伊朗德伊高速鐵路沿線鹽漬土鹽脹臨界溫度試驗(yàn)研究

張 磊，吳亞平，車(chē) 寶，唐科行，王茂靖

(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(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610000)

工程中把易溶鹽含量超過(guò)0.3%的巖土體稱(chēng)為鹽漬土。鹽脹是指土體內(nèi)的硫酸鈉在低溫下溶解度下降吸水結(jié)晶而引起體積膨脹的現(xiàn)象[1]。鹽漬土在外界水、熱以及溫度的影響下會(huì)出現(xiàn)鹽脹、凍脹等特有的工程特性[2]。作為高鐵路基填料如處理不當(dāng)將出現(xiàn)路基塌陷、擠出變形等病害，嚴(yán)重影響行車(chē)安全[3]。路基鹽脹病害一直是鹽漬土地區(qū)修筑高鐵工程時(shí)遇到的主要病害[4-5]。而位于伊朗的德伊(德黑蘭—伊斯法罕)高速鐵路沿線分布著大量不同類(lèi)型的鹽漬土，因此研究鹽漬土的鹽脹特性對(duì)該高鐵工程建設(shè)有著重要意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)鹽漬土路基鹽脹病害成因分析及處理積累了一些經(jīng)驗(yàn)。在國(guó)外STEIGER[6]研究了多孔介質(zhì)中鹽脹及其產(chǎn)生的鹽脹力,指出受約束介質(zhì)的鹽脹力大小主要由其溶液的過(guò)飽和比決定,過(guò)飽和比越大,鹽脹力越大。DERLUYN[7]介紹了鹽晶體析出形態(tài)并推導(dǎo)了鹽晶體的生長(zhǎng)公式。在國(guó)內(nèi)牛璽榮等[8]給出了鹽漬土在純鹽脹期的鹽脹關(guān)系式。萬(wàn)旭升等[9]測(cè)試了不同溫度環(huán)境下硫酸鈉鹽漬土的鹽脹率，發(fā)現(xiàn)隨著溫度不斷降低,鹽脹不斷加劇并趨于穩(wěn)定。席人雙等[10-11]采用不同濃度的NaCl溶液與低塑性黏土混合來(lái)模擬不同含鹽量的鹽漬土，進(jìn)行固結(jié)以及直剪試驗(yàn),獲得了含鹽量對(duì)土樣強(qiáng)度以及壓縮特性的影響規(guī)律。

以往研究偏重于細(xì)粒鹽漬土鹽脹的發(fā)生及發(fā)展過(guò)程,對(duì)于顆粒鹽漬土的研究甚少。德伊高鐵沿線以粗顆粒鹽漬土為主。根據(jù)德伊高鐵沿線庫(kù)姆地區(qū)氣象資料，秋冬交替時(shí)節(jié)溫差較大，溫度最低可達(dá)到-7 ℃，溫度在逐漸降低過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生鹽脹作用，而開(kāi)始起脹的臨界溫度一直沒(méi)有確定。因此本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),探究不同類(lèi)型鹽漬土的鹽脹臨界溫度和鹽脹量之間的關(guān)系，以期為鹽漬土地區(qū)的高鐵和公路的建設(shè)提供參考。

1 鹽漬土鹽脹臨界溫度試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

環(huán)境試驗(yàn)箱為GDJS-150高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱(見(jiàn)圖1(a))。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有測(cè)定樁土體沉降位移的百分表，百分表量程0～10 mm；用于對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟煌裆钐庍M(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)的高精度電子溫度傳感器(見(jiàn)圖1(b))，具有精度高、反應(yīng)靈敏、體積小的優(yōu)點(diǎn)；沉降標(biāo)主要由鐵絲、φ10 mm鋼管和方形鐵片組成(見(jiàn)圖1(c))。方形鐵片厚約2 mm，長(zhǎng)5 cm，寬3 cm,鋼管長(zhǎng)度分別為50，100，150，250，350，450，550 mm。為了測(cè)定不同深度土層的位移情況，按設(shè)計(jì)方案控制的深度埋設(shè)沉降標(biāo)。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

