粗粒硫酸盐渍土盐胀特性研究进展

□□ 杨 琪

(新疆大学 建筑工程学院,新疆 乌鲁木齐 830000)

引言

粗粒硫酸盐渍土是一种特殊土壤,其特点是含盐量高,暴露在潮湿低温环境时具有膨胀特性。这种类型的土壤在世界许多地方都有发现,包括中东、北非和北美洲地区。粗粒硫酸盐渍土的分布主要取决于该地区的气候和地质,在高温和降雨量小的地区,土壤更有可能是粗粒和盐碱的。粗粒硫酸盐渍土主要分布在我国西北地区,因其气候干燥、降水少及蒸发强烈等环境条件,导致土壤中盐分聚集,盐渍化现象严重。新疆维吾尔自治区地处我国西北部,盐渍土面积达15.83万km2,约占全区土地面积的9.5%。盐胀、翻浆和溶陷等病害类型是盐渍土地区公路使用受限的原因,其中硫酸盐渍土地区道路发生变形破坏的主要原因是盐胀变形[1]。盐渍土中易溶盐受温度变化、降雨和蒸发等作用产生相变引起盐胀变形,极易造成公路和铁路等构筑物出现开裂及不均匀沉降等问题[2-3]。随着交通事业和“一带一路”战略的发展,粗粒硫酸盐渍土的使用在建设中占有的比重越来越大,这就要求对粗粒硫酸盐渍土的盐胀特性具有准确而全面的认识。

1 盐胀特性

盐胀病害是粗粒硫酸盐渍土在受到温度变化时,其中硫酸盐溶解度降低结晶析出,这是导致构筑物变形与破坏的主要原因[4]。硫酸盐渍土膨胀特性有较为广泛的研究,研究表明盐在土壤中的膨胀很大程度上取决于盐的种类及含量、水分和土壤温度,同时受到土类及上覆荷载的影响[5-6],盐胀也会受到其他离子(如Ca2+和Mg2+)和有机质存在的影响。

盐胀是粗粒硫酸盐渍土的主要工程危害之一,大多学者以盐胀试验为基础得出盐胀变形的规律。吴青柏等[7]研究表明粗粒土中形成的硫酸盐聚集层与水分侵袭的共同作用使其出现突发的盐胀变形,单纯的粗粒土本身并不具有强烈的盐胀性。张莎莎等[8-9]针对天然粗颗粒盐渍土,通过室内模拟季节交替和昼夜温差变化的多次冻融循环试验及有无附加荷载时单次降温盐胀试验研究,得出粗颗粒盐渍土的盐胀量远小于细粒土的盐胀量;盐胀和体缩均具有累加性和不可逆性。包卫星等[10]在开放系统中开展了冻融循环盐胀试验,针对不同类别典型天然盐渍土探究了其盐胀规律,得出低液限黏土前五次冻融循环中盐胀有较好的累加性,但随着冻融循环次数的增加盐胀增长速率逐渐降低。

2 盐胀机理及其影响因素

史桃开等[11]研究表明盐渍土中的Na2SO4在外界温度变化时吸水结晶而产生体积膨胀是盐胀产生的机理。徐学祖[12]深入分析了盐渍土的盐胀冻胀机理,首次将含盐量和土体空隙率作为影响盐胀变形的判定指标。袁红等[13]研究表明Na2SO4的溶解与结晶特性共同决定了硫酸盐盐渍土的盐胀特性,且Na2SO4含量是影响盐胀大小的主要因素,并采用模拟试验得到了起胀含盐量与容许含盐量的计算公式,提出了不同条件下的起胀含盐量与容许含盐量值。杨保存等[14]研究表明盐渍土路基变形破坏的主要原因是硫酸盐及外部渗水的共同作用,并提出了影响路基盐胀特性的基本影响因素。Blaser H D等[15]研究了含硫酸钠盐渍土受含水量、孔隙水盐浓度、黏土矿物含量及干重度因素下的膨胀规律。Taylor G S等[16]研究表明易溶盐结晶吸水膨胀和土壤自由水冻结膨胀的共同作用使得土壤表现出盐冻胀现象。由此可见,粗粒硫酸盐渍土盐胀特性主要受温度、盐分、水分、土的类别和上覆荷载的影响。现对各影响因素作用如下:

(1)温度是粗粒硫酸盐渍土盐胀病害发生的重要条件之一。盐胀现象多发生于冬季,温度的降低会促进盐胀的发生,并且降温速率也会影响盐胀的大小[6]。

(2)含盐种类及含盐量会影响盐胀大小,盐胀主要存在于含硫酸盐的盐渍土中。

(3)含水率对盐胀变形的影响中存在界限含水率。当小于界限含水率,盐胀量随含水率增大而增大,反之则减少[17-18],其中有学者认为该界限含水率为最佳含水率[19];盐胀变形随含水率的增大而增大[20]。杨晓华等[21]根据调节因素提出盐胀率受含水率影响的计算公式。

