大尺寸设备冻融循环次数对天然盐渍土抗剪强度参数的影响

刘长江，张 震，张灵通，张远芳，陈益滨

(新疆大学 科学技术学院阿克苏校区， 新疆 阿克苏 843000)

工程中，盐渍土通常是指易溶盐含量超过0.3%的土壤总称[1-3]。新疆存在着不同盐渍化程度的区域，冬夏温差对盐渍土强度参数的影响类似于冻融循环过程[5]。王效宾等[6]进行了黏土冻融循环试验，得到冻融后黏土黏聚力、内摩擦角的变化规律。张国辉等[7]研究了碳酸盐渍土含盐量对其抗剪强度的影响，得到含盐量越大，碳酸盐渍土的黏聚力越小，而内摩擦角却表现为先减小后增大的规律。刘天宝[8]通过冻融循环作用下碳酸盐、硫酸盐及其含量变化对农安碳酸盐渍土抗剪强度影响研究，得到土样内聚力随着冻融循环次数的增加而减小，内摩擦角随冻融循环次数的增加而增大的规律。张飞等[9]选取粉土为试验对象，采用向原料土中添加无水硫酸钠的方式，设置含盐量不同的重塑试样，采用直接剪切试验考察其强度变化规律，试验结果显示，粉质硫酸盐渍土含盐量越多其黏聚力越大。

以往对盐渍土冻融循环的研究主要是在固结仪上进行、温度控制通过环境箱实现[10]。这种试验条件下模拟的盐渍土体冻融循环过程误差很大，不能及时显示冻融过程中土体温度变化过程、不能模拟现实情况下地下水的补给过程，导致其不能准确反映抗剪强度参数变化规律。因此，如何在贴近实际情况下模拟冻融循环对盐渍土体的抗剪强度参数的影响，还需进一步探讨。

1 试验方案

1.1 大尺寸冻融循环设备

该大尺寸冻融循环设备采用上、下制冷头控制温度，能够模拟自然环境下土体温度的一维传导；可在上部制冷头上施加轴压，以模拟任意深度下土体冻融循环状况；通过预埋在土体中的温度传感器，可实时监测土柱体上下层温度变化情况；高精度电子百分表能准确测定冻融过程中土体的盐冻胀及融陷量；补水装置采用原地卤水，能够真实模拟现场地下水的补给作用。

设备主要由恒温槽、制冷头、补水装置、高强度有机玻璃筒等部分组成，其结构示意图见图1。

1.2 土样选择

本试验土样取自新疆哈密至罗布泊235省道沿线，该区域是世界闻名的最大盐湖之一罗布泊。在省道沿线采集土样，试样室内易溶盐分析成果见表1。

图1 大尺寸冻融循环设备结构示意图

表1 试样易溶盐试验成果

针对两种盐渍土进行基本物理试验，数据见表2。

表2 两种典型天然盐渍土基本物理参数

1.3 试验方法

取上述532 km(1 m) 亚硫酸盐渍土和473 km(0.5 m) 亚氯盐渍土两种土样，按《土工试验规程》[11](SL 237—1999)用最优含水率制备试样，薄膜密封保存24 h，根据罗布泊环境条件，采用原地卤水补水。土样分层击实，预埋温度传感器，连接制冷头、恒温槽等设备，静置24 h备用。设定土样下端温度为5℃，上端温度以每小时10℃速度降温至-25℃后维持24 h，再以10℃/h速度升温至25℃后维持24 h。

在同等初始条件下，对两种土样进行冻融循环，循环周期53 h(含升降温5 h)。冻融循环后，用环刀分六层取出适量土样，按《土工试验规程》[11](SL 237—1999)对盐渍土样做直接剪切试验，根据试验数据分析冻融循环后盐渍土样的抗剪强度参数变化规律。

