Cumulative effect of saline construction water on engineering properties of subgrade filling material
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摘要: 针对不同含盐量的砾类硫酸盐渍土, 开展了在加入不同次数、不同含盐类型的施工用水工况下的大型压缩试验、盐胀试验、溶陷试验; 试验以现场调查数据为依据, 基于现场原位土配制了加入不同含盐施工用水类型、不同加入次数的试验土样, 观测不同土样分别在400 kPa荷载条件下、单次降温条件下以及加水溶陷条件下的变形量随时间的变化特点; 分析了多次添加含盐施工用水对砾类硫酸盐渍土工程性质的影响机理。研究结果表明: 随着含盐施工用水加入次数的增加, 砾类硫酸盐渍土的压缩变形呈现先增大后逐渐稳定的趋势, 其压缩模量表现出典型的3阶段变化规律, 且这种规律与含盐施工用水的含盐类型无关; 在降温影响下, 含硫酸盐施工用水的逐渐加入使砾类硫酸盐渍土的盐胀量呈现先显著增加后趋于稳定的趋势, 盐胀量最大增加了7.9倍, 含氯盐施工用水的逐步加入使土样的盐胀量先明显降低后趋于稳定, 最终盐胀量仅为原盐渍土盐胀量的1/13, 且含盐施工用水的加入对砾类硫酸盐渍土的盐胀特性有明显累加效应; 随着含盐施工用水加入次数的增加, 土样的溶陷变形呈不断累加趋势。可见, 盐渍土地区含盐施工用水中的易溶盐即使含量较少, 但多次使用产生的累加效应明显, 亦会对路基工程特性产生较大影响, 在施工过程中需采取预防措施。Abstract: Large-scale compression tests, salt expansion tests, and collapsibility tests were performed under the conditions of construction water with different salt addition times and types for gravelly sulfate saline soil with different sulfate salt contents. Test preparation was based on the site investigation, and samples with different types and times of saline construction water were prepared. The variation characteristics of deformation over time were observed under the condition of a 400-kPa load, single-time temperature decrease, and adding water, respectively. The influence mechanism of adding multiple times of saline construction water on the engineering properties of gravelly sulfate saline soil was analyzed. Research results show that the compression deformation of gravelly sulfate saline soil first increases and then gradually stabilizes as the times of saline construction water increases. The compression modulus shows a typical three-stage variation law, which is independent of the type of saline construction water. Under the influence of cooling, with the gradual addition of sulfate-containing construction water, the salt expansion of gravelly sulfate saline soil tends to become stable after an obvious increase, and the maximum dilatation increases by 7.9 times. The addition of chlorine-containing construction water decreases the salt expansion and then gradually stabilizes. The ultimate salt expansion was only 1/13 that of the original saline soil. Moreover, the addition of saline construction water has an obvious cumulative effect on the salt expansion characteristics of gravelly sulfate saline soil. With the increasing times of saline water additions, the collapse deformation of soil samples shows a rule of accumulation. Therefore, even if the salt content in construction water from a saline area is low, the cumulative effect from multiple uses of construction saline water is obvious and will have a negative influence on the subgrade engineering characteristics. Preventive measures should be taken during the construction process.
