新疆某地區(qū)天然強氯鹽漬土的鹽—凍脹力規(guī)律研究

那 姝 姝

(新疆華宇建科工程勘察設(shè)計有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

1 概述

土具有三相性，是由氣相、液相、固相三部分組成。鹽漬土是巖土中易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性的土[1]。鹽漬土的液相中含有易溶鹽，其固相除土粒外有鹽晶體的存在，鹽漬土在外部環(huán)境發(fā)生變化時，鹽漬土中的易溶鹽和鹽晶體即鹽漬土部分液、固相之間會相互轉(zhuǎn)換，這就是造成鹽漬土與非鹽漬土的液相和固相不同的主要原因，引起鹽漬土和非鹽漬土不同的工程特性。

目前對鹽漬土的研究較多，但對鹽漬土鹽—凍脹力的研究較少。工程中對膨脹壓力引起的變形較為關(guān)注，由于建筑物對地基土的變形較敏感，如果膨脹變形過大，就會引起建(構(gòu))筑物的地基或上部結(jié)構(gòu)的損壞。自然條件下隨季節(jié)的交替變化，鹽漬土中部分液、固相之間會互相轉(zhuǎn)化，會發(fā)生鹽—凍脹現(xiàn)象，這將可能會造成鹽漬土地區(qū)的建筑物地基或上部結(jié)構(gòu)破壞，所以在鹽漬土地區(qū)的建筑物在建設(shè)時應(yīng)全面考慮鹽—凍脹力可能對建筑物造成的影響。因此對鹽漬土的鹽—凍脹力進行相關(guān)的試驗研究，以發(fā)現(xiàn)鹽—凍脹力的規(guī)律，這會對存在鹽漬土的地區(qū)建設(shè)具有重要意義。

鹽—凍脹力的常規(guī)試驗方法有兩種，第一種在外界溫度變化條件下使土樣體積膨脹，膨脹結(jié)束后施加壓力使其體積恢復(fù)原狀，從而推出膨脹體積的鹽—凍脹力。這類試驗的主要優(yōu)點是儀器設(shè)備和試驗方法比較簡單、易實施。第二種是在外界溫度變化條件時，保證土樣的體積不變，測定維持土樣體積不變需要的力，從而得出鹽—凍脹力。這種試驗方法所需特定的儀器設(shè)備，試驗過程中不易控制，因此本文采用第一種試驗方法進行試驗研究。

2 鹽漬土鹽—凍脹力試驗

試驗選用新疆某地區(qū)的天然強氯鹽漬土作為試驗研究對象，考慮了不同含水率和不同干密度對鹽漬土鹽—凍脹力的影響，試驗條件選用不相同含水率和不相同干密度。選鹽漬土含水率為10%,13%和16%，3種不同含水率；干密度為1.46 g/cm3,1.56 g/cm3,1.66 g/cm3，3種不相同的土試樣干密度進行試驗。

2.1 試樣的制備

試驗材料選用新疆某地區(qū)的天然強氯鹽漬土，土試樣采用深度1.0 m～1.5 m，總含鹽量5.7%的天然鹽漬土。土樣為細粒土，主要成分以粉土為主，土體顆粒粒徑均勻，經(jīng)室內(nèi)土工擊實試驗得到本次采用的天然鹽漬土的最優(yōu)含水率和最大干密度分別為13.0%和1.89 g/cm3。

制備試驗時選用碾碎的自然風(fēng)干鹽漬土和無離子蒸餾水，制備不同含水量的土備用。在實驗室的室溫(20 ℃)將水加入風(fēng)干土充分攪拌均勻之后將土裝進塑料袋密閉24 h。待水、土充分完全接觸后，將土平分三次擊實到試驗用的環(huán)刀中(土試樣制備的過程中須做到密度的一致性)，以達到土試樣所需的干密度。

將制備好的土樣放置在外界室溫下冷凍土試樣12 h，拿回恒溫25 ℃實驗室融化12 h，進行凍融循環(huán)試驗。

2.2 試驗的方法

在土樣測試儀器中按次序放入透水石、塑料紙、護環(huán)、環(huán)刀、量力環(huán)、有機玻璃板、百分表。在試驗過程中為使玻璃板能與百分表有良好接觸，避免在試驗中因為降溫產(chǎn)生的霜可能對試驗造成大的誤差，在試驗開始前在量力環(huán)和玻璃板的側(cè)壁以及百分表的推桿側(cè)壁涂一薄層潤滑油后，開始土樣的凍融循環(huán)試驗。

3 結(jié)論

3.1 相同含水量不同初始干密度下累加鹽—凍脹力與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

土試驗在相同的含水量時不相同干密度的土試樣，其累加的鹽—凍脹力會隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律見圖1～圖3，由圖1～圖3可看出，土試樣在相同含水量時土試樣的累加鹽—凍脹力會伴隨干密度的增加而增加，同一個土試樣的鹽—凍脹力會隨凍融次數(shù)的增加而增加。

