温度变化对高速公路盐渍土地基变形的影响分析

唐先习， 王文远*， 蒙富佳， 侯兆领

(1.兰州理工大学土木工程学院， 兰州 730050； 2.中交三公局第二工程有限公司， 北京 100102)

在公路工程建设过程中，地表以下1.0 m土层中平均可溶性盐分含量大于0.3%的土，一般称为盐渍土[1]。西北地区是中国盐渍土分布的主要区域，随着西部大开发的逐步推进，盐渍土对公路的建设运营造成了较大的影响。

目前，针对盐渍土地区的高速公路出现的盐(冻)胀、融陷等工程问题，大量学者对其进行了研究，其中对于路基部分：杨晓华等[2]依托工程项目，对盐渍土路基进行现场监测和室内试验，发现盐渍土试样在多次试验周期后，最终表现出沉陷变形。张明亮等[3]以察格高速公路的路基为研究对象，研究发现水盐迁移作用使路基性能的降低。张运海等[4]对罗布泊地区的盐渍土进行盐-冻胀试验，发现土中氯离子和水分的迁移有共性。张莎莎等[5]通过单因素盐胀试验，基于正交试验结果建立了盐胀率简化预测模型，得到了盐胀敏感参数，为粗粒盐渍土地区的路基工程的建设提供了技术理论参考。另外还有大量学者[6-10]为了改善盐渍土作为路基所带来的工程危害，在盐渍土中加入一定比例的水泥、石灰、粉煤灰等能够改变盐渍土物理和力学性能的材料。徐爽等[11]为研究盐渍土地基冻融过程中的水盐迁移规律，对盐渍土进行了单向冻结、双向融化试验。杨鹏等[12]对96组盐渍土试样进行研究，总结出对工程适用的粗颗粒硫酸盐渍土地基盐-冻胀界限深度表达式，为盐渍土地基的设计以及量化评价提供参考依据。Geng等[13]利用地下水流模型研究地基中的水流迁移和盐运移。可见，大量的研究基于盐渍土路基，只有少数学者对盐渍土地基特性进行研究。

现依托柳敦高速公路，对盐渍土地基进行长期的温度、水分监测，为室内试验的方案设计提供了依据。对现场取回的地基土样开展室内冻融循环试验，研究了土样的温度变化、水分迁移和变形特征，希望为柳敦高速公路及类似工程出现的病害等问题提供一定的技术参考和借鉴。

1 现场监测

1.1 工程概况

G215线柳园至敦煌公路为盐渍土地区的高速公路。由于气候干燥，降雨量较少且日照时间长，使得地下水在毛细作用下在土体表层累积较多的盐分，进一步使土层盐渍化加重。该线是在旧公路的基础上新建的公路工程，为防止盐渍土冻胀对公路稳定性的影响，新建公路对路基高度进行提升、材料换填，同时在填方路段设置了复合土工布隔断层，挖方路段用非盐砂砾回填，充分保障路床一定范围内处于干燥的状态，阻断毛细水的上升，减少盐分、水分对路基稳定性的影响。

1.2 试验路段及监测方案

为了研究盐渍土公路地基土中温、湿度的变化规律，并为室内土样冻融循环试验提供设计依据，结合研究区域实际情况，在柳敦高速公路选取K88+558～K88+758为试验段，对地基温度进行为期一年的监测。

现场采用多层土壤参数监测仪、RS-QXZ-M监控主机以及监控云平台完成地基土的温度测定。多层土壤参数监测仪能够动态观测不同土层的土壤温度状态，传感器的布置从地基顶面10 cm处开始埋入，分别距离顶面5、25、45、85、125 cm，共分5层，在整个研究路段取3个断面，每个断面布置3处，具体分布如图1所示，仪器埋设如图2所示。

图1 监测仪分布示意图Fig.1 Schematic diagram of monitor distribution

图2 监测仪及主机埋设Fig.2 Monitoring instrument and host embedding

1.3 监测结果分析

根据地基中各个测点的监测结果，取某一测点数据并以其他位置监测仪的测试数据作为对照，绘制地基土在一年中湿度和温度随时间变化的曲线如图3和图4所示。

从图3中可以看出，该监测区域在25～85 cm深度范围内的土体含水率较高，且不同土层之间有明显的水分迁移现象，冬季各土层含水率较夏季有明显的降低。从图4可以看出，在一年的监测时间内，随着地基深度增加，外界环境温度对地温的影响效果减弱，传感器探头埋置越深，温度变化幅度越小，地层中的温度在全年中变化平缓。其中，0～45 cm土层温度变化幅度较为显著，最低温度为-6.8 ℃左右，最高温度为28.88 ℃左右；10月初各层地温较一致，温度均值大约为22.06 ℃，自此之后温度梯度发生改变；12月开始地基温度进入负温，距离地基表面85 cm以内负温持续时间较长，3月中旬之后温度逐渐回升至正温。