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0. 引言
盐渍土广泛分布在世界范围内的干旱和半干旱地区, 据联合国粮农组织统计, 其总面积约占全球陆地面积的6.5%。而亚洲和大洋洲的盐渍土分布最为广泛。中国、巴基斯坦、沙特阿拉伯、印度尼西亚、阿尔及利亚、伊朗等国境内均有大量盐渍土分布。随着世界经济的发展, 部分高速铁路和高速公路工程不得不穿越盐渍土地区。Zhang等[1-3]证明在一定条件下, 盐渍土地区的粗粒硫酸盐渍土可用作路基填料。然而, 盐渍土分布地区的地下水中通常含有一定量的易溶盐, 有些地区水质监测显示易溶盐含量并不高, 但是由于没有意识到其累加效应, 而使得使用当地地下水源施工的路基工程存在潜在的盐渍土危害。同时, 在有些经济相对落后地区, 由于当地施工条件、工程造价等因素的限制, 往往不得不使用当地地下水作为施工用水。以中国西北地区某已建高速铁路项目和中东地区某在建高铁项目为例, 这两个工程项目均穿越盐渍土地区。中国西北某已建高铁工程的路基过渡段由水泥稳定级配碎石填筑, 且碎石经过除盐处理, 但由于对当地地下水含盐的认识不足, 填筑过程中使用了当地地下水, 使得盐分累计达到一定程度后, 侵蚀水泥, 导致路基出现了膨胀破坏。中东地区某在建高速铁路工程的路基由含盐量相对较小的粗粒盐渍土填筑, 由于当地气候干燥, 蒸发量较大, 路基填筑速度较慢, 为了保证每次填筑时路基的含水率, 填筑过程中多次使用了当地含有一定量易溶盐的地下水, 导致路基填料中的易溶盐含量增大, 使得正在修建的路基工程存在潜在的盐胀危害。若在以上地区全部使用淡水进行工程建设, 必定需要远运水, 导致工程造价的急剧升高, 所以使用当地地下水又不可避免, 但使用含盐水会对粗粒硫酸盐渍土的工程性质产生何种不利影响, 累计使用后的影响程度如何, 其导致的危害与路基填料中原始含盐量过高所产生的危害对路基的影响有何差异均需明确, 这是保证盐渍土地区路基变形和稳定性的前提条件。所以, 开展盐渍土地区地下水对粗粒盐渍土工程性质的累加效应研究, 明确易溶盐以溶液形式进入土体以及多次使用含盐水对粗粒硫酸盐渍土宏观工程性质的影响, 揭示含盐地下水对粗粒盐渍土工程性质的影响规律, 以确定含盐水的多次使用对粗粒硫酸盐渍土路基造成危害的形式及危害程度, 可以指导在盐渍土分布区域的工程建设, 为后续采取水质改良等应对措施提供依据, 避免路基工程存在较大安全隐患, 进而确保道路安全、稳定、高效的运营, 因此, 本研究具有较大的工程价值。
迄今为止, 国内外部分学者对粗粒土的工程特性进行了研究。杨晓华等[4]对粗粒盐渍土的工程特性进行了总结; 王诚等[5]对粗粒土进行了室内大型压缩试验研究, 给出了粗粒土压缩变形随加载时间变化的规律, 并分析了初始干密度和初始含水率对粗粒土压缩变形的影响, 但并未研究盐分对粗粒土压缩特性的影响; 康安栋等[6]研究了硫酸盐渍土的变形特性, 指出硫酸盐渍土的压缩系数随含盐量的增加先减小后略微增加; 王利莉[7]研究了氯盐渍土的变形特性, 指出含水率相同时, 随含盐量的增大, 压缩系数先增大后减小。以上分别针对细粒硫酸盐渍土和细粒氯盐盐渍土的压缩变形特性进行了研究, 但针对多次加入含盐水的粗粒盐渍土的压缩特性及其对比分析的研究, 目前还是空白。
盐渍土的盐胀是造成盐渍土地区工程病害的重要原因, 针对盐渍土的盐胀特性: 高江平等[8-9]通过试验, 提出了细粒硫酸盐渍土盐胀率主要受含水率、氯化钠含量、硫酸钠含量、初始干重度和上覆荷载5种因素影响; 张莎莎等[10-12]发现上覆荷载能较大程度的抑制盐胀量, 并提出了影响粗粒硫酸盐渍土盐胀量的敏感因素; 李宁远等[13]对硫酸盐渍土的盐胀原因和盐胀过程做了剖析, 发现硫酸盐的结晶是导致盐渍土盐胀的主要原因; 邓友生等[14]研究了硫酸盐溶液在温度变化时的冻胀与盐胀的特征和规律性, 提出硫酸钠溶液的盐胀必须具备一定的浓度条件, 否则无结晶盐析出, 进而无盐胀产生; 袁红等[15]通过试验提出了盐渍土的起胀含盐量与容许含盐量; 