含泥量對砂類硫酸鹽漬土工程特性的影響分析

張莎莎, 張 超, 王旭超, 趙彥虎

(長安大學 公路學院,陜西 西安 710064)

粗粒土具有壓實性能好、透水性能強、抗剪強度高、沉降變形小等優良的工程特性[1]。由于西北地區的自然氣候條件和地質因素使得當地土體礦化程度較高,形成了大面積的鹽漬化砂土,鹽漬土的鹽脹和溶陷對路基填筑產生了不可忽視的影響[2]。而綜合技術經濟因素和生態環保要求,高速鐵路或公路等構筑物穿越粗粒鹽漬土地區時,使用當地的粗粒鹽漬土作為路基填料成了首要選擇。因此,進一步開展粗粒鹽漬土相關研究十分必要。

粗粒鹽漬土的鹽凍脹性質受到顆粒級配、含鹽性質[3]、溫度[4]、含鹽量、含水率和上覆荷載[5]等的影響,且影響因素之間存在一定的交互作用[6]。細粒土粒徑較小、比表面積大,對水的吸附能力強,會降低土體的凍結溫度[7],但隨著含水率的增加,粒徑對凍結溫度的影響逐漸降低[8],同時,凍結溫度還受孔隙溶液及孔隙結構的影響,會隨著含鹽量的增加、孔隙半徑的減小而降低[9]。由于粗粒鹽漬土的孔隙率較大,與細粒土相比鹽凍脹敏感性較弱,但其鹽凍脹敏感性會隨細粒土摻量的增加而急劇增加,因此常將細粒土含量作為其鹽凍脹敏感性的分類指標[10]。細粒土粒度越小、黏粒含量越多,土的強度越大[11-12],破壞孔隙結構所需的結晶應力也將隨之增大[13]。鹽漬土凍結過程中會產生鹽溶冰,強度將大幅提高,且溫度越低強度越高[14]。低圍壓下,凍結粗粒鹽漬土的剪切強度會隨圍壓的增加而增大,剪切強度隨圍壓的增大而減小,還會表現出應變硬化的延性行為[15-17]。凍結含鹽粉砂的抗剪強度和初始階段的彈性模量會隨著硫酸鈉含量的變化而變化[18]。

現有研究和規范中大多表明,粗粒土中細粒土含量越低,其鹽凍脹敏感性越低,然而細粒土含量不足卻會導致路基基床不易壓實[19],同時,也有學者認為含水率對鹽凍脹的影響要遠大于細粒土含量[20]。為了探究含泥量對砂類硫酸鹽漬土鹽凍脹的影響以及結晶鹽相變帶來的力學性質的差異,針對不同細粒土含量的砂類土,在1%和3%(質量分數,下同)含鹽量單向凍結鹽脹試驗的基礎上,選取了細粒土含量為5%、15%、30%和40%的砂樣進行了常溫、低溫三軸試驗,得到了含泥量對砂類硫酸鹽漬土鹽凍脹和力學特性的影響規律,結合微觀試驗結果分析了其影響機制,并根據試驗結果為路基填料的選擇提供了一些參考建議。

1 試驗砂樣及基本工程特性

試驗用土有砂土和黃土,砂土為西安灃河河沙,其主要礦物為石英和長石;細粒土為西安長安區的天然黃土,主要礦物成分為石英、長石和云母。對砂樣進行清洗、烘干和篩分,除去無機鹽、腐殖質等雜質后裝袋備用,然后依據TB 10001—2016《鐵路路基設計規范》中A、B、C這3組填料配土并命名,細粒土含量分別設置為0、1%、3%、5%、10%、15%、30%、40%、50%,依次編號為T-0、T-1、T-3、T-5、T-10、T-15、T-30、T-40、T-50,具體的砂樣粒徑級配曲線如圖1所示。