图3 地基湿度随时间变化曲线Fig.3 Variation curve of foundation humidity with time

图4 地基温度随时间变化曲线Fig.4 Variation curve of foundation temperature change with time

可见，在全年的监测过程中，该高速公路地基中的温度、湿度有明显的季节性变化，因此使盐渍土地基产生冻胀和融沉，严重影响路面的平顺性。

2 室内试验

2.1 试验材料基本特性

室内冻融循环试验采用现场地基土料进行试样制作，首先对取自试验段的地基土(在地基表面1.2 m范围内自上而下取3份土，记为A、B、C)开展颗粒分析试验、标准击实试验以及易溶盐测定试验，分别确定地基土的土样类别、最佳含水率、最大干密度及盐渍化程度，颗粒分析结果如表1所示，所测土样易溶盐含量如表2所示。颗粒分析结果可知，该土样粒径主要集中在0.01～1 mm，约占总量的88.81%，砂类含量最多，且多为细粒砂。本次击实试验得到各深度土样的最大干密度平均值约1.69 g/cm3，对应的最佳含水率为23.32%。

表1 土样颗粒分析结果Table 1 Particle analysis results of soil samples

表2 盐渍土试样的易溶盐含量Table 2 The content of soluble salt in saline soil samples

由上述可知，地基土为级配不良且含盐细粒土质砂，同时根据盐渍化程度和含盐性质划分，该地基土属于氯盐渍土。

2.2 试验方案

根据当地环境温度和地基温度监测结果，本试验为不补水冻融试验。研究温度变化过程中不同试样在冻融循环过程中的变形规律，故设置冻融循环次数为5次，可满足分析需要。试样冻胀和融沉时间为24 h，降温过程从21～-21 ℃，升温过程从-21～21 ℃，温度变化速率为3 ℃/h，以此来模拟自然环境条件。分布进行了不同含盐量、压实度、含水率试样的冻融变形规律研究，其中含盐量设置为0.71%、0.99%、2.26%；压实度设置为85%、90%、95%；含水率设置为19.32%、21.32%、23.32%、25.32%、27.32%。试样装在自主设计的有机玻璃试筒中，试筒高17 cm，内径10 cm，外侧及底部包裹保温棉保证单向冻结。结合试样尺寸对冻胀量范围进行估计，选用精度为0.01 mm、量程为10 mm百分表对试样进行变形监测。

2.3 土样制备及变形监测

由于敦煌地区极端高温达到30.0 ℃左右，极端低温达到-15.0 ℃左右，本试验中选用ST-225LBZ可程式恒温恒湿试验箱，可调温度范围为-40～150 ℃。在试验箱内进行土样温度和变形的监测，如图5所示，并在冻融结束后测定土样不同深度的含水率变化。

图5 土样温度及变形监测Fig.5 Monitoring of soil sample temperature and deformation

3 试验结果分析

3.1 温度变化特征分析

在5个周期的温度变化循环试验中，土样不同深度处温度有周期性的变化，但与试验温度相比具有一定的滞后性，因为温度传递过程中的能量耗散和传递需一定时间。选取测试土样自下而上3、9、15 cm处温度变化如图6所示。

从图6可以看出，土样深度越浅温度变化越大，其中，3 cm处温度变化大致区间为-15.8～15.8 ℃，9 cm处温度变化大致区间为-20.7～22.7 ℃，15 cm处温度变化大致区间为-20.56～20.56 ℃，自下而上9～15 cm内的土体温度受外界环境影响稍大，土样内部温度变化具有余弦变化规律。从土样各层温度的变化中可以看出，各层之间形成温度梯度，在一个周期内温度梯度方向发生改变，且各层之间温度梯度相差较小。

图6 土样各层温度随时间变化关系曲线Fig.6 The relationship curve of the temperature of each layer of the soil sample with time

3.2 水分迁移特征分析

如图7所示，给出了不补水情况下不同含盐量、压实度、含水率土样在冻融循环结束之后含水率在不同深度的分布情况。不同含盐量、压实度土样初始含水率为23.32%，不同含水率土样初始含水率分别为19.32%、21.32%、23.32%、25.32%、27.32%。可以看出，在5次冻融循环之后，随着温度的不断变化，含水率较初始含水率均出现了一定程度的降低，土样上部水分损失较多。

从图7(a)可以看到，含盐量为0.71%土样含水率最大降幅约为8.57%，含盐量为0.99%土样含水率最大降幅约为6.46%，含盐量为2.26%土样含水率最大降幅约为5.82%。总的来看，易溶盐浓度越小含水率降幅越大，这一方面是受盐溶液浓度大小的影响，另一方面，水分从土样下部向上迁移的速率受易溶盐含量、毛细作用、水势梯度的多重影响，使得水分扩散、损失程度不同。从图7(b)可以看到，85%压实度土样含水率最大降幅约为7.94%，最小值约为1.37%；90%压实度土样最大降幅约为6.43%，最小值约为1.94%；95%压实度土样含水率最大降幅约为4.87%，最小值约为1.33%，土样底部含水率和顶部含水率差值明显。以上情况反映了压实度大小对土样各层水分迁移的影响，压实度越大土体孔隙率越小，土体的饱和度容易降低，土体中的小孔隙占据主要部分，在小孔隙中强结合水居多。从图7(c)中可以看到五种含水率土样在冻融循环之后，土样含水率在上而下逐渐降低，含水率在19.32%～23.32%时土样各层水分损失较大，土样上部损失量平均值约为4.13%，下部损失量平均值约为1.62%，而土样初始含水率超过23.32%时，土样上部含水率损失值减小，平均值约为2.95%。由此可见初始含水率较大的土样，水分向上迁移速率均产生一定程度的降低。