李星星等[16]提出了硫酸钠和水二相体系在降温结晶过程中体积变化率的计算方法; 张莎莎等[17-19]自制粗粒硫酸盐渍土的盐胀试验设备, 开展了模拟昼夜交替及季节循环的温度变化工况下的冻融循环试验和上覆荷载作用下的单次降温试验, 分析了多个因素对粗粒硫酸盐渍土盐胀的影响; Lai等[20]通过试验得出降温速率能影响硫酸钠晶体的析出, 从而影响硫酸盐渍土的盐胀; Xiao等[21]基于溶液相变理论以及多孔介质中的相变理论, 分析了孔隙盐溶液与开放盐溶液相变的异同点, 并提出孔隙的大小是两者之间存在差异的主要因素; Espinosa等[22-23]等研究了多孔介质中盐分的结晶规律; Han等[24]研究了含水率、含盐量以及冻融循环次数对盐渍土冻结温度的影响; Wan等[25]研究了硫酸盐结晶对土体冻结温度, 以及温度变化对盐胀量的影响; Bing等[26]发现随着土中易溶盐含量的提高, 土体的冻结温度将降低, 而氯离子降低土体冻结温度的作用最明显; Wan等[27-28]研究了孔隙盐溶液的初始过饱和率对盐胀量的影响并验证了氯离子对盐胀的抑制作用, 并发现粗粒盐渍土的盐胀量与温度敏感区间有关, 粗粒盐渍土对的温度敏感区间为-7 ℃~0 ℃。分析上述关于盐渍土盐胀试验和机理的研究现状可以发现, 目前关于多次加入含盐施工用水对粗颗粒盐渍土的盐胀规律研究相对较少。
盐渍土的溶陷是导致盐渍土地区工程病害的又一重要因素。程东幸等[29-30]采用现场溶陷试验的方法, 对影响粗粒盐渍土溶陷因素进行了研究, 发现粗颗粒盐渍土溶陷的本质不仅是含盐量和含水率的问题, 粗颗粒含量、土密实性及渗透系数等都是影响地基土溶陷的重要因素; 王利莉等[7, 31]研究了氯盐渍土在不同含水率和含盐量条件下的溶陷变形特性, 定性地分析了氯盐渍土溶陷系数与含水率、含盐量的关系, 发现含水率相同时, 随含盐量的增大, 溶陷系数持续增大, 相同含盐量时, 土体的溶陷系数随含水率的增大而减小; Mansour等[32]通过土体的溶陷试验发现, 如果土样中的可溶盐含量较高, 那么通过固结试验所测得的土体的湿陷性有偏小的可能。
从上述国内外研究现状可知: 现有对砾类硫酸盐渍土的研究大多数侧重于不同含盐量对其工程特性的影响; 针对含有一定量盐分的施工用水(地下水)在粗粒盐渍土地区路基建设中的累计使用效果及其机理研究相对较少, 且含盐施工用水对砾类硫酸盐渍土的压缩特性研究几乎为空白, 而路基的压缩特性直接关系到路基运营中的沉降量大小。所以, 本文从目前盐渍土地区工程建设存在的多次添加含盐地下水导致路基变形过大出发, 针对盐渍土地区地下水中存在的2种主要易溶盐——硫酸盐和氯盐, 配制2种试验用水, 分别对不同添加次数的粗粒硫酸盐渍土开展大型压缩试验、盐胀试验、溶陷试验, 以研究多次使用含盐水对砾类硫酸盐渍土压缩特性、盐胀特性和溶陷特性的影响规律, 并分析其影响机理。
1. 试验材料基本工程性质
1.1 试验土样基本工程性质
试验采用3种砾类硫酸盐渍土均取自中国甘肃河西走廊一带, 如图 1所示, 依据《铁路工程土工试验规程》(TB 10102—2010)对试验土样进行颗粒分析, 并开展重型击实试验得到其最佳含水率和最大干密度, 3种土样的颗粒粒径分析结果见表 1。按照《铁路路基设计规范》(TB 10001—2005)对填料的标准进行分类, 试验用土样均属于级配较好的细圆砾。依据《铁路工程岩土化学分析规程》(TB 10103—2008), 同时参考《盐渍土地区建筑技术规范》(GB/T 50942—2014)对盐渍土进行含盐量分析, 结果表明: 与中国西北地区某高铁和中东地区某高铁沿线粗粒硫酸盐渍土相比, 试验用土的易溶盐含量较低, 为了使试验结果更具代表性, 以便于在广大盐渍土地区推广应用, 向试验用土中添加氯化钠和硫酸钠, 使其含盐量达到盐渍土地区典型含盐量水平。试验用土的易溶盐分析结果见表 2。
