寧夏濱河路基鹽漬化粉土的動力特性

馬文國，張 剛，2，封少博，楊有貞，董旭光

（1.寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學 學術期刊中心，寧夏 銀川 750021；3.榆林學院 生命科學學院，陜西 榆林 719000）

土壤鹽漬化是指地下水或土壤底層中的易溶鹽離子隨毛細水上升到地表，水分蒸發后鹽分積聚在表層土壤中的物理化學過程[1-2]。在農業、交通、建筑和水利等領域，研究人員對鹽漬土開展了大量的研究工作，但其各自研究的重點有所不同，主要的研究內容有水鹽運移規律，鹽脹、凍脹、結晶和多場耦合下鹽漬土的力學性質變化等方面。寧夏沿黃城市帶有很多基礎建設布局在鹽漬化區域，鹽漬土的研究具有較大的社會和經濟價值。

在交通領域，路基甚至路面的鹽漬化將導致土和結構面的強度降低。很多學者對鹽漬土的力學特性進行了比較深入的研究。劉威等[3]對不同含鹽類別和不同干密度的鹽漬土開展了三軸試驗，得出在干密度相同時，氯鹽漬土比硫酸鹽漬土的抗剪強度要小，并應用Duncan-Chang 模型模擬了鹽漬土的應力-應變關系。馬冰[4]通過試驗得出，鹽漬土無側限抗壓強度隨含水率的增加而降低。席人雙[5]通過試驗得出，鹽漬土的抗剪強度和黏聚力會隨含鹽量的增加而增大，而內摩擦角幾乎不受影響。王滬生[6]通過試驗得出，在干濕凍融循環條件下硫酸鹽漬土的抗壓強度會不斷降低。姚占勇等[7]研究了鹽分在非鹽漬粉土路基中的運移規律，得出地下水礦化程度比地下水位和路基高度對鹽分運移的影響要大。劉康[8]對青海的氯鹽漬粉土進行了大量的試驗，結果表明，增加含鹽量會使干密度先增大后減小，抗剪強度參數出現開口向上拋物線的變化特點。呂擎峰等[9]采用石灰粉煤灰改良鹽漬土，發現增加粉煤灰含量會導致鹽漬土的強度先增大后減小。付玉濤[10]驗證了礫石換填、沖擊碾壓和強夯等方法處理鹽漬土地基是合理的。這進一步表明，《鹽漬土地區建筑技術規范》（GB/T 50942—2014）[11]中的地基處理方法符合工程實際。封少博等[12]對寧夏北部濱河地區的鹽漬土進行了靜力和動力特性的測試，結果表明，鹽漬土較無鹽土有著較低的抗剪強度等性質。

在寧夏北部沿濱河大道修建了很多基礎設施，周圍主要是農田、池塘和灘涂，濱河大道施工就地取材，導致道路兩邊有很多低洼空地，鹽漬化積聚更加嚴重。根據水文地質環境勘察結果，由于農田灌溉和路基臨近黃河，筆者在多個探坑采樣時發現地下自由水位非常淺，均在0.5～1.0 m，地表土體也很潮濕。濱河大道自運營以來，由于超載和地質環境等原因，路面病害比較嚴重。因此，開展寧夏濱河區域鹽漬化粉土在循環荷載下的力學特性研究非常重要。本文分別對寧夏北部濱河路基鹽漬粉土和洗鹽粉土進行動三軸試驗，通過研究鹽漬土和洗鹽土的滯回曲線、骨干曲線、抗液化能力、動彈性模量和阻尼比等多個指標，揭示其力學特性的變化規律，從而為寧夏鹽漬土地區的基礎建設提供參考。

1 路面病害與鹽漬化

1.1 路基病害特征

濱河大道自運營以來，病害主要表現在路面基層的大面積龜裂，并伴隨有縱向的貫通裂紋，裂紋尺寸較大，使用瀝青進行了修復，如圖1 所示。

圖1 路面龜裂和縱向貫通裂紋

1.2 粉土的鹽漬化特征

在實驗室中，將粉土重塑后制備成直徑50 mm、高度100 mm 的土樣，土樣表面形成鹽漬化結晶，如圖2 所示。本文利用離子色譜儀對土樣中的離子質量濃度進行測定，結果如表1 所示。

