孫安元，吳亞平，蒲增鋼，陳坤，張曉波

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；3. 中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300142)

目前，對于粗顆粒鹽漬土沒有明確的定義，一般認為粗粒質(zhì)量大于總質(zhì)量的 50%且含鹽量在0.3%以上的土體稱為粗顆粒鹽漬土[1]。鹽漬土的溶陷是指浸水土體在荷載的作用下產(chǎn)生的沉陷現(xiàn)象，主要由易溶鹽結(jié)晶的浸水溶解及土體潛蝕變形引起[2?3]。在我國，粗顆粒鹽漬土主要分布在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)密度不高的西部經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，因此其工程特性并未引起充分的重視[4?6]。隨著我國一帶一路戰(zhàn)略的推進以及經(jīng)濟全球化的發(fā)展，將有越來越多的新修鐵路、公路干線經(jīng)過粗顆粒鹽漬土地區(qū)，但目前對于鹽漬土的研究主要集中在細顆粒方面，對粗顆粒鹽漬土的工程力學(xué)特性的研究并沒有形成相對成熟的理論。特別是在溶陷特性方面，粗顆粒鹽漬土溶陷性的判定標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)生機理、影響因素及病害防治等方面缺乏系統(tǒng)的研究及理論支持，這給粗顆粒鹽漬土地區(qū)的工程建設(shè)帶來極大不便[7?9]。對于路用粗顆粒鹽漬土的研究國內(nèi)起步較晚，自20世紀(jì)90年代以來，高樹森等[10?12]先后對粗顆粒鹽漬土的成土原因、評價標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)造特性及工程病害等方面進行了分析研究。程東幸等[13]結(jié)合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)及工程病害案例對粗顆粒鹽漬土溶陷特性的影響因素進行了分析，提出溫度、易溶鹽含量、滲透系數(shù)為粗顆粒鹽漬土溶陷特性的主要影響因素。張莎莎等[14]通過室內(nèi)路堤模型試驗對粗顆粒鹽漬土作為路基填料的可用性進行了研究，以鹽脹、溶陷系數(shù)為主要參數(shù)，初步建立了的粗顆粒鹽漬土作為路堤填料可用性的判定標(biāo)準(zhǔn)。近期，國內(nèi)對于粗顆粒鹽漬土溶陷性的研究主要集中在輸電線路的建設(shè)方面，李耀杰等[15]通過對實際工程病害的調(diào)查分析并結(jié)合室內(nèi)外試驗，對粗顆粒鹽漬土的溶陷特征進行了研究，分析了重塑土樣與自然狀態(tài)下粗顆粒鹽漬土的溶陷差異，探討了粗顆粒鹽漬土溶陷病害的處理方法。目前，關(guān)于粗顆粒鹽漬土溶陷特性的研究主要集中在現(xiàn)場試驗及數(shù)值模擬，室內(nèi)試驗研究較為缺乏?，F(xiàn)行的室內(nèi)試驗規(guī)范沒有針對粗顆粒鹽漬土溶陷系數(shù)測試方法的說明，其溶陷系數(shù)的獲得大都通過現(xiàn)場浸水載荷試驗，耗費大量人力物力，這給實際工程建設(shè)帶來很大的不便。針對以上不足，本文參照現(xiàn)場浸水試驗原理，創(chuàng)新性的提出了一種室內(nèi)粗顆粒鹽漬土陷系數(shù)的測試方法，并結(jié)合現(xiàn)場浸水試驗數(shù)據(jù)對粗顆粒鹽漬土的溶陷特性進行分析，同時驗證了該試驗方法的合理性。

1 試驗裝置設(shè)計

常規(guī)的固結(jié)儀溶陷系數(shù)測試適用于顆粒小于 2 mm的細粒土，粗顆粒鹽漬土溶陷系數(shù)的測試不能采用以上方法?，F(xiàn)有的室內(nèi)測試裝置大多為固結(jié)儀的簡單放大，沒有定量的分析顆粒容積比的要求，且承壓板直徑與測試桶徑基本一致，未能考慮試驗土體的分層溶陷及邊界效應(yīng)對溶陷性的影響，造成較大的試驗誤差。

