水泥改良碳酸盐渍土溶陷性试验研究

王 涛，唐瑞兆，李慎刚，赵旭东，李永明

(1.中铁七局第三工程有限公司 西安市 710000； 2.东北大学 资源与土木工程学院 沈阳市 110004)

0 引言

盐渍土是盐土和碱土以及各种盐化、碱化土壤的总称，具体是指易溶盐含量大于或等于0.3%且小于20%，并具有溶陷或盐胀等工程性质的土[1]。天然状态下的盐渍土，在土的自重压力或附加压力作用下受水浸湿时产生的变形称作盐渍土的溶陷。盐渍土的沉降主要由地基受荷载作用产生的压密和结晶盐溶解所产生的附加溶陷两部分组成。

盐渍土作为环境敏感性岩土，国内外专家学者都对其各种性质进行了大量研究。前苏联从上世纪40年代起就开始对盐渍土的形成条件和分布规律进行了研究，重点研究了硫酸盐渍土的工程性质和施工方法，并在盐渍土的溶陷性和盐胀性方面上取得了显著的成效[2]；Al-Amoudi应用改进的固结仪与ASTM标准对盐渍土试样的溶陷性进行了测试，指出干旱、盐碱地区的土壤具有高溶陷性的原因是土中强氯化物成分的溶解、带电离子之间的相互作用和土颗粒的变位[3]；改良土的最早应用是为了利用当地土料为主要原料，采用土、石灰、粉煤灰和水泥等无机结合料的混合物，作为廉价筑路材料。

在盐渍土地基溶陷性方面，国内许多单位和个人依托工程实际进行了不少研究工作；在青海、新疆许多地方都对盐渍土的溶陷性做过不少现场浸水荷载试验，对这些地区盐渍土地基的溶陷规律和溶陷性做出了科学的评价，程东幸选择河西走廊西段典型粗颗粒盐渍土进行了室内浸水溶陷试验，指出影响粗粒盐渍土溶陷性的因素是多重的，其中不仅包括含盐量和含水量，还包括粗颗粒含量、土体密实度以及渗透系数等[4]。

截止到目前，国内外有关盐渍土基本性质及其成因及影响因素的研究已经逐渐完善，接下来逐渐开始对盐渍土进行改良性研究，提升其工程性质。从碳酸盐渍土入手，利用水泥搅拌掺入改良的形式，探讨水泥对碳酸盐渍土溶陷性的改良效果。

1 吉林通榆地区盐渍土基本性质

以大庆至广州高速公路双辽至嫩江联络线—双辽至洮南段高速公路为背景，该地区盐渍土分布较广泛，大多为碳酸盐渍土。该地区环境复杂，夏季多雨，冬季寒冷，夏季降雨和寒区冻融造成的含水量变化会使盐渍土产生较大的溶陷沉降，对路基结构稳定性产生较大的影响。

试验用土取自吉林省通榆县，取土深度为地表下70cm，其天然含水率为12.36%，天然密度为1.625g/cm3，液限为23%，塑限为16%，塑性指数为7%，为含砂低液限粘土，最优含水率为12.80%，对应的最大干密度为2.06g/cm3，PH值为10.39～10.63，呈弱碱性。粒径组成及易溶盐含量见表1和表2。

2 溶陷变形试验

2.1 试样制备

将土样在风干或低温(小于60℃)烘干后，在研钵内碾碎，并过2mm筛，将筛下土搅拌均匀。按照12.8%的最佳含水率计算加入水的质量，利用喷壶喷洒加入蒸馏水，搅拌均匀，在密闭环境下闷料24h。选用标号为42.5的普通硅酸盐水泥，分别按照3%、5%、7%的掺量掺入之前制备好的盐渍土中，搅拌均匀。按照压实度不低于95%计算试样密度，从而根据设备体积计算所需试样质量。试样名称和对应水泥掺量见表3。

表1 土样粒径分析结果

表2 土样易溶盐含量分析结果

表3 溶陷试验试样

2.2 试验步骤

按照《盐渍土地区建筑技术规范》，采用单线法进行盐渍土室内溶陷试验。将试样按常规步骤装到固结仪上，预加1.0kPa载荷使试样和仪器各部分紧密接触，百分表调至零，去掉预压荷载。加载时，0～200kPa按照每25～50kPa为一级载荷，大于200kPa后每50～100kPa为一级载荷，逐级加载，每级载荷试压时隔10～30min读取百分表读数，至该级载荷变形稳定为止，变形标准为每小时变形量不大于0.01mm。当加荷到200kPa且变形稳定后，加淡水使试样浸水溶滤，读取浸水后试样变形量至稳定为止；逐级加载到终极压力，读取各级变形量至稳定为止。

测得试验数据后，按照规范绘制溶陷试验曲线图，并按下式计算试样溶陷系数：

(1)

式中：h0—盐渍土不扰动土样的原始高度；

Δhp—压力P作用下浸水变形稳定前后土样高度差；

hp—压力P作用下变形稳定后土样高度。

2.3 试验结果分析

盐渍土溶陷系数是指竖向压力p=200kPa下的溶陷变形，是作为评价盐渍土溶陷性的指标，溶陷系数越大，说明盐渍土溶陷量越大，工程性质越差。溶陷试验测得数据见表4。

表4 溶陷试验沉降量数据

图1 试样沉陷量趋势图

如图1所示，根据试验结果分析，掺加水泥的盐渍土试样溶陷系数大幅减小，试样A2、A3、A4溶陷系数较A1分别减小了58.23%、76.58%、82.91%，可见水泥的掺入对盐渍土溶陷性有较为明显的改善；但是随着水泥含量的提升，盐渍土溶陷系数减小幅度逐渐减小，试样A2、A3、A4分别相较于试样A1、A2、A3的溶陷系数减小了58.23%、43.94%、27.03%，说明水泥改良盐渍土溶陷性的能力不是无限增加的，存在改良最高点，达到该点之后，继续添加水泥掺量也不会对盐渍土溶陷性有更好的改善能力。

对溶陷系数曲线按照反比例函数进行拟合分析，拟合方程如下：

图2 试样溶陷系数趋势图

Y=0.21X-1.08

方差为0.9969，前期水泥掺量少时拟合程度较低，随着水泥掺量的提高，拟合程度逐渐升高，说明水泥掺量和盐渍土样的溶陷系数呈现一种大致上的反比例关系，一方面随着水泥掺量的增加，溶陷系数逐渐减小；一方面水泥掺量与溶陷系数是非线性关系，溶陷系数减小幅度逐渐减小。对于实际工程中，可以根据求得的拟合方程大致推断出改良盐渍土目标溶陷系数所需水泥掺量，对于施工及试验研究有指导意义。

3 结论

(1)该地区盐渍土具有较强的溶陷性，试验过程中，注水后短时间内沉降量增加较快，性质较差，不适合直接做公路路基使用；

(2)根据拟合方程Y=0.21X-1.08，可推断出改良盐渍土目标溶陷系数所需水泥掺量范围；

(3)掺入水泥能有效改良盐渍土的溶陷性，较大幅地降低盐渍土的溶陷系数，但是水泥改良盐渍土溶陷性的能力不是无限增加的，存在改良最高点，达到该点之后，继续增加水泥掺量也不会对盐渍土溶陷性有更好的改善。