劉長(zhǎng)江，張 震，張靈通，張遠(yuǎn)芳，陳益濱

(新疆大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院阿克蘇校區(qū)， 新疆 阿克蘇 843000)

工程中，鹽漬土通常是指易溶鹽含量超過0.3%的土壤總稱[1-3]。新疆存在著不同鹽漬化程度的區(qū)域，冬夏溫差對(duì)鹽漬土強(qiáng)度參數(shù)的影響類似于凍融循環(huán)過程[5]。王效賓等[6]進(jìn)行了黏土凍融循環(huán)試驗(yàn)，得到凍融后黏土黏聚力、內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律。張國輝等[7]研究了碳酸鹽漬土含鹽量對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響，得到含鹽量越大，碳酸鹽漬土的黏聚力越小，而內(nèi)摩擦角卻表現(xiàn)為先減小后增大的規(guī)律。劉天寶[8]通過凍融循環(huán)作用下碳酸鹽、硫酸鹽及其含量變化對(duì)農(nóng)安碳酸鹽漬土抗剪強(qiáng)度影響研究，得到土樣內(nèi)聚力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大的規(guī)律。張飛等[9]選取粉土為試驗(yàn)對(duì)象，采用向原料土中添加無水硫酸鈉的方式，設(shè)置含鹽量不同的重塑試樣，采用直接剪切試驗(yàn)考察其強(qiáng)度變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果顯示，粉質(zhì)硫酸鹽漬土含鹽量越多其黏聚力越大。

以往對(duì)鹽漬土凍融循環(huán)的研究主要是在固結(jié)儀上進(jìn)行、溫度控制通過環(huán)境箱實(shí)現(xiàn)[10]。這種試驗(yàn)條件下模擬的鹽漬土體凍融循環(huán)過程誤差很大，不能及時(shí)顯示凍融過程中土體溫度變化過程、不能模擬現(xiàn)實(shí)情況下地下水的補(bǔ)給過程，導(dǎo)致其不能準(zhǔn)確反映抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律。因此，如何在貼近實(shí)際情況下模擬凍融循環(huán)對(duì)鹽漬土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，還需進(jìn)一步探討。

1 試驗(yàn)方案

1.1 大尺寸凍融循環(huán)設(shè)備

該大尺寸凍融循環(huán)設(shè)備采用上、下制冷頭控制溫度，能夠模擬自然環(huán)境下土體溫度的一維傳導(dǎo)；可在上部制冷頭上施加軸壓，以模擬任意深度下土體凍融循環(huán)狀況；通過預(yù)埋在土體中的溫度傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土柱體上下層溫度變化情況；高精度電子百分表能準(zhǔn)確測(cè)定凍融過程中土體的鹽凍脹及融陷量；補(bǔ)水裝置采用原地鹵水，能夠真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)地下水的補(bǔ)給作用。

設(shè)備主要由恒溫槽、制冷頭、補(bǔ)水裝置、高強(qiáng)度有機(jī)玻璃筒等部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

1.2 土樣選擇

本試驗(yàn)土樣取自新疆哈密至羅布泊235省道沿線，該區(qū)域是世界聞名的最大鹽湖之一羅布泊。在省道沿線采集土樣，試樣室內(nèi)易溶鹽分析成果見表1。

圖1 大尺寸凍融循環(huán)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

表1 試樣易溶鹽試驗(yàn)成果

針對(duì)兩種鹽漬土進(jìn)行基本物理試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見表2。

表2 兩種典型天然鹽漬土基本物理參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

取上述532 km(1 m) 亞硫酸鹽漬土和473 km(0.5 m) 亞氯鹽漬土兩種土樣，按《土工試驗(yàn)規(guī)程》[11](SL 237—1999)用最優(yōu)含水率制備試樣，薄膜密封保存24 h，根據(jù)羅布泊環(huán)境條件，采用原地鹵水補(bǔ)水。土樣分層擊實(shí)，預(yù)埋溫度傳感器，連接制冷頭、恒溫槽等設(shè)備，靜置24 h備用。設(shè)定土樣下端溫度為5℃，上端溫度以每小時(shí)10℃速度降溫至-25℃后維持24 h，再以10℃/h速度升溫至25℃后維持24 h。

在同等初始條件下，對(duì)兩種土樣進(jìn)行凍融循環(huán)，循環(huán)周期53 h(含升降溫5 h)。凍融循環(huán)后，用環(huán)刀分六層取出適量土樣，按《土工試驗(yàn)規(guī)程》[11](SL 237—1999)對(duì)鹽漬土樣做直接剪切試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析凍融循環(huán)后鹽漬土樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)試驗(yàn)，兩種土樣凍融循環(huán)3、5、7次后，各層水鹽含量見圖2、圖3。

由圖2、圖3可知，5次凍融后兩土樣各層水鹽含量趨于平穩(wěn)。水鹽含量是影響天然鹽漬土抗剪強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，所以本次試驗(yàn)設(shè)定凍融循環(huán)次數(shù)為7次[12-13]較為合理。

對(duì)亞硫酸鹽漬土，以試樣高度為縱坐標(biāo)，再分別以黏聚力和內(nèi)摩擦角為橫坐標(biāo)繪制剖面圖，見圖4和圖5。規(guī)定從上至下土層分別為1、2、3、4、5、6層。

