含鹽量及含水率對鹽漬土凍脹規律影響試驗研究*

楊 歡,侯兆領

（中交三公局 第二工程有限公司, 天津 寶坻 301800 ）

0 引言

鹽漬土是鹽土和堿土及其各類鹽化、堿化土的統稱, 主要分布在我國西北地區。鹽漬土會導致路基出現鹽脹、凍脹、翻漿、溶陷等病害, 對道路的穩定性和耐久性產生較大影響。隨著我國“一帶一路”戰略推進, 越來越多的西部公路、鐵路工程受到鹽漬土的影響。G215 線柳園至敦煌段位于鹽漬土地區, 該線路k70～k92區段之間由于每年受疏勒河施放生態水的影響, 地下水非常豐富, 導致每年冬季該區段路基鹽凍較為嚴重, 給公路交通造成很大影響。

目前, 針對鹽漬土凍脹等方面的研究相對較多。李生偉[1］對寒旱區鹽漬土在凍融循環作用下的水鹽遷移規律進行了研究綜述, 并提出了相應的地基加固、水鹽遷移治理措施。譚仁義等[2］則研究了凍結過程中水分鹽分結晶相變對鹽漬土壓力的影響, 指出了凍結過程中凍脹力的變化規律。王景輝等[3］采用室內土柱凍融試驗, 研究了水鹽運移情況下硫酸鹽漬土鹽凍脹規律, 分析了水鹽運移規律及其對土體鹽凍脹變形的影響。張莎莎等[4］對粗粒鹽漬土路基水熱鹽力耦合方程進行了修正, 并進行了試驗驗證。甘霖睿等[5］采用低溫凍土三軸試驗方法, 對季凍區鹽漬土的動應力、動彈性模量、模量比和阻尼比等動力參數的變化規律及其主要影響因素進行了研究。楊進財等[6］結合青藏鐵路西格段的凍脹狀況, 研究了人工鹽漬土路基中溫度、水分、鹽分以及變形規律。王策等[7］對近年來硫酸鹽漬土鹽脹結晶破壞試驗研究的成果進行了綜述, 并總結了相應的研究規律。于天佑等[8］采用試驗方式, 研究了細粒硫酸鈉鹽漬土鹽凍脹特性, 分析了鹽脹與鹽凍脹的變化規律。

以上研究雖然相對較多, 但并沒有展開鹽漬土地區含鹽量對土體凍脹率的影響研究, 特別是在含水量不同時的含鹽量對土體凍脹率的影響研究, 而這些研究往往對解決或控制鹽漬土凍脹起著重要作用。因此, 本論述依托G215 線柳園至敦煌段的具體情況, 研究分析了含鹽量對鹽漬土凍脹的影響規律。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

本次試驗的土樣取自G215 線柳園至敦煌段鹽凍較嚴重區段（如圖1所示）, 沿地表向下取一定深度內的土樣制作試件, 進行相應鹽凍試驗研究。經測定, 該鹽漬土中鹽類以氯鹽為主, 硫酸鹽次之, 碳酸氫鹽含量很小, 起主導作用的是氯化物。

圖1 現場取土示意圖

1.2 試驗方案

進行鹽漬土凍脹試驗時, 結合研究區段地基含鹽量的實際情況, 試件含鹽量取0.71%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%等五種；土樣選擇天然級配的土樣, 依據土樣最優含水率為23%, 分別設置19%、23%、27%等三種土樣含水率。試驗溫度范圍為10 ℃～-35 ℃, 按5 ℃一級降溫。試樣放在直徑100 mm、高度150 mm 的圓筒中, 用來研究封閉不補水條件下含鹽量、含水率和溫度對鹽漬土凍脹率的影響規律。

1.3 實驗裝置

在試驗室內進行試驗時, 試件溫度及溫度變化的設置, 在可程式恒溫恒濕試驗箱內進行, 用以研究溫度變化對土樣凍脹率的影響。試驗時設置的最高溫度為10 ℃、最低溫度為-35 ℃, 并按照5 ℃/4 h的速率逐級降溫, 同時記錄各級溫度變化下的千分表數值和溫濕度傳感器數值。試驗裝置示意圖如圖2所示, 土樣變形監測圖如圖3所示。