表1 鹽漬化粉土的離子質量濃度

圖2 粉土鹽漬化

由表1 可知，土壤中Cl-和Na+占據多數，其次是Mg2+，Ca2+和SO42-，也就是鹽漬土中的鹽分主要是以離子化合物NaCl 為主導，MgSO4和CaSO4次之。

根據《鹽漬土地區建筑技術規范》（GB/T 50942—2014）對鹽漬土按鹽的化學成分分類，公式如下：

式中：c（Cl-）和分別表示氯離子和硫酸根離子在0.1 kg 土中所含毫摩爾數，mmol/0.1 kg。

當比值≤0.3 時，土樣屬于硫酸鹽漬土；當0.3<比值≤1.0 時，土樣屬于亞硫酸鹽漬土；當1.0<比值≤2.0 時，土樣屬于亞氯鹽漬土；當比值>2.0 時，土樣屬于氯鹽漬土。本文計算得出該比值為7.59，故濱河路基粉土屬于氯鹽漬土中的中鹽漬土。

2 材料與方法

2.1 試樣的基本物理力學性質

濱河大道路基主要由兩邊的農田和灘涂取土填筑路堤和路床而成，路基主要由鹽漬化粉土、粉細砂和砂土組成，其中鹽漬化粉土的物理力學性質如表2所示。

表2 濱河路基鹽漬化粉土的物理力學性質

2.2 試樣的洗鹽、制備和飽和

（1）洗鹽。首先，將土樣過0.5 mm 的篩子，去除大顆粒和其他雜物；然后將土樣放入洗滌桶中，按1∶5 加入高純水進行攪拌稀釋，土樣沉淀穩定后把桶中水平緩倒出，如此將鹽漬粉土清洗3 次，將土樣自然風干后再過0.5 mm 的篩子。鹽漬化粉土的循環荷載試驗省去該步驟。

（2）制樣。首先，將土樣過0.5 mm 篩子后烘干稱重并放入塑料密封箱中，把濾紙覆蓋在土樣上方；其次，用高純水將土樣配置到22.0% 的最優含水率；最后，將密封箱靜置24 h，測試土樣含水率是否達到要求，滿足條件以后制備直徑50 mm、高度100 mm 的重塑土樣（干密度為1.58 g/cm3）。

（3）飽和。首先，將試樣裹好保鮮膜，兩端放置濾紙和透水石，制備多個試樣，裝在飽和器內，一起放入真空桶中抽真空；其次，以壓力表的示數不變為準，將高純水緩緩注入真空桶中，待水面沒過飽和器后打開排氣閥門，使試樣在水中浸泡3 h；最后，將試樣輕放在三軸試樣底座上，拆掉保鮮膜后套上橡皮膜，將橡皮膜兩端用損壞的橡皮膜扎緊后安裝在壓力室中，設置圍壓和反壓，保持20 kPa 的壓力差，圍壓和反壓每級增加30 kPa，直至試樣飽和度達到0.95 以上，飽和過程反壓盡量不超過200 kPa，飽和結束后進行固結。

2.3 循環荷載試驗方案

為研究上述飽和土樣在循環荷載下的力學特性，本文的試驗方案設計如表3 所示，表中固結壓力和動應力的單位均為kPa，本文只給出了固結壓力為100，300，500 kPa 下的試驗方案。限于篇幅沒有提供200，400 kPa 的試驗方案和結果，動應力和固結壓力的比例均相同。為研究骨干曲線和超靜孔隙水壓力發展情況，設計兩種動態加載方案。

