盧佩霞徐永福陳志明金明東

(1.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225127;2.上海交通大學(xué)土木工程系,上海 200240; 3.南通市公路管理處,江蘇南通 226001)

吹填海砂溶陷變形試驗(yàn)

盧佩霞1,徐永福2,陳志明3,金明東3

(1.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225127;2.上海交通大學(xué)土木工程系,上海 200240; 3.南通市公路管理處,江蘇南通 226001)

以江蘇省啟東吹填海砂為研究對象,采用固結(jié)儀測量吹填海砂的溶陷變形情況。測得啟東吹填海砂的溶陷系數(shù)為1.1%,低于高等級(jí)公路路基填料溶陷系數(shù)小于1.5%的標(biāo)準(zhǔn)要求,可以用于路基填料。對啟東吹填海砂摻加NaCl,人工配制成不同含鹽量的試樣,研究含鹽量和壓力對溶陷系數(shù)的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著含鹽量增加,溶陷系數(shù)增加;壓力為200 kPa時(shí)溶陷系數(shù)最大。

吹填海砂;鹽漬土;溶陷系數(shù);路基填料

吹填海砂含有可溶性鹽,主要為氯化鈉鹽?？扇苄喳}溶解后海砂會(huì)產(chǎn)生2種溶陷變形[1]:(a)在靜水條件下的溶陷變形,即土中的鹽顆粒被溶解后孔隙增多,受外力或自重作用,導(dǎo)致土結(jié)構(gòu)破壞,產(chǎn)生溶陷變形; (b)潛蝕變形,即細(xì)小鹽顆粒被滲流帶走形成潛蝕變形。

鹽漬土的溶陷變形用溶陷系數(shù)表示。Jennings等提出用雙線法測量鹽漬土的溶陷系數(shù),即采用2個(gè)相同的鹽漬土試樣進(jìn)行逐級(jí)加載壓縮試驗(yàn),一個(gè)不加水保持初始含水率,另一個(gè)為浸水溶液條件。根據(jù)雙線法測得的溶陷系數(shù),0～1%時(shí)鹽漬土溶陷等級(jí)為不溶陷;1%～5%時(shí)為弱溶陷;5%～10%時(shí)為中等溶陷;10%～20%時(shí)為強(qiáng)溶陷;大于20%時(shí)為超強(qiáng)溶陷[1]。

《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[2]中給出單線法測量溶陷變形的方法:試樣安裝好后,先預(yù)加1 kPa的壓力,使固結(jié)儀各部密切接觸,安裝好百分表,調(diào)整讀數(shù)至零。去掉預(yù)加壓力,逐級(jí)加載,加荷等級(jí)為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa;同時(shí)開動(dòng)秒表,按10 min、20 min、30 min,以后每1 h讀1次數(shù),直到沉降穩(wěn)定。在壓力為200 kPa下沉降穩(wěn)定后,自試樣頂部加水至沉降穩(wěn)定,繼續(xù)按50 kPa的加壓間隔加壓至400 kPa。

200 kPa壓力下浸水前后試樣的高度變化量與初始高度的百分比即為溶陷系數(shù):

式中:δ——溶陷系數(shù);Δh——浸水與不浸水試樣高度之差;h0——試樣的初始高度。將鹽漬土δ＜1.5%作為高速公路和一級(jí)公路路基填料的溶陷性控制要求。

有關(guān)鹽漬土溶陷特性的研究成果很多,張洪萍等[3]認(rèn)為鹽漬土不同壓力對應(yīng)的溶陷系數(shù)存在峰值,溶陷系數(shù)和峰值溶陷壓力隨含水率增大而減小。宋通海[4]指出:隨著初始含水率的增大,氯鹽漬土的溶陷系數(shù)減小,峰值溶陷壓力和峰值溶陷系數(shù)減小;在壓力增加到一定值時(shí),溶陷系數(shù)隨著含鹽量的增加而增大,隨著含水率的增大而減小。李永紅等[5]的試驗(yàn)結(jié)果表明:鹽漬土的溶陷系數(shù)隨著浸水壓力的升高而增大,但當(dāng)壓力大于200 kPa時(shí),溶陷系數(shù)對浸水壓力的敏感性變小。程?hào)|幸等[6]研究了粗顆粒鹽漬土的溶陷特性,認(rèn)為粗顆粒鹽漬土的溶陷本質(zhì)不僅是由于含鹽量和含水率的存在,粗顆粒含量、密實(shí)性和滲透系數(shù)等都是影響地基土溶陷特性的重要因素。含鹽量和豎向壓力是影響吹填海砂溶陷特性的主要因素,但總體來說對吹填海砂溶陷特性的研究成果較少。本文通過室內(nèi)試驗(yàn)測量啟東吹填海砂的溶陷變形情況,評(píng)判啟東吹填海砂用作路基填料的可行性;通過人工配制不同含鹽量的海砂試樣,探討含鹽量和豎向壓力對吹填海砂溶陷變形的影響。