(4)土的种类影响主要体现在粒径组成和干密度,故粗粒土颗粒粒径和干密度的影响因素同样为影响盐胀变形的影响因素[22]。所有粒径颗粒中,细颗粒对粗粒土的力学特性、渗透性和冻胀性等工程性质影响显著[23]。许健等[24]研究表明冻胀变形受细颗粒含量影响,在工程中,高细颗粒含量会导致粗颗粒土路基产生更大的冻胀变形[24]。

(5)上覆荷载有约束盐胀变形的作用。基于此高江平等[20]认为抑制作用可分为三个方面:一是土颗粒之间的挤压力因上覆荷载的存在而增大,约束土颗粒位移;二是附加压力的存在改变土体内部应力分布,增大了土颗粒间的接触应力,降低土体的冻结点,影响了土中水分的相态转变;三是荷载影响土中水盐迁移规律,阻止水盐向冷端的迁移,改变土体内水盐分布规律。张莎莎等[25]研究结果表明:不同含盐量条件下粗粒硫酸盐渍土的盐胀变形随上覆荷载的增加而降低,并进一步探究了上覆荷载与其他盐胀影响因素的交互作用,明确上覆荷载的抑制作用,表明可充分利用这一效应从而合理利用粗粒硫酸盐渍土作为路基填料[26]。

粗粒硫酸盐渍土的盐胀变形是一个多因素耦合的过程,张莎莎等[27-28]基于室内盐胀试验,采用二次回归正交设计建立了多因素交互作用下盐胀率计算模型,并对各因素敏感性分析得出:易溶盐对盐胀量为促进作用;荷载、易溶盐与荷载的交互、易溶盐与水的交互均对盐胀量有一定的抑制作用;含水率因含盐量的不同而对盐胀量的作用产生变化。

3 盐胀量预估模型

盐胀预测模型主要是基于室内外试验和现场观测而建立的,其预测精度受外界参数的影响。盐胀预测模型可用于预测盐胀的时空演变,并可用于指导盐胀管理。BP神经网络和二次回归正交设计是研究盐胀量预报模型的常用方法,而回归正交设计方法因其试验量少、计算简单、影响因素直观和体现交互作用等优点被较多的使用[29-30]。

高江平等[20,31]建立了五因素盐胀预测模型,分析单因素和交互作用影响,随后梁倩等[29]进行回归分析建立简化预测模型。预测模型见式(1):

Y=1.168+0.845·X1+0.086·X2+0.909·X3+

0.560·X4-0.787·X5-0.016·X1·X2+0.486·

X1·X3+0.493·X1·X4-0.153·X1·X5-0.108·

X2·X3+0.311·X2·X4+0.490·X2·X5+0.353·

X3·X4+0.142·X3·X5+0.160·X4·X5-0.025·

X12-0.199·X22-0.056·X32-0.124·X42+

1.058·X52

(1)

简化模型见式(2):

Y=1.168+0.845·X1+0.909·X3+0.560·X4-

0.787·X5+1.058·X52

(2)

式中:Y——土体盐胀率,%;

X1——土体含水率,%;

X2——NaCl含量,%;

X3——Na2SO4含量,%;

X4——初始干容重,kN·m-3;

X5——土体上覆荷载,kPa。

张莎莎等[27,32]采用回归正交设计方法针对砾类和砂类亚硫酸盐渍土开展多因素交互作用下的盐胀试验,建立了盐胀率简化预测模型。砾类亚硫酸盐渍土简化预测模型见式(3):

Y=-0.195+1.049·X1+0.097·X2-0.091·

X4-0.123·X1·X2

(3)

砂类亚硫酸盐渍土简化预测模型见式(4):

Y=-6.469+2.430·X1+1.148·X2+0.369·

X4-0.184·X1·X2-0.089·X1·X4-0.024·

X2·X4-0.052·X22-0.034·X42

(4)

式中:Y——土体盐胀率,%;

X1——土体含盐量,%;

X2——土体含水率,%;

X4——土体上覆荷载,kPa。

4 粗粒硫酸盐渍土路基盐胀处治方法

粗粒硫酸盐渍土地区公路病害诱因众多,含盐量、水分、温度和土质是主要因素,并且这些因素受人为影响较大,通过主动的控制,可有效减少粗粒硫酸盐渍土路基病害的发生。针对盐渍土地区道路病害的防治方法,从加固、隔水和除盐等三个方面,具体处治方法见表1。

表1 粗粒硫酸盐渍土路基盐胀处治方法[33-36]

5 结语

盐渍土盐胀特性是由土、温、水、力和盐五因素交互作用影响下的结果,其中含盐量能促进土体盐胀,水对盐胀的影响会随含盐量的变化而变化,上覆荷载能较好地抑制土体盐胀,各种条件下盐渍土的盐胀规律有所不同,因而在对粗颗粒盐渍土路基进行设计时,应充分考虑各个影响因素。粗颗粒盐渍土的盐胀特性与其颗粒级配息息相关,粗颗粒构成的大孔隙结构,细颗粒分布在粗颗粒之间,粗颗粒盐渍土的级配变化影响着粗颗粒盐渍土的盐胀特性。盐胀量预估模型是通过分析试验结果求得的回归方程,可以达到对试验目标预测和控制的效果。这一方法能高效获得试验数据,并得出准确的预测结果,同时为工程提供更多的指导。