表 1 试验土样基本工程性质Table 1. Basic engineering properties of test soil samples土样 不同粒径(mm)颗粒百分含量/% 最大干密度/(g·cm-3) 最佳含水率/% < 0.075 [0.075, 0.5) [0.5, 2) [2, 5) [5, 10) [10, 20) [20, 40) ≥40.000 TL-1 1.170 19.300 15.940 16.160 19.680 19.500 8.250 0.000 2.220 6.700 TL-2 1.410 21.170 14.690 17.470 21.180 15.120 7.330 1.630 2.240 6.400 TL-3 1.170 17.680 15.800 15.590 16.500 20.040 11.100 2.120 2.290 6.100 表 2 土样的易溶盐及离子含量Table 2. Soluble salt and ion contents of soil samples土样 天然土样易溶盐及离子含量/% 试验土样易溶盐及离子含量/% SO42- Cl- HCO3- 易溶盐总含量 SO42- Cl- HCO3- 易溶盐总含量 TL-1 0.086 0.020 0.006 0.157 0.156 0.016 0.006 0.359 TL-2 0.098 0.023 0.006 0.179 0.340 0.040 0.006 0.765 TL-3 0.088 0.021 0.006 0.160 0.433 0.019 0.006 0.900 1.2 盐水基本性质
对中国西北地区某高铁和中东地区某高铁沿线盐渍土地区的地表水、地下水、井水取样, 进行了离子分析, 结果显示: 水样中SO42-离子浓度最高为96.532 g·L-1; Cl-离子浓度最高为133.125 g·L-1; Ca2+离子浓度最高为11.000 g·L-1; Mg2+离子浓度最高为4.800 g·L-1; K+与Na+离子浓度最高为63.008 g·L-1; 大部分地区的水中HCO3-离子浓度为0;CO32-的离子浓度最高为0.483 g·L-1; pH范围为7.02~11.50, 大都在7~9;游离CO2含量最高为0.035 g·L-1。
依据上述离子分析结果, 并以使试验结果具有代表性为目的, 将出现次数最多, 含盐量为中等的2种水样选为试验用水。由于水中HCO3-、CO32-含量较低, 且土体因盐分而发生的破坏主要与氯离子和硫酸根离子有关[33], 因此, 在配制试验用水时忽略这2种阴离子。试验用水是向纯水中加入硫酸钾和硫酸钠配置成试验水样A, 记为SW-A, 向纯水中加入氯化钾和氯化钠配置成试验水样B, 记为SW-B。试验用水的离子分析结果见表 3。
表 3 试验用含盐水主要离子含量Table 3. Main ion contents of saline water in experiment水样 阳离子含量/(g·L-1) 阴离子含量/(g·L-1) 矿化度/(g·L-1) Na+ K+ SO42- Cl- SW-A 9.704 20.109 45.000 0.000 74.813 SW-B 9.971 21.453 0.000 35.000 66.424 2. 试验方案设计
2.1 盐水添加方案设计
为了研究掺入盐水的次数对砾类硫酸盐渍土工程性质的影响, 开展了大型压缩试验、盐胀试验、溶陷试验。试验土样准备情况如下: 制备土样时, 总加水量为5次, 盐水掺加量为n(n=0, 1, …, 5)次, 淡水掺加量为(5-n)次, 具体如下: 向土样TL-1中分别加入0~5次SW-A, 编号为S0~S5;向土样TL-2中分别加入0~5次SW-B, 编号为C0~C5。闷料养生24 h以使盐水在土样中分布均匀, 再按各试验的要求分别将土样击入相应的试验容器内。TL-3不添加盐水。盐水添加方案见表 4。
