伊朗德伊高速鐵路亞硫酸鹽漬土鹽脹特性試驗研究

楊青山，吳亞平，于天佑，蒲增剛，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.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川成都 610000）

鹽漬土是指含鹽量大于或等于0.3%且小于20%，具有溶陷或鹽脹等工程特性的土。公路和一般鐵路路基的標(biāo)準(zhǔn)較低，鹽漬土在溫度、濕度的影響下產(chǎn)生的病害對線路的平順性及行車安全影響較小。而高速鐵路路基的標(biāo)準(zhǔn)較高，若路基填料處理不當(dāng)，鹽漬土產(chǎn)生的鹽脹和溶陷會在路基上產(chǎn)生擠出變形、塌陷等病害［1］，對行車安全影響較大。特別是伊朗德伊（德黑蘭—伊斯法罕）高速鐵路沿線含有大量不同類型的鹽漬土，為了減少路基填筑后病害的發(fā)生，研究該高速鐵路沿線鹽漬土鹽脹具有重要意義。

目前國內(nèi)外對鹽漬土的鹽脹和溶陷進行了較為系統(tǒng)的研究。高民歡等［2］研究了起脹溫度、降溫速率、成型溫度對鹽脹規(guī)律的影響，同時分析了含鹽類型、含水量對鹽脹的影響。鄧友生等［3］利用CT 掃描不同土的類型、鹽的類型、含鹽量的室內(nèi)凍結(jié)樣品，發(fā)現(xiàn)土的類型和含鹽量是決定土樣鹽脹的主要因素。任秀玲等［4］研究鹽漬土鹽脹的機理及影響因素，分析了鹽脹危害的防治方法并介紹了研究現(xiàn)狀。楊保存等［5］研究得出年度鹽脹變形量要考慮氯化鈉鹽的影響。王洪杰等［6］研究氯鹽含量超過8%的超氯鹽漬土作為路基填料的可能性及其適用條件，發(fā)現(xiàn)在干旱氣候條件下利用超氯鹽漬土作為路基填料是可行的。李寧遠等［7］通過常規(guī)化學(xué)分析和X 射線衍射分析來確定鹽漬土的主要含鹽成分，分析了硫酸鹽漬土的膨脹原因和膨脹過程，初步研究了氯鹽漬土消減硫酸鹽漬土膨脹的途徑。陳冉［8］對鹽分不均勻分布的硫酸鹽漬土進行了鹽脹高低溫循環(huán)試驗，提出上隔下疏型路基結(jié)構(gòu)可減輕硫酸鹽漬土鹽脹變形對道路工程的影響。

目前國內(nèi)外對鹽漬土鹽脹的研究主要針對硫酸鹽類鹽漬土以及細粒類土對鹽脹的影響，而對粗粒鹽漬土、亞硫酸鹽對鹽漬土鹽脹的影響研究較少。在德伊高速鐵路沿線，大部分鹽漬土的含鹽類型為硫酸鹽與氯鹽共存，部分地區(qū)粗顆粒土的鹽脹系數(shù)一直沒有確定。因此，通過室內(nèi)試驗?zāi)M當(dāng)?shù)貧鉁兀芯亢}量對亞硫酸鹽漬土鹽脹特性的影響，并為確定當(dāng)?shù)佧}漬土鹽脹系數(shù)提供參考。

1 鹽漬土鹽脹試驗

1.1 試驗裝置

選擇GDJS-150 冷熱交變試驗箱來模擬土壤在溫度交替下的變化。通過在測定箱外添加錫紙泡沫保溫層，使試驗效果達到豎向一維，在測定箱內(nèi)壁均勻涂抹凡士林以減小摩擦。將土體分層壓實埋設(shè)，使試驗中土體的壓實系數(shù)一定。為保持試驗設(shè)定溫度，在土樣中埋設(shè)溫度傳感器實時監(jiān)測土體溫度。分層添加沉降標(biāo)測量土體的實時鹽脹量，土層壓實及設(shè)備埋設(shè)后用位移百分表測量，百分表量程為0～10 mm。

1.2 土樣配置

試驗用土以德黑蘭天然鹽漬土為試驗材料，通過顆粒篩分對粒徑進行劃分，分別制備粒徑為0.075～60 mm 的11 種原始試樣。根據(jù)土顆粒分布情況，將不均勻系數(shù)CU＞5 和曲率系數(shù)CC=1～3 時土的級配定義為良好級配，其他類型均為不良級配［9］。以粗、細顆粒（以粒徑R=5 mm 為分界粒徑）的含量之比作為級配粒徑指標(biāo)，進行粗顆粒鹽漬土的配置。最終選定粗細顆粒比為0.429。試驗用顆粒土篩分結(jié)果見圖1。