圖1 砂樣粒徑級配曲線Figure 1 Grain size grading curve of sand

對不同級配的砂樣進行重型擊實試驗,獲取其最佳含水率和最大干密度,試驗結果見表1。隨著細粒土含量的增大,砂樣的最佳含水率先增大,然后持續大幅減小,當細粒土含量大于30%后再次緩慢增大;隨著細粒土含量的增大,試驗砂樣的最大干密度先顯著上升而后緩慢降低。

表1 試驗砂樣壓實指標Table 1 Test sand compaction index

2 試驗方案設計

2.1 室內鹽脹試驗

本試驗為單向凍結室內鹽脹試驗。試驗采用自制的低溫試驗箱,箱體側面和頂面環繞有制冷管,制冷管與低溫恒溫槽連接,通過管內液體循環實現溫度控制,溫度可調控范圍為35～-30 ℃,自制低溫試驗箱示意圖如圖2所示。低溫試驗箱內安放盛裝砂樣的無蓋圓柱形鋼筒,鋼筒內徑為150 mm,可盛裝砂樣高250 mm,能有效避免尺寸效應的影響。當鋼筒中填土高度達到125 mm時在截面中心埋入溫度傳感器,通過數據采集儀實時監測砂樣內部溫度。

圖2 自制低溫試驗箱Figure 2 Self-made low temperature test chamber

試驗選用T-0、T-1、T-3、T-5、T-10、T-15、T-30、T-40、T-50共9組級配砂樣,依據GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》選取中鹽漬土(0.3%～2.0%含鹽量)和強鹽漬土(2.0%～5.0%含鹽量)含鹽范圍進行試驗,每組級配分別配制含鹽量1%和3%兩個試樣,共18個試樣?？刂泼拷M砂樣的含水率為最佳含水率,悶料后分層壓實,其壓實度為93%。有研究表明,硫酸鹽漬土的主要鹽脹溫度為13 ℃～-4 ℃[21]。因此將試驗的降溫梯度設置為25 ℃→20 ℃→15 ℃→10 ℃→5 ℃→0 ℃→-5 ℃→-10 ℃→-15 ℃,降溫至每級溫度梯度后穩定1 h,溫度降至-15 ℃后,恒溫保持8 h至變形穩定。

2.2 常溫、低溫三軸試驗

細粒土的摻入會對砂土的土體結構產生影響,此外,鹽脹過程中生成的鹽晶會對土體強度產生顯著的影響。為了探究細粒土含量對砂類硫酸鹽漬土力學特性的影響規律,選取了T-5、T-15、T-30和T-40級配砂樣開展了常溫、低溫三軸剪切試驗,具體的試驗方案如表2所示。為避免尺寸效應影響,試樣尺寸選擇50 mm(d)×100 mm(h)。參考MT/T 593—2011《人工凍土物理力學性能試驗》等規范要求,低溫三軸剪切試驗的試驗溫度取-10 ℃,剪切速率取1 mm/min,常溫三軸試驗的剪切速率取0.012 mm/min。

表2 三軸試驗方案Table 2 Triaxial test scheme

試驗中首先將烘干后的各粒組按相應的級配混合,按最優含水率配制成試驗砂樣,然后將配制好的砂樣在密封袋中悶料24 h后分3層壓制試樣。常溫三軸試樣需采用水頭飽和法進行飽和,進行低溫三軸試驗的試樣成樣后直接進行快速凍結,然后裝入密封袋中在-10 ℃下恒溫養護24～48 h后用于試驗加載。

3 鹽脹特性分析

3.1 溫度變化特征分析

根據試驗結果繪制不同含鹽量砂樣凍結過程的溫度時程曲線,如圖3所示。該單向凍結過程可分為4個階段：快速降溫段、過冷段、穩定段和繼續下降段。 ①快速降溫段,隨著砂樣與外界環境的熱交換,砂樣溫度隨時間逐漸降低。 ②過冷段,水結冰分為成核和生長兩個過程：水過冷時可以形成小冰核,當某個小冰核偶然達到臨界尺寸,形成臨界冰核;然后臨界冰核會自發快速生長致水成冰。冰水相變過程中伴隨著潛熱的釋放,試樣溫度開始逐步回升。 ③穩定段,冰水相變放熱與砂樣向環境中散發的熱量形成動態平衡,溫度維持在恒定狀態。 ④繼續下降段,當砂樣中大部分的自由水結冰后,動態平衡被打破,砂樣繼續向環境釋放熱量,溫度繼續降低。