對(duì)德伊高鐵5種鹽漬土進(jìn)行取樣，見(jiàn)表1。

將每一種鹽漬土依次分別填筑到同樣體積的方形試驗(yàn)箱中，試驗(yàn)箱尺寸為40 cm(長(zhǎng))×40 cm(寬)×55 cm(高)。為確保試驗(yàn)土樣的邊界條件與自然條件相似，試驗(yàn)箱外壁附著錫紙保溫層，防止試驗(yàn)土樣與周?chē)h(huán)境的熱交換，使土樣在降溫時(shí)同一水平面上的溫度保持一致。在試驗(yàn)箱內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，減小摩擦，達(dá)到豎向一維試驗(yàn)效果。按照現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行分層填筑，每5.0 cm填筑一層.進(jìn)行分層壓實(shí)，總共填筑10層，總高度為50 cm。溫度傳感器從土層表面向下5.0 cm 開(kāi)始埋設(shè)，向下每增加2.5 cm埋設(shè)1個(gè)，總共埋設(shè)8個(gè)。從上向下依次命名為W1—W8。沉降標(biāo)從土層表面開(kāi)始埋設(shè)，埋深每增加5.0 cm埋設(shè)1個(gè),共埋設(shè)5個(gè)，從上向下依次命名為C1—C5。每個(gè)沉降標(biāo)上放置1個(gè)百分表。具體布置見(jiàn)圖2。

表1 取樣情況

圖2 數(shù)據(jù)采集裝置布置(單位：cm)

將填好土的方形鐵桶放置在GDJS-150高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行升溫降溫控制試驗(yàn)。根據(jù)德伊段溫差較大的庫(kù)姆地區(qū)的氣象資料，將11.5 ℃和-7.0 ℃ 作為秋冬交替季節(jié)晝夜的平均溫度。分別設(shè)為本次模擬試驗(yàn)晝夜的控制溫度，降溫和升溫各12 h，觀察試驗(yàn)箱內(nèi)鹽漬土鹽脹臨界溫度和鹽脹深度及其相應(yīng)的鹽脹量。由于本次試驗(yàn)在試驗(yàn)室內(nèi)，初始溫度高于11.5 ℃，因此為了更加接近當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度，在試驗(yàn)開(kāi)始前采用GDJS-150高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱對(duì)土體進(jìn)行整體降溫，使各層土體溫度降至交替季節(jié)最高平均氣溫11.5 ℃，將1#—5#土樣依次進(jìn)行溫度交替試驗(yàn)，本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為2 h。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：經(jīng)歷3個(gè)溫度交替周期后即可得到土體的鹽脹臨界溫度。將所測(cè)數(shù)據(jù)繪成擬合曲線。以4#土樣(DK102+000)為例進(jìn)行分析。4#土樣不同深度處溫度隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖3。

圖3 4#土樣不同深度處溫度隨時(shí)間變化曲線

由圖3可見(jiàn)：在模擬晝夜溫度交替過(guò)程中，土體整體溫度呈降低趨勢(shì)，并且由上而下逐漸形成溫度梯度，深層土體溫度變化相對(duì)緩和。在經(jīng)歷了3個(gè)周期的晝夜溫度交替后，W1(5 cm)處溫度變化區(qū)間為3.2～11.4 ℃，經(jīng)對(duì)比沉降標(biāo)讀數(shù)的變化發(fā)現(xiàn)在該區(qū)間內(nèi)已經(jīng)發(fā)生鹽脹，證明鹽脹臨界溫度在此范圍內(nèi)。同理，W2—W8鹽脹臨界溫度所在區(qū)間依次為 3.7～11.3 ℃，3.9～11.5 ℃，4.2～11.4 ℃，5～11.2 ℃，6.5～11.3 ℃，7.4～11.5 ℃，9.5～11.3 ℃。W1(5.0 cm)—W4(12.5 cm)溫度變化幅度較大，這是由于W1—W4離冷源較近,冷熱交替速率快。而W5—W8離冷源較遠(yuǎn)，故溫度變化幅度較小。

以W3處的溫度變化為例，24，48和72 h的溫度依次為11.5，10.8和10.1 ℃，可見(jiàn)試驗(yàn)所用鹽漬土在每一次的溫度交替后的溫度回升值達(dá)不到上一次的起凍值，同時(shí)比較其他深度處溫度變化皆符合此規(guī)律，證明鹽漬土的溫度變化具有一定的滯后性。

2.2 不同深度處鹽脹臨界溫度與鹽脹量的關(guān)系

根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)將3個(gè)周期內(nèi)不同深度下鹽脹臨界溫度與鹽脹量繪于圖4。可見(jiàn)：在為期72 h的溫度交替過(guò)程中鹽漬土鹽脹起始時(shí)間點(diǎn)只在10～14 h,32～40 h,56～64 h這3個(gè)時(shí)間段內(nèi)。這是因?yàn)橥馏w溫度在這3個(gè)時(shí)間段內(nèi)達(dá)到最低溫度。