本文針對以上問題，對現(xiàn)有的室內(nèi)粗顆粒鹽漬土溶陷系數(shù)測試裝置進行了改進。測試桶采用5 mm厚無縫鋼管制作，保證足夠的側(cè)向支撐強度；桶徑25 cm，容土高度50 cm，最大測試土樣粒徑60 mm，經(jīng)計算最大顆粒容積比為2.44×10?6小于常規(guī)固結(jié)儀最大顆粒容積比(2.47×10?5)，滿足測試需要；承壓板下設(shè)自制排水板直徑10 cm，圍繞排水板邊緣3 cm處分層埋設(shè)沉降標(biāo)，標(biāo)頂架設(shè)SIWI-10數(shù)顯式自采百分表采集溶陷數(shù)據(jù)，測試承壓范圍內(nèi)的土樣溶陷量，能較好的模擬自然狀態(tài)下溶陷的邊界條件；桶底開設(shè)出水孔，底部鋪設(shè)5 cm厚的顆粒級配良好的砂作為過濾層，測試裝置如圖1所示。選取GDJS-150冷熱交變試驗箱內(nèi)模擬不同的環(huán)境溫度，采用1:20的自制杠桿式加載裝置加載。

圖1 測試裝置Fig. 1 Measuring device

2 測試方法

溶陷系數(shù)的測定旨在確定浸水土體在自重及外加荷載作用下的沉陷量?？刂茰y試粗顆粒鹽漬土樣的含水量，按要求的壓實度分層填充至測試桶內(nèi)，并分層埋設(shè)沉降標(biāo)。參照《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50942—2014)的要求對試驗土樣自50 kPa分級加載至200 kPa，待土樣沉降變形穩(wěn)定(沉降量＜0.01 mm/h)后浸水溶濾，采用SIWI-10數(shù)顯式自采百分表采集溶陷數(shù)據(jù)，并計算溶陷系數(shù)。

溶陷系數(shù)按下式計算：

式中：δrx為溶陷系數(shù)；Δs為承壓板壓力為P時，鹽漬土層浸水前后沉降量之差，mm；h為承壓板下鹽漬土浸水深度，mm。

3 測試應(yīng)用

3.1 試驗土樣選取

德伊高鐵北起德黑蘭南至伊斯法罕，沿線廣布含鹽母巖，造成線路沿線覆蓋層大多含鹽，經(jīng)初步地質(zhì)調(diào)查及取樣分析，覆蓋層多為粗顆粒鹽漬土。為了在鐵路設(shè)計階段對沿線鹽漬土地基做出溶陷性評價，選取代表性點位進行鹽漬土溶陷系數(shù)測試。試驗分別選取伊朗德伊高鐵—德庫段 DK76+987點位、DK77+300點位、DK102+516點位取得的粗顆粒鹽漬土，進行室內(nèi)溶陷系數(shù)測試試驗。試驗用土顆粒篩分結(jié)果如表1所示，粒徑分配曲線見圖 2，由前期試驗測得試驗土樣含鹽量及天然含水率并按照《土工試驗規(guī)程》SL237—1999的要求對其分類，如表2所示。

表1 試驗用土顆粒篩分結(jié)果Table 1 Results of the screening of granular soil for testing

3.2 試驗方案

1) 將測試土樣按天然含水率配制，分層填充至測試桶內(nèi)，參照《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》TB10001—2005，試驗土樣壓實度取 K=0.92分層壓實后室內(nèi)養(yǎng)生24 h。

2) 為更真實的模擬土樣的賦存環(huán)境，將裝填好的測試桶放入GDJS-150冷熱交變試驗箱內(nèi)，按伊朗庫姆地區(qū)夏季平均氣溫 24 ℃設(shè)置環(huán)境溫度保持48 h，通過嵌入式數(shù)顯溫度計測試土溫，使土體整體溫度達到試驗所需溫度。

3) 自50 kPa開始分級加載至200 kPa，待土體沉降變形穩(wěn)定后(沉降量＜0.01 mm/h)浸水，采用SIWI-10數(shù)顯式自采百分表采集沉陷數(shù)據(jù)，并由公式(1)計算溶陷系數(shù)。具體加載步驟見表3。

圖2 粒徑分配曲線Fig. 2 Particle size distribution curve

表2 試驗土樣參數(shù)及分類Table 2 Parameters and classification of soil samples

表3 室內(nèi)試驗步驟Table 3 Test procedure of indoor expeiment

4 測試結(jié)果分析

4.1 現(xiàn)場浸水試驗

現(xiàn)場浸水試驗，試坑直徑2.5 m，深0.4 m，加載板直徑0.8 m。自20 kPa開始分8級加載至200 kPa，待沉降量穩(wěn)定后(沉降量＜0.01 mm/h)浸水，模擬自然界降水及長期浸水工況。具體試驗步驟見表4。

