粗顆粒鹽漬土鹽脹試驗(yàn)研究

程東幸，張 博，嚴(yán)福章，樊柱軍，吳長英

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計院，陜西 西安 710075；2.國家電網(wǎng)公司，北京 100031)

1 概述

鹽脹是指土中鹽類(主要指硫酸鹽)因溫度或濕度變化而產(chǎn)生的體積變化及由其引起的地基變形。1997版石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定：當(dāng)鹽漬土地基中的硫酸鈉含量不小于1%時，需要考慮地基土的鹽脹性；2012版石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：當(dāng)土中硫酸鈉含量不小于0.5%時，需要對地基土的鹽脹性進(jìn)行評價。可見，目前對鹽漬土鹽脹的認(rèn)識和評價還處于認(rèn)識深化的過程。雖然張莎莎、丁兆民、李國玉等都對不同含鹽量、含水率以及上覆荷載下的粗粒土鹽脹性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并獲得了相應(yīng)成果，但由于研究手段都為室內(nèi)試驗(yàn)，鹽漬土所處的環(huán)境、地基土結(jié)構(gòu)以及發(fā)生工況均與實(shí)際工程中存在一定差距。因此，本文結(jié)合典型工程實(shí)例，通過室內(nèi)外對比試驗(yàn)對粗粒鹽漬土的鹽脹性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并獲得了一些初步成果，可為鹽漬土地區(qū)基礎(chǔ)工程的設(shè)計及地基處理提供指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)概況

為研究粗顆粒鹽漬土的鹽脹特性，本文在新疆選取了一個典型場地進(jìn)行鹽漬土的鹽脹室內(nèi)外對比試驗(yàn)，同時進(jìn)行了地基土的滲透性、骨架顆粒百分比、易溶鹽含量等的互補(bǔ)性試驗(yàn)，以便對該類鹽漬土的鹽脹特性有更系統(tǒng)的認(rèn)識。所選場地地層為角礫土，初步設(shè)計階段共計87件試樣中硫酸鈉含量大于1%的樣為5件，大于0.5%的樣為15件，大于0.3%的樣為45件，且深度分布比較零散(見表1)。同時該場地由于鹽膠結(jié)程度強(qiáng)，在表層形成了見圖1的“鹽蓋層”。

圖1 場地地層照片

表1 試驗(yàn)場地Na2SO4含量及分布

2.2 對比試驗(yàn)

對比試驗(yàn)主要對不同層位鹽漬地基土的骨架顆粒含量、含水率、天然密度及滲透系數(shù)等進(jìn)行了測試，試驗(yàn)結(jié)果見表2、表3。

表2 地基土洗鹽前后骨架顆粒(>2 mm)含量

表3 地基土部分參數(shù)

由試驗(yàn)可知，骨架顆粒占地基土總質(zhì)量的百分比較高，且地基土較密實(shí)、滲透系數(shù)非常低，因此，地基土相當(dāng)于一個隔水層，遇水工況下，可以有效阻止水的豎向和水平向流動。從常規(guī)思路分析，地基土的這種致密且阻滯地表水進(jìn)一步下滲的性能應(yīng)該能抑制地基土的鹽脹。

2.3 室內(nèi)鹽脹試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)以現(xiàn)場取擾動樣按相應(yīng)層位的天然密度和含水率(表2)制備，用低溫恒溫箱模擬冬末夏初凍融循環(huán)交替的自然環(huán)境。24h為一個循環(huán)周期，試驗(yàn)溫度區(qū)間為－10℃～20℃。

根據(jù)地層展布情況以及硫酸鈉在地層中的分布等，共在場地②層、③層土中取了5個擾動樣進(jìn)行室內(nèi)配制并進(jìn)行試驗(yàn)，擾動樣的試驗(yàn)編號依次為 ：T2-1-8、T2-2-8、T3-1-9、T3-2-9及 T3-3-9。試驗(yàn)結(jié)果見表4及圖2—圖6。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在與場地土近似工況的條件下，室內(nèi)試驗(yàn)的鹽脹量和平均鹽脹率均較小，且從鹽脹量對溫度區(qū)間的相應(yīng)可知，0～－5℃區(qū)間是鹽脹量及其增幅最大的區(qū)間，但總體表現(xiàn)為試驗(yàn)初期增幅大，而后期鹽脹增幅非常小，且變形曲線非常平緩。同時，根據(jù)《新疆鹽漬土地區(qū)公路路基路面設(shè)計與施工規(guī)范》(XJTJ01－2001)及《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB×××—20××)(征求意見稿)的相關(guān)規(guī)定可知，場地鹽漬土的鹽脹率均小于1%，為非鹽脹性地基土。

表4 室內(nèi)鹽脹試驗(yàn)結(jié)果

圖2 T2-1-8鹽脹過程曲線

圖3 T2-2-8鹽脹過程曲線

圖4 T3-1-9鹽脹過程曲線

圖5 T3-2-9鹽脹過程曲線

圖6 T3-3-9鹽脹過程曲線

2.4 現(xiàn)場試驗(yàn)