由圖3可知,1%、3%含鹽量砂樣均存在著過冷段,但3%含鹽量砂樣的過冷度(過冷溫度與凍結溫度的差值)較小。這是由于含鹽量較高時,前期降溫過程中生成了大量結晶鹽分布于土顆粒表面,使得土顆粒與冰晶的接觸角減小[22]。結合圖4可知,試驗砂樣的凍結溫度在-0.7～-0.1 ℃之內,凍結溫度的變化總體上較小。這是由于所有砂樣計算孔隙溶液濃度均高于硫酸鹽溶液0 ℃時的飽和濃度,在0 ℃之上均會由于過飽和而產生鹽結晶,凍結時各砂樣孔隙溶液濃度接近該溫度下的飽和濃度,故本試驗中凍結溫度受孔隙溶液初始濃度的影響較小。含鹽量較高時,快速降溫段生成的鹽結晶量越多,結晶消耗的水分越多;同時細粒土含量較高時,含水率較低且束縛水含量增多,含水率較低時,砂類土的凍結溫度隨含水率的降低而降低[8],故3%含鹽量砂樣的凍結溫度變化相對1%的較大,且細粒土含量較高時,凍結溫度相對較低。

圖3 溫度時程曲線Figure 3 Temperature-time history curve

圖4 各級配砂樣的凍結溫度Figure 4 Freezing temperature of sand samples at different gradation

據圖3可知,含鹽量相同時,低細粒土含量(<30%)砂樣的穩定段維持時長明顯高于高細粒土砂樣。該差異與砂樣中自由水的含量密切相關：一方面細粒土含量高于30%后砂樣的試驗含水率大幅降低;另一方面,細粒土較大的比表面積使得細粒土表面束縛水含量較高。細粒土含量相同時,1%含鹽量砂樣的穩定段維持時長高于3%含鹽量砂樣。這可能是由于3%含鹽量砂樣在凍結溫度之上消耗了更多的自由水,冰水相變過程中砂樣中剩余的自由水含量相對較少。上述差異表明,細粒土含量和含鹽量可以通過影響不同階段土體內部自由水相對含量來改變凍結過程中鹽凍脹的占比。

3.2 變形特征分析

圖5是不同含鹽量的不同級配砂樣的鹽凍脹率隨溫度的變化曲線。含鹽量為1%時,高細粒土含量(≥30%)砂樣的起脹溫度為4～9 ℃,而低細粒土含量砂樣的起脹溫度在0 ℃附近;3%含鹽量砂樣的起脹溫度為20～23 ℃。對于1%含鹽量的砂樣,降溫至較低溫度時孔隙溶液濃度才能達到飽和,起脹溫度相對3%含鹽量砂樣較低。此外,由于細粒土填充了粗顆粒之間的孔隙,減少了吸收鹽脹變形的空間,使得高細粒土含量砂樣起脹溫度高于低細粒土含量砂樣。

圖5 鹽脹率隨溫度的變化曲線Figure 5 Curve of salt expansion rate with different temperature

根據起脹溫度和凍結溫度可以將砂樣的鹽凍脹過程劃分為以下4個階段：略微下陷段、逐步膨脹段、快速膨脹段和變形穩定段。結合圖6可知,1%含鹽量砂樣在細粒土含量較低時,變形以快速膨脹段的鹽凍脹為主,凍結溫度之上生成的鹽結晶被土骨架間的孔隙吸收,未能表現出宏觀的鹽脹;當細粒土含量大于30%時,大量的細粒土填充了土骨架間的大部分孔隙,使得砂樣在前期的凍結過程中表現出了相對顯著的鹽脹變形。對于3%含鹽量的砂樣,逐步膨脹段的鹽脹變形占了總變形的大部分,一方面是由于含鹽量較高,凍結溫度之上產生了較多的鹽結晶,另一方面是初期鹽脹快速發展消耗了過多的自由水,冰水相變過程中剩余的自由水有限;隨著細粒土含量的增大,逐步膨脹段變形占比總體上呈增長趨勢。