圖1 試驗用顆粒土篩分結(jié)果

1.3 試驗方法

將土樣用清水沖洗后烘干。將水均勻噴灑于土樣上并攪拌均勻，根據(jù)當(dāng)?shù)赝恋淖匀缓室约巴凉ぴ囼炏碌淖顑?yōu)含水率，配制土的含水率為16%。由于其余種類的鹽對鹽脹的影響較小，故在室溫條件下，配制純硫酸鹽、純氯化鹽、亞硫酸鹽（Cl-/SO42-=1）3 種易溶鹽含量分別為0.5%，1.0%，2.0%，3.0%，4.0%的15組土樣，其他物理參數(shù)不變。裝入測定箱內(nèi)分層壓實，參照TB 10414—2018《鐵路路基工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》壓實系數(shù)取0.92。在土樣中分層埋設(shè)溫度傳感器（如圖2 所示），監(jiān)測土樣溫度。按TB 10414—2018 養(yǎng)護后，依照當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，模擬當(dāng)?shù)貢円箿囟茸兓??？紤]當(dāng)?shù)?2月份氣候及光照條件，選擇與當(dāng)?shù)貧夂蝾愃频臏囟?10～5 ℃。

圖2 溫度傳感器埋設(shè)示意

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 鹽脹系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律

根據(jù)試驗得出的鹽脹量，計算出單位厚度鹽漬土的鹽脹系數(shù)。含鹽量分別為0.5%，1.0%，2.0%，3.0%，4.0%時，不同易溶鹽粗顆粒鹽漬土鹽脹系數(shù)見圖3。

圖3 不同含鹽量時粗顆粒鹽漬土鹽脹系數(shù)

由圖3（a）可知：5 ℃時，純硫酸鈉土樣與亞硫酸鹽土樣鹽脹系數(shù)相差1.59×10-4，變化很小，可以看作影響相似；當(dāng)溫度從-5 ℃降低到-10 ℃時，鹽脹系數(shù)增大的速率加快。這是因為溫度在-5 ℃以下時鹽漬土?xí)a(chǎn)生部分的凍脹從而造成土體體積增大。雖然溫度達到-10 ℃時各條曲線的鹽脹系數(shù)均達到最大值，但其鹽脹系數(shù)并不準(zhǔn)確。鹽脹系數(shù)的比較，還是應(yīng)該從-5 ℃開始研究，此時鹽脹較為準(zhǔn)確。可以發(fā)現(xiàn)純硫酸鈉土樣的鹽脹系數(shù)是純氯化鈉土樣的2.12倍，而亞硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)是純硫酸鈉土樣的0.49倍。

由圖3（b）對比圖3（a）可知：亞硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)曲線與純硫酸鈉土樣的間距增大；與含鹽量0.5%土樣的鹽脹系數(shù)相比，增大了1.8倍左右。亞硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)為純氯化鈉土樣的2倍。

由圖3（c）可知：亞硫酸鹽曲線在圖3（b）的基礎(chǔ)上又靠近純氯化鈉曲線。亞硫酸鹽土樣鹽脹系數(shù)接近純氯化鈉土樣的2 倍。含鹽量0.5%、溫度-5 ℃時，亞硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)相較于純氯化鈉土樣增大了2.02倍；而含鹽量2%時，亞硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)相較于純氯化鈉土樣增大了1.68 倍。其增大的倍數(shù)在減小，說明隨著Cl-總含量的增加，對其鹽脹的抑制作用越來越強。

由圖3（d）可知：亞硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)為純氯化鈉土樣的1.5倍。

由圖3（e）對比圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）、圖3（d）可知：隨著含鹽量的增加亞硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)曲線向純氯化鈉土樣鹽脹系數(shù)曲線移動。純硫酸鈉鹽與純氯化鈉鹽土樣相比于圖3（d）鹽脹系數(shù)略有增加。而亞硫酸鹽土樣鹽脹系數(shù)在減小，其鹽脹曲線已經(jīng)接近于純氯化鹽土樣曲線。說明含鹽量增大到4.0%以上，亞硫酸鹽土樣中Cl-對其鹽脹的抑制接近含鹽量4.0%純氯化鹽土樣的鹽脹。可以看出純硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)相較于圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）、圖3（d）的增加量略有減小，但純氯化鈉土樣鹽脹系數(shù)依然是純硫酸鈉土樣的50%左右，而Cl-含量從0%增加到50%后鹽脹系數(shù)變化量只有之前的0.47倍，可知鹽脹系數(shù)迅速減小，鹽脹量迅速降低。

