易溶盐结晶的浸水溶解及土体潜蚀变形引起[2−3]。在我国，粗颗粒盐渍土主要分布在基础设施建设密度不高的西部经济欠发达地区，因此其工程特性并未引起充分的重视[4−6]。随着我国一带一路战略的推进以及经济全球化的发展，将有越来越多的新修铁路、公路干线经过粗颗粒盐渍土地区，但目前对于盐渍土的研究主要集中在细颗粒方面，对粗颗粒盐渍土的工程力学特性的研究并没有形成相对成熟的理论。特别是在溶陷特性方面，粗颗粒盐渍土溶陷性的判定标准、发生机理、影响因素及病害防治等方面缺乏系统的研究及理论支持，这给粗颗粒盐渍土地区的工程建设带来极大不便[7−9]。对于路用粗颗粒盐渍土的研究国内起步较晚，自20世纪90年代以来，高树森等[10−12]先后对粗颗粒盐渍土的成土原因、评价标准、构造特性及工程病害等方面进行了分析研究。程东幸等[13]结合现场试验数据及工程病害案例对粗颗粒盐渍土溶陷特性的影响因素进行了分析，提出温度、易溶盐含量、渗透系数为粗颗粒盐渍土溶陷特性的主要影响因素。张莎莎等[14]通过室内路堤模型试验对粗颗粒盐渍土作为路基填料的可用性进行了研究，以盐胀、溶陷系数为主要参数，初步建立了的粗颗粒盐渍土作为路堤填料可用性的判定标准。近期，国内对于粗颗粒盐渍土溶陷性的研究主要集中在输电线路的建设方面，李耀杰等[15]通过对实际工程病害的调查分析并结合室内外试验，对粗颗粒盐渍土的溶陷特征进行了研究，分析了重塑土样与自然状态下粗颗粒盐渍土的溶陷差异，探讨了粗颗粒盐渍土溶陷病害的处理方法。目前，关于粗颗粒盐渍土溶陷特性的研究主要集中在现场试验及数值模拟，室内试验研究较为缺乏。现行的室内试验规范没有针对粗颗粒盐渍土溶陷系数测试方法的说明，其溶陷系数的获得大都通过现场浸水载荷试验，耗费大量人力物力，这给实际工程建设带来很大的不便。针对以上不足，本文参照现场浸水试验原理，创新性的提出了一种室内粗颗粒盐渍土陷系数的测试方法，并结合现场浸水试验数据对粗颗粒盐渍土的溶陷特性进行分析，同时验证了该试验方法的合理性。

1 试验装置设计

常规的固结仪溶陷系数测试适用于颗粒小于 2 mm的细粒土，粗颗粒盐渍土溶陷系数的测试不能采用以上方法。现有的室内测试装置大多为固结仪的简单放大，没有定量的分析颗粒容积比的要求，且承压板直径与测试桶径基本一致，未能考虑试验土体的分层溶陷及边界效应对溶陷性的影响，造成较大的试验误差。

本文针对以上问题，对现有的室内粗颗粒盐渍土溶陷系数测试装置进行了改进。测试桶采用5 mm厚无缝钢管制作，保证足够的侧向支撑强度；桶径25 cm，容土高度50 cm，最大测试土样粒径60 mm，经计算最大颗粒容积比为2.44×10−6小于常规固结仪最大颗粒容积比(2.47×10−5)，满足测试需要；承压板下设自制排水板直径10 cm，围绕排水板边缘3 cm处分层埋设沉降标，标顶架设SIWI-10数显式自采百分表采集溶陷数据，测试承压范围内的土样溶陷量，能较好的模拟自然状态下溶陷的边界条件；桶底开设出水孔，底部铺设5 cm厚的颗粒级配良好的砂作为过滤层，测试装置如图1所示。选取GDJS-150冷热交变试验箱内模拟不同的环境温度，采用1:20的自制杠杆式加载装置加载。

图1 测试装置Fig. 1 Measuring device

2 测试方法

溶陷系数的测定旨在确定浸水土体在自重及外加荷载作用下的沉陷量。控制测试粗颗粒盐渍土样的含水量，按要求的压实度分层填充至测试桶内，并分层埋设沉降标。参照《盐渍土地区建筑技术规范》(GB/T 50942—2014)的要求对试验土样自50 kPa分级加载至200 kPa，待土样沉降变形稳定(沉降量＜0.01 mm/h)后浸水溶滤，采用SIWI-10数显式自采百分表采集溶陷数据，并计算溶陷系数。