1 吹填海砂的基本特性

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[2]進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn),啟東吹填海砂的顆粒分析結(jié)果如圖1所示,取樣日期分別為2011年5月16日和2012年4月22日。從圖1可以看出,啟東吹填海砂粒徑大于0.074 mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過50%,屬于細(xì)粒土。

啟東吹填海砂的液限wL為26%～37%,塑限wp為17%～27%,塑性指數(shù)Ip不超過10。啟東吹填海砂在塑性圖上的分布如圖2所示,主要落在塑性圖中細(xì)砂與土的混合帶上,結(jié)合圖1將其定名為細(xì)砂質(zhì)粉土。

圖1 吹填海砂顆粒分布Fig.1 Grain-size distribution of dredger fill sea sand

圖2 吹填海砂塑性圖Fig.2 Plasticity chart of dredger fill sea sand

吹填海砂的易溶鹽總含量測定按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[2]操作,其中易溶鹽總量測定采用質(zhì)量法,易溶鹽氯離子測定采用硝酸銀滴定法,易溶鹽硫酸根離子測定采用質(zhì)量法。啟東吹填海砂含鹽成分主要是氯化物,易溶鹽總量基本小于1%;氯離子與硫酸根離子濃度之比大于2,一般為5～8。根據(jù)易溶鹽總量、氯離子和硫酸根離子的測定結(jié)果,對照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[7],啟東吹填海砂是典型的氯鹽漬土,等級(jí)為弱鹽漬土,如圖3所示。

2 溶陷變形試驗(yàn)步驟

圖3 吹填海砂的鹽漬土等級(jí)Fig.3 Saline soil grade of dredger fill sea sand

吹填海砂的溶陷試驗(yàn)采用固結(jié)儀完成。單線法的試驗(yàn)步驟如下:根據(jù)指定含水率和干密度制作試樣,在設(shè)定的豎向壓力下加載,1 h內(nèi)試樣高度變化在0.01 mm內(nèi),則認(rèn)為溶陷變形穩(wěn)定。在壓力為200 kPa下,待溶陷變形穩(wěn)定后,維持豎向壓力不變,向固結(jié)儀內(nèi)注入純凈水淹沒試樣,要確保水足以溶解試樣內(nèi)的可溶鹽。試樣在遇水后會(huì)繼續(xù)壓縮,直到穩(wěn)定,記錄注水前后試樣穩(wěn)定時(shí)的高度,則可計(jì)算出試樣的溶陷系數(shù)。

采用雙線法和單線法測量的啟東吹填海砂溶陷系數(shù)比較見圖4。試樣的含水率為11.8%,干密度為1.40 g/cm3。雙線法和單線法測得的溶陷系數(shù)均為1.1%左右。

圖4 雙線法和單線法測得吹填砂的溶陷系數(shù)比較Fig.4 Comparison between subsidence coefficients measured by different methods

吹填海砂在豎向壓力p=200 kPa作用下的溶陷變形與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖5所示。從圖5可以看出,吹填海砂浸水后溶陷變形十分迅速,浸水2 min內(nèi)溶陷變形完成了56%;60 min內(nèi)溶陷變形完成了95%。含鹽量高的填土?xí)鹇坊芟葑冃?導(dǎo)致路基破壞[8],所以含鹽量高的路基填土需要進(jìn)行改性處理,避免產(chǎn)生路基病害。

圖5 吹填砂溶陷變形與時(shí)間變化關(guān)系Fig.5 Change in subsidence deformation of dredger fill sea sand with time

3 天然吹填海砂的溶陷特性

啟東吹填海砂不同干密度和含水率試樣的溶陷系數(shù)對比見圖6。從圖6可以看出,啟東吹填海砂的溶陷系數(shù)均小于1.5%,可以直接用作路基填料[9]。啟東吹填海砂在固定含水率時(shí),溶陷系數(shù)隨著干密度的增加而減小,其中原因很復(fù)雜,干密度越大,孔隙率越小,在豎向壓力下可壓縮的空間越小,溶陷系數(shù)越小;在固定干密度時(shí),溶陷系數(shù)隨著含水率的增加而增大[10],這是因?yàn)楹试酱?試樣中的含鹽量越多,鹽所占空間和膠結(jié)作用越大,浸水洗鹽后的溶陷變形越大,溶陷系數(shù)越大。