2.2 亞硫酸鹽、純氯化鹽與純硫酸鈉鹽漬土鹽脹系數(shù)的比較

通常鹽脹結(jié)晶的活躍溫度在-5～0 ℃。在此溫度下鹽脹量占總量的大多數(shù)［10］。研究氯鹽含量的改變對硫酸鹽土樣鹽脹量的影響，只需比較-5 ℃時3 種類型的含鹽土樣的鹽脹系數(shù)，計算硫酸鹽類鹽漬土中氯鹽含量的改變對硫酸鹽土樣鹽脹量的比例系數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 純硫酸鈉鹽與純氯化鈉鹽、亞硫酸鹽土樣鹽脹系數(shù)比較

由表2 可知：①比例系數(shù)k1在含鹽量0.5%時最大，達到0.47。隨著含鹽量的上升開始下降，而含鹽量3.0%時又達到最大值0.47。說明在易溶鹽含量在3.0%以內(nèi)時，純氯化鈉對純硫酸鈉鹽漬土的鹽脹比例系數(shù)約為50%。而當(dāng)易溶鹽含量大于3.0%時，比例系數(shù)迅速減小。表明隨著氯鹽含量的增多且超過3.0%，鹽脹量會迅速減小。②當(dāng)易溶鹽含量較小為0.5%時比例系數(shù)k2為0.95。隨著易溶鹽含量的增加，比例系數(shù)越來越小。特別是含鹽量4.0%時，其比例系數(shù)相比于含鹽量0.5%時降低了0.49。說明當(dāng)含鹽量增加，Cl-對硫酸鹽漬土鹽脹的抑制作用越來越強，在4.0%時鹽脹量減小了約1/2。

通過計算以上比例系數(shù)可以為類似工程鹽脹病害的處理提供依據(jù)。

2.3 亞硫酸鹽影響因素擬合分析

根據(jù)含鹽類型為亞硫酸鹽的粗顆粒鹽漬土在不同溫度、不同低含鹽量下的鹽脹系數(shù)（見圖4），可以通過擬合分析建立計算公式。

圖4 亞硫酸鹽土樣的溫度、含鹽量、鹽脹系數(shù)關(guān)系

由圖4 可知：含鹽量從0.5%到2.0%時，鹽脹系數(shù)增加速率較快，而從2.0%到4.0%時鹽脹系數(shù)平緩下降。說明亞硫酸鹽的粗顆粒鹽漬土在含鹽量2.0%時鹽脹系數(shù)達到峰值，之后隨著含鹽量增加鹽脹系數(shù)逐漸減小。

根據(jù)試驗結(jié)果，含鹽量為0～4%、溫度為-10～5 ℃、含水率為16%時，用Origin 擬合分析得出鹽脹系數(shù)公式為Y=（0.001 84-0.000 309 741x+0.003 36y+0.001 23y2-0.000 338 89xy）/（1-0.073 31x-0.225 67y-0.004 68x2+0.202 87y2+0.019 18xy），R2=0.988 42。式中：Y為鹽脹系數(shù)，x為含鹽量（%），y為溫度（℃）。

3 結(jié)論

1）粗顆粒鹽漬土中硫酸鈉的含量越多，結(jié)晶產(chǎn)生芒硝越多，造成的鹽脹量越大。通過亞硫酸鹽與純硫酸鹽鹽脹對比，發(fā)現(xiàn)Cl-對硫酸鹽土的鹽脹特性有一定的抑制作用。含鹽量4.0%時，亞硫酸鹽土樣的鹽脹系數(shù)近似于純氯化鈉土樣。

2）當(dāng)粗顆粒鹽漬土中為純氯化鈉鹽時，其鹽脹系數(shù)明顯比純硫酸鈉鹽的鹽脹系數(shù)要小。

3）當(dāng)粗顆粒土樣中易溶鹽含量從2.0%增大時，亞硫酸鹽的鹽脹系數(shù)相比于純硫酸鈉的鹽脹系數(shù)開始迅速減小。含鹽量4.0%時，純硫酸鈉鹽脹系數(shù)與亞硫酸鹽的鹽脹比例系數(shù)相比于含鹽量0.5%時降低了0.49。隨含鹽量的增加，Cl-對硫酸鹽漬土鹽脹的抑制作用越來越強。