表 4 盐水添加方案Table 4. Adding schemes of saline water盐水类型 土样 编号 盐水掺入次数 纯水掺入次数 SW-A TL-1 S0 0 5 S1 1 4 S2 2 3 S3 3 2 S4 4 1 S5 5 0 SW-B TL-2 C0 0 5 C1 1 4 C2 2 3 C3 3 2 C4 4 1 C5 5 0 2.2 掺入盐水土样的工程特性试验方案
大型压缩试验采用1 MN大型固结仪。该仪器适用于测量最大粒径为60 mm粗颗粒土的变形与压力或孔隙比与压力, 变形与时间的关系。其变形传感器量程为50 mm, 精度为±0.2%F.S(Full Scale); 压力传感器量程为1 MN, 稳定精度为±1%。图 2为大型压缩试验流程。
将完成养生的土样S0~S5、C0~C5, 分别按92%的压实度分3层均匀击入试验容器, 试验容器内径为500 mm, 高度为250 mm, 其后放入压缩仪。打开仪器和操作软件, 首先对试样进行预压, 而后再分别按0、50、100、200、300与400 kPa逐级加载。当每级荷载下的变形率不大于0.05 mm·h-1时, 则认为试样在该级荷载下变形稳定, 开始施加下一级荷载。以此类推, 直到达到设计荷载(400 kPa)且土样变形稳定后, 进入卸载程序。
盐胀试验[3]降温设备采用的是自制简易型高低温试验箱(可控温度-15 ℃~50 ℃), 其原理如图 3所示。此装置有2大优点可以保证试验的准确性: 第一, 读数时, 不需要打开仪器舱门, 保证仪器内部温度不发生变化; 第二, 此仪器百分表设置在隔温层外部, 保证百分表不会因低温而降低精度。试验容器采用的是内径为240 mm、高为250 mm的自制有机玻璃桶, 将完成养生的土样S0~S5、C0~C5, 分别按92%的压实度分3层均匀击入试验容器, 将土样TL-3分别以压实度97%、95%、92%分3层均匀击入试验容器中, 编号Y0~Y2。然后放入试验箱内开始试验。降温起始温度为25 ℃, 降温速率5 ℃·h-1, 在每级温度梯度下稳定1 h, 降至设定最低温度-15 ℃后恒温5 h, 记录每级温度下的盐胀量。
溶陷试验[3]所采用的试验仪器原理如图 4所示。将试验土样分别以92%的压实度分3层均匀击入自制浸水容器内。浸水容器为特制的有机玻璃桶, 其内径为280 mm, 高为70 mm, 上下2面均能自由排水, 试样上表面装有钢排水板, 可使土样均匀负荷。有机玻璃桶外侧安装有可拆卸铁箍, 可限制土样的侧向变形。
溶陷试验加载系统采用100 kN级电子万能试验机。加载程序为: 在0~200 kPa范围内, 以50 kPa为一级荷载, 逐级加载。当每级荷载下的变形率不大于0.01 mm·h-1时, 则认为试样在该级荷载下变形稳定, 开始施加下一级荷载。试样处于压力200 kPa下且变形稳定后, 由上至下向试筒中加入淡水, 溶滤土样。土样变形稳定后加载至300 kPa, 记录各级荷载下的变形量。溶陷试验设计的加水量是根据中东地区某高铁沿线雨量观测站监测到的最大降雨量40 mm计算得来的。
3. 掺入盐水土样的工程特性
3.1 掺入盐水土样的压缩特性
分别掺入0~5次盐水的土样的压缩试验结果如图 5~7所示。图 5是土样S0~S5、C0~C5在荷载从300 kPa增加至400 kPa后并稳定的过程中, 其沉降量的变化情况。图 6是土样S0~S5、C0~C5在荷载从0增加至400 kPa的过程中的孔隙率e与荷载p关系的对数曲线(e-lg(p))。图 7是随加入盐水次数的增加, 土样压缩模量的变化情况。
图 5 荷载400 kPa后压缩变形-时间曲线Figure 5. Compression deformation-time curves ofter 400 kPa load
图 7 压缩模量与加盐水次数关系曲线Figure 7. Relation curves between compression modulus and times of adding saline water从图 5可知: 不论加入以何种盐分为主的盐水, 随着加盐水次数的增加, 土样从前一级荷载加载至后一级荷载变形稳定所需的时间逐步增加, 增加的幅度呈先增加后稳定的形式; 盐水添加次数从0增加至2的过程中, 土样的总沉降量逐渐增大; 添加第3次盐水后, 土样总沉降量呈突变式增大; 添加第4、5次盐水后, 总沉降量逐渐减小恢复至添加第2次盐水后的水平; 与加入5次纯水相比, 盐水加入次数的增加使得砾类硫酸盐渍土的压缩变形量增加了约59%, 最大时增加了约1.19倍。