由圖2和圖4知，亞硫酸鹽漬土黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，且上部值小于下部。凍融循環(huán)過程中水鹽上移，溫度降低過程中鹽分逐漸結(jié)晶析出、自由水冰化造成鹽漬土體膨脹，溫度升高過程中鹽分晶體失去結(jié)晶水，導(dǎo)致體積縮小，這是亞硫酸鹽漬土黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加有減小趨勢(shì)的原因；頂層試樣含水率大于下層試樣，含水率增大使鹽漬土顆粒表面水化膜變厚、鹽分被增加的水分溶解，土體空隙增大、密度減小，顆粒間膠接作用減少，使得上部土體黏聚力比下部土體??；該試樣最底層黏聚力較上部大是由于該鹽漬土凍融循環(huán)中補(bǔ)水少，空隙間的水分在自重和孔隙水壓力作用的影響下上移較少，溫度變化不大，使鹽分結(jié)晶、溶化的程度不及上部土體，部分水分的向上遷移導(dǎo)致鹽漬土顆粒表面水化膜薄化，加之上部土體的長(zhǎng)期自重施壓，土顆粒間的膠結(jié)作用增強(qiáng)，是其黏聚力較大的原因。

由圖5知，該鹽漬土內(nèi)摩擦角隨土柱高度呈“3”型變化規(guī)律，最上層最小，第二層較大且有凍融循環(huán)次數(shù)越多內(nèi)摩擦角越小的趨勢(shì)。由表2、圖2知：該土樣黏粒含量較多，第一層土水、鹽含量都較大，黏土顆粒與自由水作用后可分解成更細(xì)小的土顆粒，分解后的細(xì)小土顆粒陽離子擴(kuò)散在自由水中，而陰離子仍吸附在黏土顆粒表面，溶解在水中的細(xì)小黏土顆粒把水中的某些與其自身結(jié)晶格架內(nèi)相同或類似的離子有針對(duì)性的吸附在自己表面，這種同性離子間的排斥作用是內(nèi)摩擦角有較小的主要原因；第二層土含水率少且含鹽量較大，部分鹽分析出結(jié)晶造成顆粒間的咬合作用增加，是內(nèi)摩擦角較大的原因。

同樣的，亞氯鹽漬土凍融循環(huán)3、5、7次后，以試樣高度為縱坐標(biāo)，再分別以黏聚力和內(nèi)摩擦角為橫坐標(biāo)繪制剖面圖，見圖6和圖7。

圖6呈現(xiàn)趨勢(shì)為：黏聚力隨土樣高度呈“反S”型分布，第一、第四層土體黏聚力較小，第三層土體黏聚力較大，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加頂層土體黏聚力有增加趨勢(shì)。溫度降低時(shí)上層土體中的鹽分析出致使土顆粒間發(fā)生錯(cuò)位，土體膨脹，溫度升高時(shí)鹽漬土內(nèi)結(jié)晶體失水使得其體積減小，周而復(fù)始導(dǎo)致土體疏松[14]，使頂層土體黏聚力比以下兩層小；由表2、圖3知亞氯鹽漬土黏粒含量少，凍融循環(huán)過程中較易形成水鹽遷移通道，使其滲透性加大，升溫過程中水分在自重作用下下移使得第四層含水率增大、水化膜增厚，造成其黏聚力較小，第三層土體含鹽量持續(xù)積累和水分的持續(xù)下移致使其黏聚力增加；升溫中小部分鹽分被下移水分帶走，大部分鹽分滯留在上部土體，鹽分結(jié)晶體變成了土骨架的組成部分，鹽晶體與土顆粒膠結(jié)且水化膜薄化致使頂層土體黏聚力隨凍融次數(shù)的增加而增大。

由圖7知亞氯鹽漬土內(nèi)摩擦角變化規(guī)律為第三、第五層較大，第四層較小，內(nèi)摩擦角隨土柱高度呈“3”型變化規(guī)律，總體看，凍融循環(huán)次數(shù)越大內(nèi)摩擦角越大。第三、五層水分的下移及含鹽量的增加使鹽分析出，在水力作用下顆粒間相互作用導(dǎo)致相對(duì)移動(dòng)趨勢(shì)和咬合作用增強(qiáng)[15-16]，導(dǎo)致第三層和第五層內(nèi)摩擦角較大；第四層水分的增加快，鹽分增加慢，是該層內(nèi)摩擦角較小的原因；圖3表明，各層水鹽含量的持續(xù)增加的綜合作用是亞氯鹽漬土內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)有增加趨勢(shì)的主要原因。

3 結(jié) 論

應(yīng)用大尺寸凍融循環(huán)設(shè)備對(duì)235省道沿線兩種典型天然鹽漬土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，以考察凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響。試驗(yàn)證明：亞硫酸鹽漬土黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而減小，且上部整體小于下部。亞硫酸鹽漬土內(nèi)摩擦角沿土柱高度大致呈“3”型分布規(guī)律，首層最小，第二層最大且凍融循環(huán)次數(shù)越多內(nèi)摩擦角逐漸減?。粊喡塞}漬土經(jīng)過凍融循環(huán)，黏聚力隨土樣高度呈“反S”型分布，頂層和第四層土體黏聚力較小，第三層黏聚力較大，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加頂層土體黏聚力有增加趨勢(shì)。亞氯鹽漬土內(nèi)摩擦角沿土樣不同高度近似呈“3”型分布，第三層和第五層較大，第四層較小，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加內(nèi)摩擦角有增大趨勢(shì)。