另外,由圖6可知,高細粒土砂樣的快速膨脹段變形占比較小,這與此時砂樣較低的含水率有顯著的關系;細粒土含量較高時,1%含鹽量和3%含鹽量砂樣的總變形率差異較為顯著,主要是凍結溫度之上的鹽脹變形差異大。這是由于較多的細粒土填充了土骨架間大部分孔隙,使得不同含鹽量砂樣的鹽脹差異在宏觀上充分表現出來。

如圖7所示,隨著細粒土含量的增加,不同含鹽量砂樣的總變形均表現出先增大后減少再增大的趨勢,與砂樣最優含水率的變化規律基本一致。另外,細粒土含量從0上升至30%時屬于B組填料,細粒土含量在30%～50%時屬于C組填料。各級配砂樣變形率的離散程度較大,1%含鹽量時,最大變形率為1.576%,最小變形率為0.292%,前者是后者的5.4倍;3%含鹽量時,最大變形率為2.4%,最小變形率為1.0%,前者是后者的2.4倍。結合實際工程填料的選擇,選用B組砂類硫酸鹽漬土作為路基填料,當含鹽量較高時,應當嚴格控制細粒土的摻量,細粒土的含量不宜超過5%,否則會產生較大的鹽凍脹變形;當含鹽量較低時,應當避免細粒土含量為5%～20%的級配,同時考慮到粗粒土中細粒含量越低越不易壓實,為了獲得較好的壓實效果,可優先選擇細粒土含量在30%附近的級配。含鹽量較高地區,應當禁止使用細粒土含量大于30%的級配。本文試驗結果僅對工程建設提供一定的參考和建議,實際工程建設中還需結合實際情況深入分析后選用。

3.3 微觀孔隙結構特征分析

為了解不同級配砂類土的微觀孔隙結構特征,選取T-15、T-40和T-50的試樣進行了SEM試驗,利用掃描電鏡獲取的圖像來計算試樣的表觀孔隙率?；叶鹊腟EM圖像不能直接用于計算,需要利用Adobe Photoshop軟件對圖像進行預處理：對圖像進行增強、除噪和二值化轉化為黑白圖像;孔隙和土顆粒分別用黑色和白色像素表示。砂樣的表觀孔隙率通過計算二值圖中黑色像素個數與總像素個數之比得到。

利用SEM圖像進行表觀孔隙率計算時,閾值選擇不當可能會帶來較大的誤差,參考文獻[23],根據每個SEM圖像特點選取3個閾值(80～100)進行計算,通過Python編程實現表觀孔隙率計算,求3個閾值結果的平均值得到最終的表觀孔隙率如表3所示。結果表明,隨著細粒土含量的增多,土體中粗顆粒間的孔隙被大量填充導致表觀孔隙率降低,但當細粒土含量增大到一定范圍時,表觀孔隙率開始回升。

表3 表觀孔隙率計算表Table 3 Apparent porosity calculation table

4 力學特性分析

4.1 常溫下三軸試驗結果分析

圖8為不同級配砂樣的應力-應變曲線,據圖8可知,T-15試樣的應力-應變曲線為典型的應變軟化型,曲線的發展趨勢大致可分為初始線彈性階段、非線性硬化階段和軟化階段;T-5和T-30試樣的應力-應變曲線為應變硬化型,曲線的發展趨勢可大致分為彈性變形階段、塑性屈服階段和塑性破壞階段。