从图 6可知: 无论是加入何种含盐水的土样, 其在荷载从0逐步加载至400 kPa的过程中, 加盐水次数与孔隙比之间的规律与上述荷载从300 kPa上升至400 kPa时, 加盐水次数与压缩量之间的规律基本相同, 说明盐水加入次数对硫酸盐渍土压缩特性的影响与土样所受荷载关系不大; 随着加盐水次数的增加, 土样的压缩指数先显著增加后逐渐减少, 且在加入第3次盐水后压缩指数达到最大值, 与荷载从300 kPa上升至400 kPa时, 加盐水次数与土样压缩变形量之间呈现的规律接近。
从图 7可知: 无论是加入以氯盐为主的盐水还是以硫酸盐为主的盐水, 随着盐水的加入, 其压缩模量呈现出的规律均可以分为3个阶段: 第1阶段为略微上升阶段; 第2阶段为显著下降阶段; 第3阶段为逐步上升至稳定阶段; 与加入5次纯水相比, 加入5次盐水土样的压缩模量减少了约55%。说明盐水的加入次数对砾类硫酸盐渍土的压缩特性产生了较大影响。
压缩试验所用试筒的体积固定且相同, 由盐水添加方案可知每个试样的总含水率相同, 随着盐水加入次数的增加, 土样中的易溶盐含量不断提高。
在0次添加盐水的工况中, 添加5次纯水以达到最佳含水率, 大型压缩试验所得此种工况下土样的压缩量最小, 这是因为此刻土样的最大干密度和最佳含水率正是在该工况下进行重型击实试验得到的, 即此工况下, 土样的密实度相对最佳, 所以, 得到的压缩量最小。而在添加1~5次盐水以达到所谓的最佳含水率的工况中, 土样的实际最佳含水率已经随着水中易溶盐的增加而发生了改变。随着含盐量的增加, 土样的最佳含水率增加[34], 因此, 在加入第1~5次盐水的过程中, 相较于最佳含水率, 土样的含水率越来越小, 对应的干密度亦越来越小, 密实度越来越低。
同时, 在一定的温度条件下, 且温度变化量较小时, 易溶盐在水中的溶解度是定值, NaCl和Na2SO4的溶解度曲线如图 8所示[9-10, 16], 虚线以左温度较低的阶段, 硫酸盐吸水生成Na2SO4·10H2O, 虚线以右温度逐渐升高, 硫酸盐失水形成Na2SO4。从图 8可知: 温度为20 ℃左右时NaCl和Na2SO4的溶解度分别为36.0和19.5 g。结合试验结果可以推测, 在前3次盐水的加入过程中, 原本在土体中起胶结土骨架作用或孔隙填充作用的易溶盐均被加入的水分溶解, 且土样的密实度随含盐水加入次数的增加逐渐降低, 因此, 土样压缩变形量越来越大, 尤其是第3次盐水的加入, 使得土样中的盐分达到了易溶盐的最大溶解度, 且此时相较于前2次加入盐水, 土体结构最为松散, 故此时压缩量最大。当第4次含盐水加入时, 盐水的加入使得盐分在土样中积累, 土样中的易溶盐已超过饱和, 部分易溶盐结晶析出, 水分也未能溶解原本存在于土体中的易溶盐, 其依然存在于土体中, 以晶体形式填充孔隙或充当土颗粒间的胶结物质, 故在第4、5次加入含盐水时, 土体的压缩变形量开始减小, 压缩指数减小, 同时压缩模量增大。
3.2 掺入含盐水土样的盐胀特性分析
图 9描述了土样TL-1和TL-2分别掺入0~5次SW-A(含硫酸盐盐水)和SW-B(含氯盐盐水)后, 在试验设定的温度梯度影响下, 其总盐胀量的变化情况。图 10描述了TL-3在不同压实度下, 经历上述降温梯度后其盐胀量的变化情况。
图 9 加盐水次数-盐胀量关系曲线Figure 9. Relation curves between times of adding saline water and salt expansion