4.2 室內(nèi)外溶陷系數(shù)測試結(jié)果分析

按《土工試驗規(guī)程》SL237—1999的分類標(biāo)準(zhǔn)，DK76+987點位為卵礫石粗顆粒土，易溶鹽及中溶鹽含量相對較低，其室內(nèi)外加載、浸水沉降S-T曲線如圖3所示。

表4 現(xiàn)場浸水試驗步驟Table 4 Site flooding test steps

由室內(nèi)分級加載S-T曲線可以看出，在每級荷載作用下，土體沉降通常在短時間內(nèi)可以達到穩(wěn)定，且隨著壓力的增加，沉降量呈增大趨勢，最終室內(nèi)加載沉降量 0.1 mm，現(xiàn)場加載沉降量為 1.01 mm。待沉降值穩(wěn)定后，進行24 h浸水加載，溶陷隨時間增長緩慢發(fā)生，累計溶陷量很小，在24 h浸水狀態(tài)下室內(nèi)外累計溶陷量分別為 0.113 mm和1.24 mm。可見，對于卵礫石粗粒鹽漬土，在浸水潛蝕存在的前提下，粗骨架對沉陷有較強的抑制作用，也說明土體內(nèi)部起骨架作用的結(jié)晶鹽流失進而產(chǎn)生的溶陷量較小。因沉降在 24 h內(nèi)達到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，則24 h的溶陷量可視為長期浸水的溶陷量。最終，由式(1)可得該點位土體室內(nèi)溶陷系數(shù)為2.26×10?4，由現(xiàn)場浸水試驗測得的溶陷系數(shù)為 2.31×10?4。依據(jù)《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50942—2014)的判定標(biāo)準(zhǔn)，此點位粗顆粒鹽漬土可認定為無溶陷特性。

圖3 DK76+987點位室內(nèi)外加載、浸水沉降S-T曲線Fig. 3 S-T curves of indoor and outdoor loading and immersion settlement of DK76+987

圖4 DK102+516點位室內(nèi)外加載、浸水沉降S-T曲線Fig. 4 S-T curves of indoor and outdoor loading and immersion settlement of DK102+516

DK102+516點位試驗土體的骨架顆粒相對較細，為沙土類粗顆粒鹽漬土，易溶鹽含量相對較高，按《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50942—2014)的判定標(biāo)準(zhǔn)，該點位試驗土體屬于中硫酸鹽鹽漬土。其室內(nèi)外加載、浸水沉降S-T曲線如圖4所示。

在加載階段的前期，土體沉降的臺階效應(yīng)明顯，隨著加載量的繼續(xù)增加土層沉降量緩慢增加，加載穩(wěn)定時長也有增加趨勢，最終室內(nèi)加載試驗及現(xiàn)場加載試驗的穩(wěn)定沉降值分別為0.50 mm和6.22 mm。因為該處地層為沙土類粗顆粒鹽漬土，易溶鹽含量較高，粗顆粒骨架含量相對較少，浸水過程中土體內(nèi)鹽分流失，結(jié)晶鹽骨架作用消失，溶陷伴隨滲流效應(yīng)緩慢發(fā)生，沉降S-T曲線一直處于連續(xù)變化狀態(tài)。在浸水狀態(tài)下，隨著自由水入滲深度的增大，溶陷短期加速，最終變形穩(wěn)定后室內(nèi)外累計溶陷量分別為4.83 mm和48.26 mm，由式(1)計算其滲透系數(shù)分別為0.009 6和0.01，依據(jù)《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50942—2014)的判定標(biāo)準(zhǔn)，此點位土樣具有輕微溶陷特性。可見，粗顆粒鹽漬土的溶陷特性在受顆粒骨架影響的同時與易溶鹽的含量密切相關(guān)。

DK77+300點位為石膏富集卵礫石粗粒鹽漬土，按《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50942—2014)的判定標(biāo)準(zhǔn)，該點位可劃分為高中溶鹽鹽漬土。其室內(nèi)外加載、浸水沉降S-T曲線如圖5所示。