2 试验结果分析

经试验，两种土样冻融循环3、5、7次后，各层水盐含量见图2、图3。

由图2、图3可知，5次冻融后两土样各层水盐含量趋于平稳。水盐含量是影响天然盐渍土抗剪强度的关键因素，所以本次试验设定冻融循环次数为7次[12-13]较为合理。

对亚硫酸盐渍土，以试样高度为纵坐标，再分别以黏聚力和内摩擦角为横坐标绘制剖面图，见图4和图5。规定从上至下土层分别为1、2、3、4、5、6层。

由图2和图4知，亚硫酸盐渍土黏聚力随冻融循环次数的增加逐渐减小，且上部值小于下部。冻融循环过程中水盐上移，温度降低过程中盐分逐渐结晶析出、自由水冰化造成盐渍土体膨胀，温度升高过程中盐分晶体失去结晶水，导致体积缩小，这是亚硫酸盐渍土黏聚力随冻融循环次数增加有减小趋势的原因；顶层试样含水率大于下层试样，含水率增大使盐渍土颗粒表面水化膜变厚、盐分被增加的水分溶解，土体空隙增大、密度减小，颗粒间胶接作用减少，使得上部土体黏聚力比下部土体小；该试样最底层黏聚力较上部大是由于该盐渍土冻融循环中补水少，空隙间的水分在自重和孔隙水压力作用的影响下上移较少，温度变化不大，使盐分结晶、溶化的程度不及上部土体，部分水分的向上迁移导致盐渍土颗粒表面水化膜薄化，加之上部土体的长期自重施压，土颗粒间的胶结作用增强，是其黏聚力较大的原因。

由图5知，该盐渍土内摩擦角随土柱高度呈“3”型变化规律，最上层最小，第二层较大且有冻融循环次数越多内摩擦角越小的趋势。由表2、图2知：该土样黏粒含量较多，第一层土水、盐含量都较大，黏土颗粒与自由水作用后可分解成更细小的土颗粒，分解后的细小土颗粒阳离子扩散在自由水中，而阴离子仍吸附在黏土颗粒表面，溶解在水中的细小黏土颗粒把水中的某些与其自身结晶格架内相同或类似的离子有针对性的吸附在自己表面，这种同性离子间的排斥作用是内摩擦角有较小的主要原因；第二层土含水率少且含盐量较大，部分盐分析出结晶造成颗粒间的咬合作用增加，是内摩擦角较大的原因。

同样的，亚氯盐渍土冻融循环3、5、7次后，以试样高度为纵坐标，再分别以黏聚力和内摩擦角为横坐标绘制剖面图，见图6和图7。

图6呈现趋势为：黏聚力随土样高度呈“反S”型分布，第一、第四层土体黏聚力较小，第三层土体黏聚力较大，随冻融循环次数增加顶层土体黏聚力有增加趋势。温度降低时上层土体中的盐分析出致使土颗粒间发生错位，土体膨胀，温度升高时盐渍土内结晶体失水使得其体积减小，周而复始导致土体疏松[14]，使顶层土体黏聚力比以下两层小；由表2、图3知亚氯盐渍土黏粒含量少，冻融循环过程中较易形成水盐迁移通道，使其渗透性加大，升温过程中水分在自重作用下下移使得第四层含水率增大、水化膜增厚，造成其黏聚力较小，第三层土体含盐量持续积累和水分的持续下移致使其黏聚力增加；升温中小部分盐分被下移水分带走，大部分盐分滞留在上部土体，盐分结晶体变成了土骨架的组成部分，盐晶体与土颗粒胶结且水化膜薄化致使顶层土体黏聚力随冻融次数的增加而增大。

由图7知亚氯盐渍土内摩擦角变化规律为第三、第五层较大，第四层较小，内摩擦角随土柱高度呈“3”型变化规律，总体看，冻融循环次数越大内摩擦角越大。第三、五层水分的下移及含盐量的增加使盐分析出，在水力作用下颗粒间相互作用导致相对移动趋势和咬合作用增强[15-16]，导致第三层和第五层内摩擦角较大；第四层水分的增加快，盐分增加慢，是该层内摩擦角较小的原因；图3表明，各层水盐含量的持续增加的综合作用是亚氯盐渍土内摩擦角随冻融循环次数有增加趋势的主要原因。

3 结 论

应用大尺寸冻融循环设备对235省道沿线两种典型天然盐渍土进行冻融循环试验，以考察冻融循环次数对抗剪强度参数的影响。试验证明：亚硫酸盐渍土黏聚力随冻融循环次数增加而减小，且上部整体小于下部。亚硫酸盐渍土内摩擦角沿土柱高度大致呈“3”型分布规律，首层最小，第二层最大且冻融循环次数越多内摩擦角逐渐减小；亚氯盐渍土经过冻融循环，黏聚力随土样高度呈“反S”型分布，顶层和第四层土体黏聚力较小，第三层黏聚力较大，随冻融循环次数增加顶层土体黏聚力有增加趋势。亚氯盐渍土内摩擦角沿土样不同高度近似呈“3”型分布，第三层和第五层较大，第四层较小，随冻融循环次数增加内摩擦角有增大趋势。