圖8 不同級配砂樣的應力-應變曲線Figure 8 Stress-strain curves of sand samples with different gradation

根據圖8確定各砂樣的破壞應力,然后繪制破壞應力隨細粒土含量變化曲線,如圖9所示。在不同圍壓和含鹽量條件下,隨著細粒土摻量的增多破壞應力均表現出先增大后減小的趨勢,細粒土含量15%時,砂樣的破壞應力最大,另外,3%含鹽量砂樣的破壞應力高于1%含鹽量的砂樣。砂類土的抗剪強度主要依賴于砂粒間的咬合摩擦,當細粒土含量較低時,細粒土通過填充顆粒間的孔隙使得砂顆粒間的咬合嵌固作用更強,砂土的摩擦強度隨之增加;當細粒土摻量超過界限值時,大量細粒土分布在粗顆粒之間,起到潤滑作用,使得砂樣的抗剪強度降低。

隨著圍壓的增大,土顆粒被擠壓得更加密實,顆粒之間產生的摩擦力更大。分析數據發現,隨著圍壓的增大,破壞應力近似線性增長。采用線性莫爾-庫倫準則求得各砂樣的抗剪強度參數,計算結果見表4。由黏聚力和內摩擦角的范圍可知,3種級配砂土的抗剪強度主要以顆粒間的摩擦為主,且隨著細粒含量的增加,內摩擦角呈先增大后減小的趨勢,細粒土含量15%砂樣的內摩擦角最大。

圖9 各砂樣破壞應力隨細粒土含量的變化Figure 9 Failure stress of each sand sample with the increase of fine-grained soil content

表4 砂樣的強度參數Table 4 Strength parameter of soil sample

4.2 凍結砂土的力學特性

圖10展示了凍結砂土的典型破壞形態。由圖10可見凍結砂土呈壓剪破壞,根據剪切帶的特點可分為以下3種典型破壞形態：①整體剪壞破壞,隨著軸向應變的增加,試樣逐漸被壓縮并出現一定的鼓腰變形,同時伴隨著裂紋的發展;軸向應變繼續發展,剪切帶大量裂紋開始貫通形成軸向貫穿的斜裂縫。②局部剪切破壞,在試樣局部出現一條較長的斜裂紋帶,隨著斜裂紋的貫穿發生破壞。③鼓脹剪切破壞,試樣首先會出現鼓脹變形,隨著變形的發展,在鼓脹區域形成交錯的斜裂紋將試樣分割破壞形成許多小區域。

圖10 凍結砂土的典型破壞形態Figure 10 Typical failure pattern of frozen sand

圖11為不同圍壓條件下凍結砂土的應力-應變曲線。與常溫條件下的試驗結果相比,凍結后砂樣的強度有了數量級的增長。這是由于在凍結過程中,隨著砂樣中鹽溶液相變為鹽溶冰,土體結構由之前的“土骨架結構”轉化為了“土-鹽-冰骨架結構”,這種復合骨架結構提高了砂樣的整體性,更有利于承受荷載。在本試驗圍壓條件下,凍結后砂樣的應力-應變曲線整體上為應變軟化型,軸向應力在達到峰值后隨著應變的增大快速降低,表現出明顯的脆性破壞特征。這是因為土顆粒間的鹽溶冰在荷載作用下破碎,隨后試樣內裂縫快速發展導致土體強度迅速降低。隨著圍壓的增大,凍結砂樣的破壞應力隨之增大。這是由于當圍壓增大后,試樣變形受到的側向約束增大,土體中微裂隙的發展受到限制,整體性增強,承受荷載能力得以提高。

圖11 不同圍壓條件下凍結砂土的應力-應變曲線Figure 11 Stress-strain curves of frozen sand under different confining pressures