圖4 3個(gè)周期內(nèi)鹽脹臨界溫度與鹽脹量隨深度變化曲線

由圖4(a)中可見(jiàn)：在晝夜溫度交替的第1個(gè)周期，10～12 h時(shí)間段內(nèi)發(fā)生了鹽脹。這是由于溫度從11.5 ℃逐漸降低過(guò)程中某一溫度正好達(dá)到了鹽脹臨界溫度。在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)鹽脹發(fā)生在填土深度5～10 cm 處；鹽脹量最大值(2.17 mm)出現(xiàn)在填土表面。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的擬合，最終得到在第1個(gè)周期內(nèi)鹽脹發(fā)生的臨界點(diǎn)在填土深度5.8 cm處，通過(guò)與該深度處的溫度相對(duì)照，得出鹽脹的臨界溫度為4.5 ℃。

由圖4(b)可見(jiàn)：在32～40 h時(shí)間段內(nèi)有鹽脹發(fā)生。32 h和40 h這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)鹽脹的臨界溫度出現(xiàn)在填土深度7.7 cm處，而在34～38 h時(shí)間段內(nèi)鹽脹的臨界溫度出現(xiàn)在填土深度10.3 cm處。這是因?yàn)辂}漬土溫度的變化具有滯后性，在32 h和40 h這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)由于降溫和升溫作用鹽脹的臨界溫度只傳遞到7.7 cm 處，在34～38 h時(shí)間段內(nèi)土體的鹽脹臨界溫度正好傳遞到10.3 cm處。這2個(gè)深度下同樣時(shí)間點(diǎn)的溫度都接近4.5 ℃，因此在第2個(gè)溫度交替周期內(nèi)當(dāng)溫度≤4.5 ℃時(shí)開(kāi)始發(fā)生鹽脹。

由圖4(c)可見(jiàn)：在溫度交替的第3個(gè)周期，56,64 h 和58～62 h內(nèi)發(fā)生鹽脹的臨界溫度分別出現(xiàn)在填土深度10.3，10.3,12.8 cm處。同樣，此2個(gè)深度所對(duì)應(yīng)的溫度皆在4.5 ℃左右。最大鹽脹量為2.74 mm。

經(jīng)過(guò)分析對(duì)比，3個(gè)周期內(nèi)鹽脹臨界溫度皆為4.5 ℃，因此可以得出4#土樣的鹽脹臨界溫度為4.5 ℃，3個(gè)周期中最大鹽脹量為2.74 mm。隨著溫度交替循環(huán)過(guò)程的疊加，相對(duì)應(yīng)的鹽脹量也在逐漸增大。

2.3 不同類(lèi)型鹽漬土鹽脹臨界溫度與鹽脹量的關(guān)系

參照4#土樣試驗(yàn)過(guò)程，分別對(duì)其余的4種土樣依次進(jìn)行試驗(yàn)，得到每種土的鹽脹臨界溫度與最大鹽脹量，見(jiàn)表2。

表2 不同類(lèi)型鹽漬土的鹽脹臨界溫度與最大鹽脹量

由表2可見(jiàn):4#土樣鹽脹臨界溫度最高，其值為4.5 ℃，2#土樣鹽脹臨界溫度最低，其值為3.4 ℃；4#土樣最大鹽脹量為2.74 mm。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)5種類(lèi)型鹽漬土進(jìn)行溫度交替試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

1)經(jīng)過(guò)3個(gè)周期的模擬溫度交替，即可得到每種類(lèi)型鹽漬土的鹽脹臨界溫度及每個(gè)周期內(nèi)的最大鹽脹量。

2)鹽漬土的溫度變化具有一定的滯后性。試驗(yàn)所用鹽漬土在每一次的溫度交替后溫度回升值達(dá)不到上一次的起凍值，并且鹽漬土的鹽脹量在有限個(gè)循環(huán)周期內(nèi)逐漸累加。

3)黏性土類(lèi)細(xì)粒鹽漬土和砂土類(lèi)細(xì)粒鹽漬土鹽脹臨界溫度高于卵礫石粗粒鹽漬土、石膏富集層卵礫石粗粒鹽漬土和砂礫類(lèi)粗粒鹽漬土。

4)在溫度交替的3個(gè)周期內(nèi)，細(xì)粒鹽漬土的鹽脹量大于粗粒鹽漬土。

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