圖2 試驗裝置示意圖

圖3 土樣變形監測示意圖

1.4 試樣制備

將現場取回的土進行晾曬, 然后壓碎, 運回實驗室備用。測含水量的土則直接用塑料袋密封, 不晾曬, 直接在實驗室測含水率（如圖4、圖5 所示）。進行試驗時, 根據計算的不同含水率、不同含鹽量等因素進行配料和悶料。將配好的料密封靜置一晝夜（24 h）使其充分浸濕（悶料）, 然后通過在有機玻璃桶內涂抹石蠟的方式, 使試件與筒壁之間潤滑。悶好的土樣分3次加入有機玻璃桶, 每放入一層土樣后進行擊實和拉毛處理, 并將表面抹平后在上部蓋上玻璃蓋板。在試樣的4 cm、8 cm、12 cm 分層處插入溫濕度傳感器, 外部包裹保溫材料, 靜置8 h 后放入恒溫恒濕試驗箱（如圖4～圖7所示）。

圖4 土樣晾曬

圖5 保水土樣采集

圖6 涂抹石蠟

圖7 試樣放置

2 試驗結果與分析

2.1 含水率為19%時, 不同含鹽量下凍脹率隨溫度下降的變化規律研究

當試件的含水率為19%時, 土樣的含鹽量與凍脹率關系如圖8所示。

圖8 含水率為19%, 不同含鹽量時凍脹率隨溫度變化曲線圖

由圖8 可知, 當試件的含水量為19%時, 隨著溫度降低, 試件的凍脹率總體呈現規律性變化, 但隨著含鹽量的不同, 變化規律呈現出不同特點。下面將曲線按溫度分區段進行描述。

（1）10 ℃～0 ℃區段。在這一區段, 凍脹率隨溫度的降低總體呈現穩定趨勢, 有稍微下降趨勢, 但下降量極小。比如當含鹽量為0.71%, 溫度從10 ℃降到0 ℃時, 凍脹率僅增加了-0.01%。而對于含鹽量為2.0%、3%、4%及5%時, 凍脹率也僅增加了-0.02%、-0.03%、-0.03%、-0.03%。凍脹率出現負值, 說明在這一階段試件的體積沒有膨脹, 反而收縮, 同時溫度的降低對試件的影響較小。嚴格來說, 此時試件里的水分并未結冰, 試件收縮主要是由于熱脹冷縮造成的。因此此時稱為凍脹率并不準確, 應為收縮率。

（2）0 ℃～-10 ℃區段。在這一區段, 凍脹率隨溫度的降低增長較快, 同時含鹽量對凍脹率的影響具有明顯規律性?？傮w而言, 隨著含鹽量的增大, 試件的凍脹率也增大, 對于試件的凍脹率, 含鹽量5%的試件＞含鹽量4%的試件＞含鹽量3%的試件＞含鹽量2%的試件＞含鹽量0.71%的試件。由圖8 可知, 當溫度由0 ℃下降到-10 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了0.62%；含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了0.70%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了0.81%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了0.89%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了1.06%。通過對數據的分析可知, 隨著含鹽量的增加, 試件的凍脹率也增大。

（3）-10 ℃～-20 ℃區段。在這一區段, 凍脹率隨溫度的降低仍呈增長趨勢, 但增長速率相對于0 ℃～-10 ℃區段減小。當溫度由-10 ℃下降到-20 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了0.27%；含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了0.29%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了0.30%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了0.34%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了0.32%。由此可以看出, 隨著含鹽量的增大, 不同含鹽量試件凍脹率的增長率較為接近。