根據圖11應力-應變曲線確定各砂樣的破壞應力,繪制凍結砂土的破壞應力隨細粒土含量的變化曲線,如圖12所示。凍結砂土的破壞應力隨細粒土含量的變化趨勢與常溫下砂土破壞應力的變化趨勢一致,均呈現先增大后減小的趨勢。隨著細粒土含量的增加,細粒土填充了顆粒間的孔隙,密實度更大,在鹽溶冰的聯結作用下土體骨架結構更加穩定;但當細粒土含量超過界限值時,大量細粒土分布在砂粒之間,其抗剪強度會減小。

圖12 凍結砂土的破壞應力隨細粒土含量的變化Figure 12 Failure stress of frozen sand with the increase of fine-grained soil content

圖13為細粒土含量5%砂樣的破壞應力隨含鹽量的變化曲線。由圖13可知,隨著含鹽量的增加,砂樣的破壞應力呈先減小后增大的趨勢,這種趨勢與相對溫度密切相關。相對溫度即試驗溫度與凍結溫度的差值,在一定范圍內,隨著砂樣中含鹽量的增加,凍結溫度會降低,同一試驗溫度下,含鹽量高的砂樣鹽溶冰強度相對較低,鹽溶冰對土顆粒之間的相互聯結作用較弱。因此,在含鹽量較低時,隨著含鹽量的增大,砂樣的抗剪強度變低。由于飽和濃度的存在,含鹽量對凍結溫度影響存在一定的局限性,當砂樣在凍結溫度以上達到過飽和狀態時,硫酸鈉晶體會先于冰晶生成,溫度降低至凍結溫度時,砂樣的含鹽濃度趨向于該溫度下的飽和濃度,砂樣的凍結溫度便穩定在一定區間。3%含鹽量砂樣與1%含鹽量砂樣相比,凍結后硫酸鈉晶體的含量高,鹽晶與土顆粒的結合強度變高。因此,當含鹽量超過一定范圍時,含鹽量越高,凍結鹽漬土的抗剪強度越高。

圖13 T-5砂樣的破壞應力隨含鹽量的變化Figure 13 Failure stress of T-5 sand sample with the increase of salt content

5 結論

本文通過控制細粒土含量和含鹽量,對砂類硫酸鹽漬土開展了單向凍結鹽脹試驗和常溫、低溫條件下的三軸試驗,并結合微觀試驗結果對其鹽脹和力學特性進行了探討,得出了以下結論。

(1)本試驗條件下,不同級配砂類硫酸鹽漬土的凍結溫度為-0.7～-0.1 ℃,當砂樣孔隙溶液濃度在凍結溫度之上達到飽和狀態時,鹽結晶將先于冰晶生成,當達到凍結溫度時,孔隙溶液濃度將接近該溫度下的飽和濃度。

(2)細粒土含量和含鹽量對鹽凍脹發展趨勢有顯著影響。含鹽量1%時,低細粒土砂樣的起脹溫度在0 ℃附近;由于細粒土對粗顆粒間孔隙的填充作用,高細粒土砂樣的起脹溫度高于低細粒土砂樣,其值為4～9 ℃。3%含鹽量的砂樣由于在較高溫度下便達到過飽和狀態,起脹溫度在20～23 ℃之內。

(3)含鹽量和細粒土含量會影響砂樣中自由水相對含量和孔隙結構特征,從而對鹽凍脹占比產生顯著影響。3%含鹽量砂樣的前期鹽脹變形占比遠高于1%含鹽量砂樣;對于1%含鹽量砂樣,細粒土含量高于30%時鹽脹占比較大。

(4)隨著細粒土摻量的增加,砂類硫酸鹽漬土的抗剪強度表現出先增大后減小的趨勢。較低含量的細粒土能起到填充孔隙、增強摩擦的作用,而高于界限值后將起到潤滑作用,本試驗中細粒土含量在15%時砂樣的抗剪強度最大。

(5)凍結后砂樣由之前的“土骨架結構”轉化為“土-鹽-冰骨架結構”,抗剪強度大幅提高,并表現出明顯的脆性破壞特征。此外,隨著含鹽量的增加,砂樣的破壞應力呈先減小后增大的趨勢。