表3 循環荷載試驗方案

（1）逐級加載試驗：荷載頻率1 Hz，固結比1.7，固結壓力分別為100，300，500 kPa，其中動應力幅值從30 kPa 起，每級振動10 次，每級增加30 kPa，研究逐級加載條件下滯回曲線、骨干曲線、滯回曲線面積、動彈性模量和阻尼比的發展規律。

（2）恒定動載試驗：為得出相同固結壓力不同動應力幅值下滯回曲線、滯回曲線面積和孔隙水壓力等變化趨勢，設置頻率為1 Hz，固結比為1。限于篇幅只給出300 kPa 固結壓力下，動應力幅值為固結壓力的0.4 和0.5 倍的試驗結果用于比較。

3 逐級加載下粉土的動力特性對比

3.1 逐級加載下滯回曲線的比較

為清晰比較洗鹽土和鹽漬土在逐級加載下的滯回曲線，取試樣破壞前3 個加載階段的第6 個周期，繪制應力-應變的滯回曲線，如圖3 所示。

由圖3 可知，固結壓力為100 kPa 時，鹽漬土和洗鹽土的動荷載均達到了相同的150 kPa；固結壓力為300 kPa 時，鹽漬土的動荷載達到了300 kPa，洗鹽土的動荷載達到了330 kPa；固結壓力為500 kPa時，鹽漬土的動荷載達到了420 kPa，洗鹽土的動荷載達到了480 kPa。因此，洗鹽土較鹽漬土具有較高的強度，但在100 kPa 固結壓力下表現得不夠明顯。

3.2 逐級加載下骨干曲線的比較

本文將逐級加載各階段第6 周期滯回曲線兩端的頂點相連接，得出對應的骨干曲線，并對不同固結壓力下鹽漬土與洗鹽土的骨干曲線進行比較，如圖4所示。

圖4 不同鹽分條件下骨干曲線

由圖4 可知，洗鹽土與鹽漬土的骨干曲線相似，當動應變較小時，兩種土樣的骨干曲線幾乎重合；隨著動應變的增大，鹽漬土與洗鹽土的骨干曲線開始有所分離，洗鹽土的骨干曲線始終在鹽漬土的骨干曲線的外面。因此，洗鹽土比鹽漬土有更高的抗變形能力。

3.3 逐級加載下滯回曲線面積的比較

不同鹽分條件下（鹽漬土、洗鹽土）滯回曲線面積與振次關系的曲線如圖5 所示，本文從另一個角度揭示鹽分對土體的力學特性所帶來的影響。

圖5 不同鹽分條件下滯回曲線面積與振次關系的曲線

由圖5 可知，在前幾級動應力作用下，兩種土樣的滯回曲線包圍的面積S很小且幾乎相等，土樣處于彈性階段。隨著動應力的增大，S出現指數式增長，曲線斜率持續增大，相同的振次下鹽漬土滯回曲線包圍的面積明顯大于洗鹽土，意味著相同振次下鹽漬土耗散的能量更大，產生的變形也會更大。

3.4 逐級加載下動彈性模量及阻尼比的比較

圖6 為濱河路基鹽漬土與洗鹽土的動彈性模量及阻尼比的曲線。

圖6 不同鹽分條件下動彈性模量及阻尼比曲線

由圖6 可知，鹽漬土與洗鹽土的動彈性模量和阻尼比隨動應變的發展規律基本相同。在彈性階段，鹽漬土的動彈性模量明顯大于洗鹽土的動彈性模量，隨著動應變的增加，鹽漬土的動彈性模量逐漸地小于洗鹽土的動彈性模量，而且固結壓力越大，二者的差異就越大。在彈性階段鹽分的膠結作用較強，在彈塑性階段這種膠結作用被逐漸破壞。鹽漬土的阻尼比要大于洗鹽土的阻尼比，主要是由于鹽漬土在動應變過程中耗散的能量更多，土樣的變形更大導致的。