（4）-20 ℃～-35 ℃區段。在這一區段, 凍脹率隨溫度的降低增長緩慢, 增長趨勢不再明顯。當溫度由-20 ℃下降到-35 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了0.04%；含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了0.05%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了0.07%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了0.06%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了0.07%。由此可以看出, 隨著含鹽量的增大, 不同含鹽量試件凍脹率的增長率較為接近。

2.2 含水率為23%時, 不同含鹽量下凍脹率隨溫度下降的變化規律研究

當試件的含水率為23%時, 土樣的含鹽量與凍脹率關系如圖9所示。

圖9 含水率為23%, 不同含鹽量時凍脹率隨溫度變化曲線圖

由圖9 可知, 試件的含水量為23%時, 隨著溫度的降低, 試件的凍脹率總體呈現規律性變化, 但變化規律較含水量為19%有所不同。下面將曲線分區段進行描述。

（1）10 ℃～0 ℃區段。在這一區段, 隨著溫度的降低, 試件膨脹量出現了負值, 也就是試件出現了收縮。比如當含鹽量為0.71%, 溫度從10 ℃降到0 ℃時, 膨脹率增加了-0.08%（負值表示試件收縮）。含鹽量為2.0%時的膨脹率增加了-0.11%, 含鹽量為3.0%時的膨脹率增加了-0.13%, 含鹽量為4.0%時的膨脹率增加了-0.15%, 含鹽量為5.0%時的膨脹率增加了-0.16%。相對于含水率為19%的試件而言, 收縮量增大較明顯。試件出現了收縮, 主要包括兩個方面的原因：（1）土體里的水分并未結冰, 未出現體積膨脹現象；（2）土體里面的水含量增大, 導致試件出現的冷縮現象增大。同時, 含鹽量不同的試件收縮量也不同, 含鹽量越大試件的收縮量也越大。

（2）0 ℃～-10 ℃區段。在這一區段, 凍脹率隨溫度的降低增長較快, 同時含鹽量對凍脹率的影響具有明顯的規律性。由圖9 可知, 當溫度由0 ℃下降到-10 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了1.01%；含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了1.12%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了1.21%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了1.41%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了1.51%。而試件含水率為19%時, 凍脹率增加值分別為0.62%、0.70%、0.81%、0.89%和1.06%。到-10 ℃時, 試件凍脹率的增長量已達到總增長量的67%, 說明0 ℃～-10 ℃區段是凍脹增加的主要區段。同時, 隨著含鹽量的增加, 凍脹率也增加。

（3）-10 ℃～-20 ℃區段。在這一區段, 凍脹率隨溫度的降低仍呈增長趨勢, 但增長速率相對于0 ℃～-10 ℃區段減小。當溫度由-10 ℃下降到-20 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了0.33%；含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了0.35%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了0.38%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了0.32%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了0.35%。而試件含水率為19%時, 凍脹率增加值分別為0.27%、0.29%、0.30%、0.34%、0.32%, 因此隨著含水量的增加, 試件在-10 ℃～-20 ℃區段凍脹量的增加量也變大。同時, 在這一溫度區段內, 對于不同含鹽量的試件, 凍脹率的增長率也較為接近。

（4）-20 ℃～-35 ℃區段。在這一區段, 凍脹率隨溫度的降低增長緩慢, 增長趨勢不再明顯。當溫度由-20 ℃下降到-35 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了0.08%；含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了0.07%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了0.07%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了0.05%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了0.04%。而試件含水率為19%時, 凍脹率增加值分別為0.04%、0.05%、0.07%、0.06%和0.07%, 因此在這一階段, 含水量的增加對凍脹率的影響較小。同時, 含鹽量對凍脹率變化的影響也不再明顯。