吹填海砂直接用作路基填料不易壓實(shí),現(xiàn)場通常摻加石灰和水泥進(jìn)行加固處理[11],目的是保障碾壓效果和路基的穩(wěn)定性。啟東吹填海砂采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的石灰和4%的水泥加固處理。室內(nèi)控制吹填海砂干密度為1.5 g/cm3,含水率11.8%,固化海砂的溶陷系數(shù)隨齡期變化規(guī)律如圖7所示,海砂的溶陷系數(shù)為0.85%。從圖7可以看出,經(jīng)過石灰和水泥固化處理后,啟東吹填海砂的溶陷變形明顯減小,固化海砂的溶陷性基本消除。相對而言,水泥減小溶陷變形的效果更好。根據(jù)固化海砂溶陷變形的試驗(yàn)結(jié)果,推薦采用水泥加固處理吹填海砂。

圖6 啟東吹填海砂的溶陷系數(shù)Fig.6 Subsidence coefficient of dredger fill sea sand in Qidong City

啟東天然吹填海砂的含鹽量很低,小于1%,所以其不能反映鹽漬土的溶陷變形特性。為了研究鹽漬土的溶陷變形特性,揭示含鹽量對溶陷變形的影響,在室內(nèi)人工配制中鹽漬土和強(qiáng)鹽漬土。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)先對啟東吹填海砂洗鹽,再按照一定的含鹽量人工配置鹽漬土。具體步驟為:

a.按照比例稱取一定量的NaCl分析純試劑,充分溶解于蒸餾水中,制成不飽和鹽溶液。

b.將洗鹽后的海砂放置于105℃烘箱內(nèi)24 h烘干,取出后置于密封盒內(nèi)冷卻。

c.將烘干后的海砂與鹽溶液按指定比例充分混合成泥漿狀,含水率控制在液限附近,以利于砂樣與鹽分充分?jǐn)嚢?、混合和交換吸附?；旌虾玫脑嚇臃胖?d,使鹽在試樣中充分交換及吸附。

圖7 水泥和石灰固化吹填海砂的溶陷系數(shù)隨齡期變化規(guī)律Fig.7 Change in subsidence coefficient of dredger fill sea sand reinforced by cement and lime with age time

d.將試樣在自然狀態(tài)下風(fēng)干,試樣平鋪在托盤內(nèi),并每間隔一段時(shí)間攪拌1次,以防析出的氯化鈉產(chǎn)生表面積聚,確保鹽在試樣內(nèi)均勻結(jié)晶與膠結(jié)。

e.將風(fēng)干后的試樣研磨,拌和均勻,再配置至指定含水率,放置于密封盒內(nèi)約7 d,讓水分與土顆粒、鹽分充分交換吸附。

圖8 人工配制含鹽海砂的溶陷過程Fig.8 Subsidence coefficient of prepared sea sand samples with different salt contents

將人工配制好的含鹽砂制成試樣,采用單線法在固結(jié)儀上進(jìn)行溶陷變形試驗(yàn)。人工配制含鹽砂的含鹽量分別為3%和6%,相當(dāng)于中鹽漬土和強(qiáng)鹽漬土。含鹽試樣的含水率為5%,干密度為1.3 g/cm3(孔隙比e≈1.10)。人工配制鹽漬土的溶陷變形試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示,圖中用孔隙比表示溶陷過程。在浸水溶陷前,試樣變形穩(wěn)定時(shí),6%含鹽量試樣的孔隙比大于含鹽量3%試樣的孔隙比。原因是由于含鹽量為6%的試樣中鹽結(jié)晶要多于含鹽量為3%的試樣,含鹽量6%試樣中鹽起到的骨架和膠結(jié)作用大于含鹽量為3%的鹽漬土。試樣浸水溶陷變形穩(wěn)定后,砂中鹽分充分溶解,在相同豎向壓力下,含鹽量越高,浸水穩(wěn)定后土顆?？紫侗仍叫?。在浸水溶陷前,含鹽量6%鹽漬土的孔隙比大于含鹽量3%的鹽漬土;浸水溶陷穩(wěn)定后,含鹽量6%鹽漬土的孔隙比卻小于含鹽量3%的鹽漬土。從圖8還可以看出,不含鹽的砂的壓縮性質(zhì)與鹽漬土不同,當(dāng)豎向壓力小于200 kPa時(shí),含鹽試樣的孔隙比大于不含鹽的試樣;當(dāng)豎向壓力大于200 kPa時(shí),含鹽試樣的孔隙比小于不含鹽的試樣。在高壓力下,結(jié)晶的固態(tài)鹽被壓碎,減小了試樣的孔隙比。鹽漬土與不含鹽土的溶陷變形表現(xiàn)有較大的區(qū)別,不含鹽的試樣浸水前后孔隙比的變化很小,含鹽土的孔隙比在浸水溶陷前后發(fā)生較大的變化,且含鹽量越大,浸水溶陷前后的孔隙比變化越大[12]。