4 恒定動載下粉土的動力特性

4.1 恒定動載下的滯回曲線

限于篇幅，圖7 僅給出鹽漬土和洗鹽土在固結壓力為300 kPa，動應力幅值為固結壓力的0.4 倍和0.5 倍的恒定動載應力下的應力-應變滯回曲線。

圖7 恒定動載條件下滯回曲線

由圖7 可知，在彈性階段，滯回圈接近封閉，隨著振次的不斷增加，滯回曲線不斷右移，形成不可恢復的累計塑性變形，滯回曲線的傾斜角度不斷變大。兩種土樣在相同固結壓力下都是趨近于拉升破壞，鹽漬土的滯回圈更大，能夠消耗更多的動能。

4.2 恒定動載下滯回曲線面積的比較

將鹽漬土和洗鹽土的滯回曲線包圍的面積進行比較，更能反映兩種土樣對應的滯回曲線的差異。圖8 給出了固結壓力為300 kPa，動應力幅值為固結壓力的0.4 倍和0.5 倍的恒定動載應力下的滯回曲線面積對比圖。

圖8 不同鹽分條件下滯回曲線面積與振次關系的曲線

由圖8 可知，當所有加載條件都相同時，同等振次下鹽漬土的滯回曲線面積明顯大于洗鹽土的滯回曲線面積，鹽漬土的能量耗散大于洗鹽土，洗鹽土抵抗變形的能力比鹽漬土更強。

4.3 超級孔隙水壓力

鹽漬土與洗鹽土在相同條件下抗液化破壞能力的比較，主要以超靜孔隙水壓力的發展情況為依據。圖9 給出了固結壓力為300 kPa，兩種動應力（固結應力的0.4 倍和0.5 倍）條件下的孔壓比比較圖。

圖9 孔壓比與振次關系的曲線

由圖9 可知，鹽漬土的超靜孔隙水壓力增長比洗鹽土快得多。這可能是因為土體中鹽分的存在會降低土體抗液化破壞的能力，隨著振次的增加，土中易溶鹽溶解速度加快，溶解后的易溶鹽加速了中溶鹽的溶解，大量鹽分的溶解導致土中孔隙結構的破壞，土體顆粒迅速重新排列，土中孔隙體積減小，孔隙水來不及排出使得土中孔壓急劇升高，有效應力降低，土體結構發生破壞。

5 結論與討論

5.1 結論

（1）在相同的加載條件下，鹽漬土更加容易產生變形，隨著土中鹽分含量的減少，土體抗變形能力得到一定的提升。相同振次下，鹽漬土的滯回曲線面積比洗鹽土的大。

（2）當動應變較小時，鹽漬土的動彈性模量要大于洗鹽土的動彈性模量，隨著動應變的增大，鹽漬土的動彈性模量出現了比洗鹽土動彈性模量小的趨勢。當動應變較小時，兩種土樣的阻尼比曲線幾乎重合，隨著動應變的增大，鹽漬土的阻尼比明顯高于洗鹽土的阻尼比，說明鹽漬土在動載下更容易遭破壞。

（3）相同條件下，洗鹽土的孔壓比增長明顯慢于鹽漬土，當達到某一固定孔壓比，洗鹽土所需的振次明顯大于鹽漬土，說明經過洗鹽以后，土體抗液化的能力得到了提升。

5.2 討論

綜上所述，通過對洗鹽土和鹽漬土的試驗結果比較可知，隨著土中鹽分的降低，土體抗變形、抗液化能力得到提升?？赡艿脑蚴峭林械柠}分是以晶體存在，這種晶體增強了土顆粒間的膠結，表現為在動應變較小的時候，要達到一定的動應變量所需的動應力有所提高，隨著動荷載的持續施加，應變累積量不斷增大，土顆粒間的這種膠結被破壞，土顆粒間出現相對錯動并且進行了重新排列，孔隙通道被連通，更利于飽和試樣中孔壓的增長，升高的孔壓同時也會加速土中鹽分的溶解，更容易發生液化。而對洗鹽土來說，其顆粒間主要靠摩擦力和咬合力接觸，剛度和強度更高，對應力波的傳遞也更好，不易發生破壞。