溶陷系数按下式计算：

式中：δrx为溶陷系数；Δs为承压板压力为P时，盐渍土层浸水前后沉降量之差，mm；h为承压板下盐渍土浸水深度，mm。

3 测试应用

3.1 试验土样选取

德伊高铁北起德黑兰南至伊斯法罕，沿线广布含盐母岩，造成线路沿线覆盖层大多含盐，经初步地质调查及取样分析，覆盖层多为粗颗粒盐渍土。为了在铁路设计阶段对沿线盐渍土地基做出溶陷性评价，选取代表性点位进行盐渍土溶陷系数测试。试验分别选取伊朗德伊高铁—德库段 DK76+987点位、DK77+300点位、DK102+516点位取得的粗颗粒盐渍土，进行室内溶陷系数测试试验。试验用土颗粒筛分结果如表1所示，粒径分配曲线见图 2，由前期试验测得试验土样含盐量及天然含水率并按照《土工试验规程》SL237—1999的要求对其分类，如表2所示。

表1 试验用土颗粒筛分结果Table 1 Results of the screening of granular soil for testing

3.2 试验方案

1) 将测试土样按天然含水率配制，分层填充至测试桶内，参照《铁路路基设计规范》TB10001—2005，试验土样压实度取 K=0.92分层压实后室内养生24 h。

2) 为更真实的模拟土样的赋存环境，将装填好的测试桶放入GDJS-150冷热交变试验箱内，按伊朗库姆地区夏季平均气温 24 ℃设置环境温度保持48 h，通过嵌入式数显温度计测试土温，使土体整体温度达到试验所需温度。

3) 自50 kPa开始分级加载至200 kPa，待土体沉降变形稳定后(沉降量＜0.01 mm/h)浸水，采用SIWI-10数显式自采百分表采集沉陷数据，并由公式(1)计算溶陷系数。具体加载步骤见表3。

图2 粒径分配曲线Fig. 2 Particle size distribution curve

表2 试验土样参数及分类Table 2 Parameters and classification of soil samples

表3 室内试验步骤Table 3 Test procedure of indoor expeiment

4 测试结果分析

4.1 现场浸水试验

现场浸水试验，试坑直径2.5 m，深0.4 m，加载板直径0.8 m。自20 kPa开始分8级加载至200 kPa，待沉降量稳定后(沉降量＜0.01 mm/h)浸水，模拟自然界降水及长期浸水工况。具体试验步骤见表4。

4.2 室内外溶陷系数测试结果分析

按《土工试验规程》SL237—1999的分类标准，DK76+987点位为卵砾石粗颗粒土，易溶盐及中溶盐含量相对较低，其室内外加载、浸水沉降S-T曲线如图3所示。

表4 现场浸水试验步骤Table 4 Site flooding test steps

由室内分级加载S-T曲线可以看出，在每级荷载作用下，土体沉降通常在短时间内可以达到稳定，且随着压力的增加，沉降量呈增大趋势，最终室内加载沉降量 0.1 mm，现场加载沉降量为 1.01 mm。待沉降值稳定后，进行24 h浸水加载，溶陷随时间增长缓慢发生，累计溶陷量很小，在24 h浸水状态下室内外累计溶陷量分别为 0.113 mm和1.24 mm。可见，对于卵砾石粗粒盐渍土，在浸水潜蚀存在的前提下，粗骨架对沉陷有较强的抑制作用，也说明土体内部起骨架作用的结晶盐流失进而产生的溶陷量较小。因沉降在 24 h内达到稳定标准，则24 h的溶陷量可视为长期浸水的溶陷量。最终，由式(1)可得该点位土体室内溶陷系数为2.26×10−4，由现场浸水试验测得的溶陷系数为 2.31×10−4。依据《盐渍土地区建筑技术规范》(GB/T 50942—2014)的判定标准，此点位粗颗粒盐渍土可认定为无溶陷特性。

图3 DK76+987点位室内外加载、浸水沉降S-T曲线Fig. 3 S-T curves of indoor and outdoor loading and immersion settlement of DK76+987

图4 DK102+516点位室内外加载、浸水沉降S-T曲线Fig. 4 S-T curves of indoor and outdoor loading and immersion settlement of DK102+516

DK102+516点位试验土体的骨架颗粒相对较细，为沙土类粗颗粒盐渍土，易溶盐含量相对较高，按《盐渍土地区建筑技术规范》(GB/T 50942—2014)的判定标准，该点位试验土体属于中硫酸盐盐渍土。其室内外加载、浸水沉降S-T曲线如图4所示。