土樣在室外進行冷凍時，土體中的水分隨溫度的降低會發(fā)生凍脹現(xiàn)象，土體中的易溶鹽溶液發(fā)生鹽脹現(xiàn)象。發(fā)生鹽—凍脹時，Na2SO4·10H2O結(jié)晶體充填于土粒接觸間及土樣孔隙中使土體體積膨脹。由孔隙比公式可知，干密度大的土樣孔隙率小，容納Na2SO4·10H2O結(jié)晶體的空間小，鹽—凍脹力大。

在土樣的凍融循環(huán)試驗過程中，溫度降低使土樣產(chǎn)生鹽—凍脹變形，此時，處于孔隙和土粒接觸間的Na2SO4溶液隨溫度的降低Na2SO4吸水結(jié)晶膨脹，使土顆粒之間發(fā)生相對位移，土樣干密度降低。土樣在升溫的過程中，在土樣中主要處于土顆粒接觸間和小孔隙中起骨架作用的硫酸鈉結(jié)晶體和冰由固相變成了液相，土樣融化下沉體積減小，但是土樣體積會有殘余變形；而能膨脹土樣但在土體中主要位于較大孔隙中起不到骨架作用的Na2SO4·10H2O和冰溶于孔隙中，土樣在融化時不會產(chǎn)生沉降，使土樣體積存在殘余變形。

由上述可知，土試樣在凍融循環(huán)的過程中存在殘余變形，這就使得土試樣的累加鹽—凍脹量會隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷增加，累加鹽—凍脹力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。

3.2 不同初始含水率下累加鹽—凍脹力與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

不同含水率下土樣的累加鹽—凍脹力隨凍融次數(shù)變化的規(guī)律見圖4～圖6，從圖4～圖6中可以得到，土樣在同一干密度條件下，隨含水率的變化累加鹽—凍脹力呈現(xiàn)出拋物線的規(guī)律。當(dāng)土試樣的含水量小于最優(yōu)含水率(13%)時，土試樣的累加鹽—凍脹力會隨含水量的增大而增大；當(dāng)土試樣的含水量率大于最優(yōu)含水率(13%)時，隨含水量的增多土試樣的累加鹽—凍脹力減??；當(dāng)含水量貼近最優(yōu)含水率時土試樣有最大的累加鹽—凍脹力。

土樣在凍融循環(huán)時，含水率較小的土樣由于土顆粒之間的粘聚力、內(nèi)摩擦力、土顆粒引力較大，制約土樣體積膨脹，大部分Na2SO4·10H2O結(jié)晶體充填于孔隙間，隨著含水率的減小土樣的鹽—凍脹力減小；隨含水率的逐漸增加，土顆粒之間由于水的潤滑作用，使土樣的粘聚力、內(nèi)摩擦力減小，另外，含水率的增大造成土粒周圍的弱結(jié)合水增加、水膜增厚、土顆粒之間的引力減小，使得土顆粒之間容易產(chǎn)生相對位移，對土樣鹽—凍脹的制約作用減小，所以土體鹽—凍脹力增加。

隨著土樣的含水量再次增加，土試樣中自由水和毛細水的含量增加，這使得土體的孔隙溶液中Na2SO4含量增加，土粒接觸間的Na2SO4含量減小。同一干密度的土樣隨含水率的增大、溫度的降低，孔隙間Na2SO4·10H2O結(jié)晶含量增加，而土粒接觸之間的Na2SO4·10H2O結(jié)晶含量減小。我們知道土樣孔隙間吸收Na2SO4·10H2O結(jié)晶的能力比土粒接觸之間吸收Na2SO4結(jié)晶的能力強的多，所以隨含水率的增加土樣的鹽—凍脹量減小，鹽—凍脹力減小。

土試樣中的溶液處于孔隙中和土粒接觸間，處于土粒接觸間的鹽溶液是土體產(chǎn)生鹽—凍脹力的主要組成部分。當(dāng)土試樣的含水率在最優(yōu)含水率附近時，土樣中的鹽溶液主要處于土粒接觸之間，與此同時，土顆粒之間的粘聚力、內(nèi)摩阻力及土粒間引力較小，所以含水量為最優(yōu)含水率的土試樣在凍融循環(huán)時其累加鹽—凍脹力最大。

綜上，土試樣在不同含水量時土試樣的鹽—凍脹力是由鹽漬土中含鹽溶液存在位置(土粒接觸間和孔隙間)、土粘聚力、內(nèi)摩擦力及土粒間引力等綜合作用的結(jié)果。

4 結(jié)語

通過對天然強氯鹽漬土鹽—凍脹力的研究，可得到以下結(jié)論：

1)土試樣在經(jīng)歷凍融循環(huán)的過程中，土試樣的累加鹽—凍脹力會伴隨凍融次數(shù)的遞增逐漸增大。

2)土試樣在相同干密度試驗條件下，土試樣的含水量為最優(yōu)含水率時，其累加鹽—凍脹力會達到峰值；當(dāng)土試樣含水量較小時，土試樣的累加鹽—凍脹力會隨含水量的增大而增大；當(dāng)含水量超出土試樣的最優(yōu)含水率后，其累加鹽—凍脹力會隨含水量的增大而減小。

3)土試樣在相同的含水量的試驗條件下，隨土試樣干密度的增大土試樣的累加鹽—凍脹力增大；相同含水量不同干密度的土試樣，累加鹽—凍脹率相差很小。

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