图 10 TL-3压实度-时间-盐胀量关系曲线Figure 10. Relation curves of compactness-time-salt expansion of TL-3从图 9可知: 单次加入盐水对土样盐胀性质影响不大, 随着盐水加入次数的增加, 土样盐胀性质发生剧烈变化, 特别是加入第2、3次盐水后, 此时, 加硫酸盐盐水(SW-A)的土样盐胀量显著上升, 加氯盐盐水(SW-B)的土样盐胀量明显减少; 随着盐水加入次数的继续增加, 加硫酸盐盐水土样的总盐胀量继续增加, 但增长幅度逐渐减小, 加入含氯盐盐水土样的总盐胀量继续减少, 但减小幅度逐渐降低; 与加入5次纯水的土样相比, 含硫酸盐施工用水加入次数的增加对盐胀的贡献较大, 最大使盐胀量增大了约7.9倍, 而含氯盐盐水的加入次数对土样的影响主要表现为增加下陷量, 这在一定程度上减少了土样的盐胀, 最大使盐胀量减少了12/13。
由图 10可知: 在降温初期, 砾类硫酸盐渍土在压实度相对较小的工况下, 盐胀量较小; 在降温后期(8 h以后), 砾类硫酸盐渍土在压实度较大的工况下, 盐胀量相对较小; 压实度从92%提高到97%, 盐胀量下降了约14%。这与前期研究结论[12]有一定的差别, 主要原因是颗粒组成的影响。
图 9、10中盐胀量的变化规律产生的原因为: 硫酸盐渍土在盐胀时, 存在起胀含盐量[8], 由于本试验使用的土样中含有一定水平的氯盐, 考虑到氯离子对硫酸盐渍土盐胀的抑制作用且此时土样中硫酸盐含量较少, 故第1次加入SW-A(含硫酸盐盐水)后, 盐胀量较小; 第2次和第3次加入SW-A(含硫酸盐盐水)后, 此时土样中的硫酸盐含量逐渐累计, 硫酸盐含量水平相对较高, 且水分较为充足, 因此, 在降温影响下, 硫酸钠结晶析出, 土样盐胀量明显增大; 在加入第4和第5次SW-A(含硫酸盐盐水)后, 虽然土样中的硫酸盐含量水平较高, 但由于土样中所含水分有限, 硫酸钠析出所需的水分补给不足[12], 因此, 土样的盐胀量呈增加并最终稳定的趋势。
随着SW-B(含氯盐盐水)的加入, 土样中Cl-/SO42-不断增加, 由于NaCl对Na2SO4的同离子效应, 使得Na2SO4可结合的水分减少, 从而结晶盐的析出量降低, 即析出的Na2SO4·10H2O减少, 土样的盐胀量随之减少[35]。此外, 氯化钠具有降低水结冰点的作用, 浓度越高, 降低冰点的作用越明显, 且其降低冰点的效果远强于硫酸钠, 因此, 氯化钠的加入降低了土样的起胀温度, 这在一定程度上抑制了硫酸盐渍土的盐胀。
3.3 掺入含盐水土样的溶陷特性分析
分别掺入0~5次盐水土样的溶陷试验结果如图 11、12所示。
图 11 溶陷系数与加盐水次数关系曲线Figure 11. Relation curves of collapsibility coefficient and times of adding saline water
图 12 最终变形量与加盐水次数关系曲线Figure 12. Relation curves of ultimate deformation and times of adding saline water由图 11可知: 无论加入何种含盐水, 随着含盐水加入次数的增加, 土样的溶陷系数不断增加。由图 12可知: 随着含盐水加入次数的增加, 土样的最终变形量先显著增加, 至第3次加入含盐水时达最大值, 后逐渐减小并趋于稳定, 且这种规律与加入含盐水的类型关系不大。
与加入5次纯水的试样相比, 含硫酸盐盐水的多次使用, 使得砾类硫酸盐渍土的溶陷变形量增加了约4.46倍; 含氯盐盐水的多次使用, 使得砾类硫酸盐渍土的溶陷变形增加了约8.05倍。
由于土样的最佳含水率和最大干密度是在加入0次盐水工况下进行重型击实试验得到的, 因此, 加入0次盐水时, 土样相对最为密实。在加入0~5次盐水的过程中, 含盐量的升高使得土样的最佳含水率升高, 造成土样的实际含水率小于最佳含水率, 实际密度小于最大干密度, 因此, 随着盐水的加入, 土样的密实度越来越低。