在加载阶段的前期，土体沉降的台阶效应明显，随着加载量的继续增加土层沉降量缓慢增加，加载稳定时长也有增加趋势，最终室内加载试验及现场加载试验的稳定沉降值分别为0.50 mm和6.22 mm。因为该处地层为沙土类粗颗粒盐渍土，易溶盐含量较高，粗颗粒骨架含量相对较少，浸水过程中土体内盐分流失，结晶盐骨架作用消失，溶陷伴随渗流效应缓慢发生，沉降S-T曲线一直处于连续变化状态。在浸水状态下，随着自由水入渗深度的增大，溶陷短期加速，最终变形稳定后室内外累计溶陷量分别为4.83 mm和48.26 mm，由式(1)计算其渗透系数分别为0.009 6和0.01，依据《盐渍土地区建筑技术规范》(GB/T 50942—2014)的判定标准，此点位土样具有轻微溶陷特性。可见，粗颗粒盐渍土的溶陷特性在受颗粒骨架影响的同时与易溶盐的含量密切相关。

DK77+300点位为石膏富集卵砾石粗粒盐渍土，按《盐渍土地区建筑技术规范》(GB/T 50942—2014)的判定标准，该点位可划分为高中溶盐盐渍土。其室内外加载、浸水沉降S-T曲线如图5所示。

图5 DK77+300点位室内外加载、浸水沉降S-T曲线Fig. 5 S-T curves of indoor and outdoor loading and immersion settlement of DK77+300

该点位土体中富含大量石膏结晶，由于石膏的胶结作用使得土体中的粗细颗粒连接较为紧密，土体整体性较好，强度较其他点位高。在加载的初级阶段土体沉降变形较小，至加载量达50 kPa后才开始出现较为明显的沉降，加载稳定时长呈增加趋势，最终稳定沉降量室内为0.23 mm、现场为15.23 mm。由图 5可见，在室内浸水试验的初期出现大幅度的溶陷变形，这是因为经重塑过程，土体中原有的由石膏与土颗粒胶结形成的骨架颗粒在一定程度上被破坏，浸水后石膏胶结颗粒迅速崩塌，同时在外加荷载作用下出现塌陷变形。需要注意的是，由于该试验点位土体特殊的骨架颗粒构造及含盐特点，现场试验所测得的浸水溶陷影响深度较其他点位有较为明显的增加，虽然现场浸水阶段没有发生崩塌式溶陷变形，但最终的稳定沉降量及溶陷量均有大幅度提高。由室内外试验测得该点位的溶陷系数分别为0.001和0.001 3，较级配及易容盐含量相似的DK76+987点位土体的溶陷系数有近5倍的提高。可见在粒径组成及易溶盐含量相似的情况下，中溶盐含量的提高会明显加剧粗颗粒盐渍土的溶陷特性。

需要注意的是，室内溶陷试验采用的是扰动后的重塑土样，在一定程度上改变了土体的骨架颗粒构造及盐的分布状态，这将给室内外溶陷系数测定的结果带来差异。试验按照《铁路路基设计规范》TB 10001—2005的要求，重塑土体的装填压实度取K=0.92，这与现场土体的实际赋存状态存在差异，最终使室内测试结果偏小于现场试验结果。对于DK77+300点位的石膏富集卵砾石粗粒盐渍土，重塑土样的制备过程对其由石膏胶结作用形成的骨架颗粒破坏较为严重，使其整体密实度增加，导致室内溶陷系数测试结果较现场试验所得偏小 9%，其余两组土体的室内外测试偏差在4%以内。

5 结论

1) 针对现有测试方法的不足，从颗粒容积比、溶陷边界条件等方面设计了一种室内粗颗粒盐渍土溶陷系数的测试方法，通过与现场浸水载荷试验的对比分析，验证了该试验方法的可行性，为粗颗粒盐渍土地区工程的建设施工提供服务。

2) 通过室内试验发现，粗颗粒盐渍土的溶陷特性不仅与易溶盐的有关，中溶盐(石膏)的含量也是关键的影响因素。中溶盐对粗颗粒盐渍土颗粒间的胶结作用会增强土体的整体性及承载能力，但在浸水状态下随着盐结晶颗粒的不断溶解，胶结的骨架结构在荷载作用下会出现分解崩塌现象，导致高中溶盐粗颗粒盐渍土的溶陷系数明显高于同粒组低中溶盐粗颗粒盐渍土。

3) 盐结晶颗粒的浸水溶解及土体的潜蚀效应是造成盐渍土溶陷的主要原因，但对于粗颗粒盐渍土，其粗骨架颗粒在一定程度上会抑制溶陷现象的发生，在含盐量近似的情况下，骨架颗粒越粗溶陷现象越不明显。

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