圖9 人工配制含鹽海砂的溶陷系數(shù)Fig.9 Subsidence process of prepared sea sand samples with different salt contents

含鹽量不同的試樣的溶陷系數(shù)隨壓力的變化規(guī)律見圖9。從圖9可以看出,在相同的豎向壓力作用下,試樣含鹽量越高,溶陷系數(shù)越大。含鹽試樣的溶陷系數(shù)隨著豎向壓力的增大先增大、后減小,豎向壓力p=200 kPa時(shí)的溶陷系數(shù)最大。因此,鹽漬土溶陷系數(shù)的定義就是指豎向壓力p=200 kPa下的溶陷變形,此時(shí)的溶陷系數(shù)最大。鹽漬土的溶陷系數(shù)同時(shí)受到初始孔隙比和含鹽量的制約:當(dāng)鹽漬土的原始結(jié)構(gòu)比較密實(shí)時(shí),即使易溶鹽含量較高,在溶解淋濾后也不會(huì)發(fā)生較大的溶陷變形,即豎向壓力很大時(shí),試樣致密,不容易產(chǎn)生溶陷變形;反之,豎向壓力很小時(shí),即使易溶鹽全部溶解淋濾后,試樣結(jié)構(gòu)沒有被壓垮,溶陷變形也會(huì)很小[13]。從圖9中還可以看出,與鹽漬土相比,不含鹽的試樣其溶陷系數(shù)非常小,且溶陷系數(shù)隨著豎向壓力的增大而略有減小。

4 結(jié) 論

a.啟東天然吹填海砂的含鹽量小于1%,屬于弱鹽漬土,溶陷系數(shù)小于1.5%,屬于弱溶陷性土,可以直接用作路基填料。

b.水泥和石灰常用來加固吹填海砂,經(jīng)過水泥和石灰加固處理后的海砂溶陷系數(shù)明顯減小;水泥的加固效果比石灰的加固效果好。

c.人工配制鹽漬土的溶陷試驗(yàn)結(jié)果表明,含鹽量越大,溶陷系數(shù)越大;鹽漬土的溶陷系數(shù)隨豎向壓力的增大面先增大、后減小,在200 kPa壓力時(shí)溶陷系數(shù)最大。

d.鹽漬土和普通土的溶陷變形規(guī)律不同,鹽漬土的溶陷變形大,普通土的溶陷變形小,且普通土的溶陷系數(shù)隨壓力的增大略有減小。

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Experiment on subsidence deformation of dredger fill sea sand

LU Peixia1,XU Yongfu2,CHEN Zhiming3,JIN Mingdong3
(1.Yangzhou Polytechnic Institute,Yangzhou 225127,China; 2.Department of Civil Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China; 3.Highway Administering Bureau of Nantong City,Nantong 226001,China)

Subsidence deformation of dredger fill sea sand in Qidong City,Jiangsu Province,was studied using a consolidometer.Dredger fill sea sand with a subsidence coefficient of 1.1%,which is less than the subsidence coefficient of the subgrade filling material of a highway,i.e.,1.5%,can be used as the subgrade filling material.Sea sand samples with different salt contents were prepared by adding different quantities of NaCl to investigate the effect of the salt content and pressure on the subsidence coefficient.It was found that the subsidence coefficient increased with the salt content and reached the maximum value when the pressure was 200 kPa.

dredger fill sea sand;saline soil;subsidence coefficient;subgrade filling material

TU47

:A

:1000-1980(2015)03-0261-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2015.03.012

2014-11 12

國家自然科學(xué)基金(41272318,41472251);江蘇省交通運(yùn)輸廳科研課題(2012Y01);2014年江蘇省高級(jí)訪問學(xué)者研究課題(2014FX086)

盧佩霞(1969—),女,江蘇泰興人,副教授,碩士,主要從事道路工程教學(xué)和研究。E-mail:370413518@qq.com