圖5 DK77+300點位室內(nèi)外加載、浸水沉降S-T曲線Fig. 5 S-T curves of indoor and outdoor loading and immersion settlement of DK77+300

該點位土體中富含大量石膏結(jié)晶，由于石膏的膠結(jié)作用使得土體中的粗細顆粒連接較為緊密，土體整體性較好，強度較其他點位高。在加載的初級階段土體沉降變形較小，至加載量達50 kPa后才開始出現(xiàn)較為明顯的沉降，加載穩(wěn)定時長呈增加趨勢，最終穩(wěn)定沉降量室內(nèi)為0.23 mm、現(xiàn)場為15.23 mm。由圖 5可見，在室內(nèi)浸水試驗的初期出現(xiàn)大幅度的溶陷變形，這是因為經(jīng)重塑過程，土體中原有的由石膏與土顆粒膠結(jié)形成的骨架顆粒在一定程度上被破壞，浸水后石膏膠結(jié)顆粒迅速崩塌，同時在外加荷載作用下出現(xiàn)塌陷變形。需要注意的是，由于該試驗點位土體特殊的骨架顆粒構(gòu)造及含鹽特點，現(xiàn)場試驗所測得的浸水溶陷影響深度較其他點位有較為明顯的增加，雖然現(xiàn)場浸水階段沒有發(fā)生崩塌式溶陷變形，但最終的穩(wěn)定沉降量及溶陷量均有大幅度提高。由室內(nèi)外試驗測得該點位的溶陷系數(shù)分別為0.001和0.001 3，較級配及易容鹽含量相似的DK76+987點位土體的溶陷系數(shù)有近5倍的提高?？梢娫诹浇M成及易溶鹽含量相似的情況下，中溶鹽含量的提高會明顯加劇粗顆粒鹽漬土的溶陷特性。

需要注意的是，室內(nèi)溶陷試驗采用的是擾動后的重塑土樣，在一定程度上改變了土體的骨架顆粒構(gòu)造及鹽的分布狀態(tài)，這將給室內(nèi)外溶陷系數(shù)測定的結(jié)果帶來差異。試驗按照《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》TB 10001—2005的要求，重塑土體的裝填壓實度取K=0.92，這與現(xiàn)場土體的實際賦存狀態(tài)存在差異，最終使室內(nèi)測試結(jié)果偏小于現(xiàn)場試驗結(jié)果。對于DK77+300點位的石膏富集卵礫石粗粒鹽漬土，重塑土樣的制備過程對其由石膏膠結(jié)作用形成的骨架顆粒破壞較為嚴(yán)重，使其整體密實度增加，導(dǎo)致室內(nèi)溶陷系數(shù)測試結(jié)果較現(xiàn)場試驗所得偏小 9%，其余兩組土體的室內(nèi)外測試偏差在4%以內(nèi)。

5 結(jié)論

1) 針對現(xiàn)有測試方法的不足，從顆粒容積比、溶陷邊界條件等方面設(shè)計了一種室內(nèi)粗顆粒鹽漬土溶陷系數(shù)的測試方法，通過與現(xiàn)場浸水載荷試驗的對比分析，驗證了該試驗方法的可行性，為粗顆粒鹽漬土地區(qū)工程的建設(shè)施工提供服務(wù)。

2) 通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，粗顆粒鹽漬土的溶陷特性不僅與易溶鹽的有關(guān)，中溶鹽(石膏)的含量也是關(guān)鍵的影響因素。中溶鹽對粗顆粒鹽漬土顆粒間的膠結(jié)作用會增強土體的整體性及承載能力，但在浸水狀態(tài)下隨著鹽結(jié)晶顆粒的不斷溶解，膠結(jié)的骨架結(jié)構(gòu)在荷載作用下會出現(xiàn)分解崩塌現(xiàn)象，導(dǎo)致高中溶鹽粗顆粒鹽漬土的溶陷系數(shù)明顯高于同粒組低中溶鹽粗顆粒鹽漬土。

3) 鹽結(jié)晶顆粒的浸水溶解及土體的潛蝕效應(yīng)是造成鹽漬土溶陷的主要原因，但對于粗顆粒鹽漬土，其粗骨架顆粒在一定程度上會抑制溶陷現(xiàn)象的發(fā)生，在含鹽量近似的情況下，骨架顆粒越粗溶陷現(xiàn)象越不明顯。

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