2.3 含水率為27%時, 不同含鹽量下凍脹率隨溫度下降的變化規律研究

當試件的含水率為27%時, 土樣的含鹽量與凍脹率關系如圖10所示。

圖10 含水率為27%, 不同含鹽量時凍脹率隨溫度變化曲線圖

由圖10可知, 當試件的含水量為27%時, 隨著溫度的降低, 試件的凍脹率總體呈現規律性變化, 但變化規律較含水量為23%有所不同。下面將曲線分區段進行描述。

（1）10 ℃～0 ℃區段。在這一區段, 同樣出現隨著溫度的降低, 凍脹率減小的現象, 也就是凍脹率出現了負值, 試件收縮。比如溫度從10 ℃降到0 ℃, 當含鹽量為0.71%時, 試件的凍脹率增加了-0.10%, 含鹽量為2.0%時的凍脹率增加了-0.13%, 含鹽量為3.0%時試件的凍脹率增加了-0.16%, 含鹽量為4.0%時試件的凍脹率增加了-0.19%, 含鹽量為5.0%時試件的凍脹率增加了-0.22%。而含水率為23%試件的凍脹率增加量為-0.08%、-0.11%、-0.13%、-0.15%和-0.16%, 含水量27%的試件膨脹率的數值絕對值均增大, 說明隨著含水率增大, 試件出現的冷縮現象更明顯。同時, 不同含鹽量對試件冷縮現象的影響更大, 含鹽量高的試件冷縮現象更明顯。

（2）0 ℃～-10 ℃區段。在這一區段, 凍脹率隨溫度的降低增長較快, 同時含鹽量對凍脹率的影響具有明顯規律性。由圖10 可知, 當溫度由0 ℃下降到-10 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了1.21%, 含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了1.35%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了1.52%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了1.68%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了1.84%。而試件含水率為23%時, 凍脹率增加值分別為1.01%、1.12%、1.21%、1.41%和1.51%, 因此隨著含水量的增加, 試件在0 ℃～-10 ℃區段的凍脹率也增加。同時, 隨著含鹽量的增加, 試件的凍脹率也增大。

（3）-10 ℃～-20 ℃區段。在這一區段, 凍脹率隨溫度的降低仍呈增長趨勢, 但增長速率相對于0 ℃～-10 ℃區段減小。當溫度由-10 ℃下降到-20 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了0.45%, 含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了0.41%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了0.37%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了0.34%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了0.33%。而試件含水率為23%時, 凍脹率增加值分別為0.33%、0.35%、0.38%、0.32%和0.35%, 因此隨著含水量的增加, 試件在-10 ℃～-20 ℃區段的凍脹量稍大于含水率為23%時的凍脹率。同時, 隨著含鹽量的增大, 試件凍脹率的增長率反而出現下降趨勢。

（4）-20 ℃～-35 ℃區段。在這一區段, 凍脹率隨溫度的降低增長緩慢, 增長趨勢不再明顯。當溫度由-20 ℃下降到-35 ℃時, 含鹽量為0.71%的試件的凍脹率增加了0.10%, 含鹽量為2.0%的試件的凍脹率增加了0.10%；含鹽量為3.0%的試件的凍脹率增加了0.09%；含鹽量為4.0%的試件的凍脹率增加了0.09%；含鹽量為5.0%的試件的凍脹率增加了0.08%。而試件含水率為23%時, 凍脹率增加值分別為0.08%、0.07%、0.07%、0.05%和0.04%, 因此, 在這一溫度階段, 含水量對凍脹率的影響已經很??；含鹽量對凍脹率的影響也很小。

3 結論

（1）隨著溫度降低, 試件凍脹率有著明顯的變化規律：在10 ℃～0 ℃區段, 試件出現冷縮現象, 但冷縮量相對較??；在0 ℃～-10 ℃區段, 試件凍脹率增長速度最快；在-10 ℃～-20 ℃區段, 試件凍脹率增長速度放緩；而在-20 ℃～-35 ℃區段, 試件凍脹率的增長趨勢已不再明顯。

（2）試件的含鹽量對凍脹率有明顯的影響, 隨著含鹽量的增加, 在相同的溫度降低幅度范圍, 試件的凍脹率也增大, 含鹽量增加幅度與凍脹率增加幅度近似呈正比。

（3）試件的含水率對凍脹率有明顯的影響, 隨著含水率的增加, 在相同的溫度降低幅度內, 試件的凍脹率也增大。