地基土的現(xiàn)場鹽脹試驗(yàn)是在2011年2月至5月間采用堆載法(精度0.01 mm的位移計監(jiān)測位移變化情況)做場地浸水試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)的。由于試驗(yàn)期間場地溫差較大(2℃～11℃)，溶于土孔隙水中的Na2SO4在溫度較低時濃縮結(jié)晶析出，在近中午溫度較高時又溶解沉陷，致使地基土表現(xiàn)出明顯的脹、陷現(xiàn)象(圖7—圖9)。通過對比氣溫與地基土變形的關(guān)系可知：即便在200 kPa大壓力作用下，在凌晨氣溫較低時，地基土單次的膨脹變形非常明顯，而在中下午氣溫較高時，地基土又表現(xiàn)出較大的溶沉現(xiàn)象。這種溶、脹特征在溫差較大時表現(xiàn)尤為突出，且氣溫與變形的對應(yīng)性非常一致。

同時，在此試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在200 kPa大壓力作用下，地基土的鹽脹現(xiàn)象非常明顯，說明在一定工況下，鹽脹力的大小與前期研究成果中獲得的荷載大于50 kPa時，地基土難以發(fā)生鹽脹的結(jié)論有出入。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

試驗(yàn)結(jié)果顯示，室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)的位置、深度均相同，但結(jié)果差別較大。室內(nèi)測試結(jié)果與相關(guān)規(guī)范的規(guī)定基本一致，而現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范內(nèi)容相差較大，使得對地基土鹽脹性能的評價出現(xiàn)了較大的難題。但通過補(bǔ)充試驗(yàn)可知，地基土的級配良好、地層密實(shí)，且滲透系數(shù)非常低，因此，在溫差變化時，結(jié)晶析出的Na2SO4在致密的地基土中難以耗散鹽脹力和鹽脹量，故易使地基土發(fā)生膨脹和建筑物引起變形。而室內(nèi)試驗(yàn)重塑樣中，粗粒土難以達(dá)到現(xiàn)場的密實(shí)性，因此，遇水Na2SO4析出結(jié)晶的過程中，大孔隙通常耗散了地基土的鹽脹作用，結(jié)果常表現(xiàn)為非鹽脹的特點(diǎn)。實(shí)際工程中，由于室內(nèi)試驗(yàn)改變了原地基土的地層結(jié)構(gòu)及地基土的滲透性，影響了地基土發(fā)生鹽脹的環(huán)境，其結(jié)果的可靠性受到了一定影響。

4 結(jié)論

根據(jù)本場地鹽脹試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合在新疆、內(nèi)蒙古等不同工程場地的相關(guān)試驗(yàn)及工程經(jīng)驗(yàn)等，對粗顆粒鹽漬土鹽脹性的認(rèn)識可總結(jié)如下幾點(diǎn)結(jié)論：

圖7 T2-1 S－lgt曲線

圖8 T3-2 S－lgt曲線

(1)對于粗顆粒鹽漬土的鹽脹性，不能僅依據(jù)《鹽漬土地區(qū)建筑規(guī)范》(SY/T0317－2012)、《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB/T50942－2014)進(jìn)行評定，通過相關(guān)工程的研究可知，對于粗顆粒鹽漬土，當(dāng)滲透系數(shù)小于10-7，且地層干燥，Na2SO4含量達(dá)到鹽漬土的界限含量(0.3%)時，就應(yīng)對其進(jìn)行鹽脹性評價。

圖9 T3-3 S－lgt曲線

(2)對地基土鹽脹性的認(rèn)識，除了對Na2SO4含量分析外，還需對地基土所處的環(huán)境及結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究。通常情況下，環(huán)境溫差不大、且滲透性強(qiáng)、地基土孔隙大的鹽漬土，鹽脹對建筑物結(jié)構(gòu)的影響非常小。而對于環(huán)境溫差較大、地層結(jié)構(gòu)致密的鹽漬地基土，當(dāng)Na2SO4含量達(dá)到一定程度時，鹽脹量和鹽脹力均較大，工程中需要采取一定的防鹽脹措施。

(3)從建筑物安全角度講，溫差變化過程中的地基土脹縮變化對建筑物更不利。

(4)地基土的鹽脹力，從微觀講，應(yīng)分為法向、切向和水平鹽脹力幾個方面。目前該項(xiàng)研究還未開展，后續(xù)工作中應(yīng)進(jìn)一步深入研究。

[1]SY/T0317－97，鹽漬土地區(qū)建筑規(guī)范[S]．

[2]SY/T0317－2012，鹽漬土地區(qū)建筑規(guī)范[S]．

[3]張沙沙，楊曉華，戴志仁．基于均勻設(shè)計的礫類硫酸鹽漬土鹽脹特性試驗(yàn)研究[J]．公路交通科技，2009，26(5)．

[4]丁兆民，張莎莎，楊曉華．粗顆粒鹽漬土路用填料可用性指標(biāo)研究[J]．冰川凍土，2008，30(4)．

[5]李國玉，等．甘肅省公路沿線典型地段含鹽量對凍脹鹽脹特性影響的試驗(yàn)研究[J]．巖土力學(xué)，2009，30(8)．

[6]XJTJ01－2001，新疆鹽漬土地區(qū)公路路基路面設(shè)計與施工規(guī)范[S]．

[7]徐攸在，等．鹽漬土地基[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993．