图7 不同土样冻融后含水率剖面图Fig.7 Moisture content profiles of different soil samples after freezing and thawing

3.3 变形特征分析

在五次冻融循环过程中，冻胀和融沉过程的温度随着时间发生变化，土样的变形量也随时间发生周期性的变化。

不同含盐量土样冻融变形如图8所示，在第一个冻融周期中，不同含盐量土样随着温度的降低其变形量不断增大，最大值达到1.46 mm左右，且温度降至最低时变形速率最大，当温度从-21 ℃开始回升时土样变形量减小。从第三个周期开始，不同含盐量土样的变形累加量出现了明显的变化趋势，随着含盐量的增加土样总变形累加量逐渐变小，累加融沉变形量大于冻胀变形量。

图8 不同含盐量土样冻融变形曲线Fig.8 Freeze-thaw deformation curves of soil samples with different salt content

不同含盐量土样冻胀变形随着易溶盐含量的增加逐渐降低，融沉变化明显，如表3所示。这是因为在同样的温度下盐渍土的冰点受盐分含量影响，易溶盐含量越大土体内部冰点越低，即土体中未冻水含量大于含冰量，从而易溶盐含量越大土体的原位冻胀越小，故含盐量为2.26%的土样冻胀变形弱于融沉变形。

表3 不同含盐量土样冻胀率与融沉系数表Table 3 Frost heaving rate and thawing settlement coefficient of soil samples with different salt content

不同压实度土样冻融变形如图9所示，在第一次冻融循环初期，95%压实度土样表现出较大的冻胀变形，各土样融沉变形均较大，从第二次冻融循环开始各土样冻胀变形随着温度的变化，压实度越大土样累加变形量越大，在第五次冻融循环中，95%压实度土样冻胀变形量约为1.723 mm，85%压实度土样冻胀变形量约为0.896 mm。

图9 不同压实度土样冻融变形曲线Fig.9 Freeze-thaw deformation curves of soil samples with different compaction degrees

土样总冻胀率随压实度的增加而增加，如表4所示，这是因为压实度越大土体中小孔隙越多，土体的比表面积越大，土体与水分子的作用更加充分，故在冻结过程中压实度较大土样中含冰量较多，冰晶体造成土体的冻胀变形更加明显。

表4 不同压实度土样冻胀率与融沉系数表Table 4 Frost heaving rate and thawing settlement coefficient of soil samples with different compactness

不同含水率土样冻融变形如图10所示，在不补水情况下，5次冻融循环过程使得含水率越小的土样变形累加量越大，而含水率越大其变形累加量趋于平缓甚至有下沉趋势。

图10 不同初始含水率土样冻融变形曲线Fig.10 Freeze-thaw deformation curves of soil samples with different initial moisture content

如表5所示，初始含水率为19.32%～21.32%的土样总冻胀率在4.57%～7.70%，且融沉系数为负值，而初始含水率为25.32%的土样总冻胀率为0.31%，融沉系数为正值。因为土样在冻融过程中缺少水分补给，土体孔隙中水分减小使得土样饱和度降低，而初始含水率较高的土样饱和度始终较大，故冻胀和融沉变形明显，而初始含水率小的土样冻胀变形之后土体结构的不完全恢复使其累加变形大幅度增加。

表5 不同含水率土样冻胀率与融沉系数表Table 5 Table of frost heaving rate and thawing settlement coefficient of soil samples with different moisture content

4 结论

(1)通过现场地基温、湿度监测可知在25～85 cm深度范围内的土体含水率较高，且不同土层之间有明显的水分迁移现象，深度为85 m内的地基土属于冻结敏感区。

(2)在冻融循环试验中，土样不同深度处温度发生周期性变化，影响土层中的未冻水含量，进而影响土体水分迁移和冻胀融沉变形程度。

(3)盐渍土的冰点受盐分含量影响，易溶盐含量越小土体内部冰点越高，水分迁移速率较大，易溶盐含量越小土体的原位冻胀越大，在反复冻融的作用下，含盐量越小的土样随着冻融次数的增加累加变形量越大。压实度大小影响着土体内部的孔隙分布，压实度越大的土样在反复冻融作用下的冻胀变形大于融沉变形，总体上累加变形量与压实度大小呈正相关。含水率越小的土样在5次冻融循环后融沉变形弱于冻胀变形，土样体积累加变形量与含水率大小呈负相关。