在加入0~3次含盐水的土样中, 由于土样中的盐分已被土样中的水分全部溶解, 土样中没有充当土颗粒间胶结物质以及颗粒填充作用的盐分存在, 但在此过程中土样含盐量不断升高, 故其密实度越来越低, 因此, 在压力作用下, 加入0~3次含盐水的土样的溶陷变形逐渐增大。在加入4、5次含盐水的土样中, 土样中的水分未能全部溶解易溶盐, 因此, 有部分易溶盐以晶体形式存在于土样中, 起胶结土颗粒以及孔隙填充作用, 在加入淡水溶滤土样时, 加入的淡水将这部分盐分全部溶解, 造成土体结构松散, 且此时土样中累计的含盐量较高, 其结构密实度低, 在压力作用下, 土颗粒重新排列, 故在加入4、5次含盐水时, 土样的溶陷变形持续增加。
土样的最终变形量等于加水溶滤之前的压缩变形量与溶陷变形量以及溶滤后土样的压缩量3部分之和。加水溶陷之前, 土样的变形规律与压缩试验大致相似。由于相比溶陷变形量以及溶滤后的压缩量, 土样加水溶陷之前的压缩量较大, 故而土样的最终变形量呈现与压缩量大致相同的规律, 如图 12所示。
溶陷试验进行时, 用于溶滤2种土样的淡水量相同, 且环境温度均为20 ℃, 此种温度水平下, NaCl (36.0 g)的溶解度高于Na2SO4(19.5 g)的溶解度, 因此, 相同水分能溶解的NaCl大于Na2SO4, 所以加入氯盐盐水土样的溶陷变形增加量约为加入硫酸盐盐水土样的1.8倍。
4. 结语
(1) 随着含盐施工用水的加入, 砾类硫酸盐渍土的压缩变形先显著增大后逐渐稳定, 最大可使压缩变形量增加2.3倍, 其压缩模量的变化呈现出典型的S型三阶段规律且这种规律与含盐水的主要离子组成无关。盐水加入次数对砾类硫酸盐渍土压缩特性的影响主要与土样中的累计含盐量以及结晶盐在土颗粒间的分布形式有关。
(2) 在降温梯度下, 随着含硫酸盐盐水的加入, 砾类硫酸盐渍土的盐胀变形先显著增加后趋于稳定, 增加幅度先大后小, 最大时使盐胀量增加了约7.9倍。硫酸盐含量达到一定水平时, 盐胀量趋于稳定。
(3) 在降温梯度下, 含氯盐盐水的加入在一定程度上抑制了盐胀, 盐胀变形先显著降低后趋于稳定, 降低幅度先大后小, 最大时使盐胀变形相对减少了12/13。氯盐对硫酸盐渍土盐胀的抑制作用主要与含盐水加入后土样中累计的NaCl与Na2SO4的相对含量有关。
(4) 随着含盐水的加入, 砾类硫酸盐渍土的溶陷变形呈现逐步增加的趋势, 最大可使溶陷变形增加8.05倍。含盐地下水加入次数对砾类硫酸盐渍土溶陷特性的影响主要与土样中的累计含盐量、盐分在土颗粒间的分布形态以及降雨量有关。
(5) 在盐渍土地区进行路基施工过程中, 即使地下水中易溶盐含量较少, 仍然必须重视含盐地下水对路基工程特性的累加效应。同时, 为了保证盐渍土区域工程的建设质量, 应进一步开展盐渍土区域地下水作为施工用水的水质改良研究。
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图 5 荷载400 kPa后压缩变形-时间曲线
Figure 5. Compression deformation-time curves ofter 400 kPa load
图 7 压缩模量与加盐水次数关系曲线
Figure 7. Relation curves between compression modulus and times of adding saline water
图 9 加盐水次数-盐胀量关系曲线
Figure 9. Relation curves between times of adding saline water and salt expansion
图 10 TL-3压实度-时间-盐胀量关系曲线
Figure 10. Relation curves of compactness-time-salt expansion of TL-3
图 11 溶陷系数与加盐水次数关系曲线
Figure 11. Relation curves of collapsibility coefficient and times of adding saline water
图 12 最终变形量与加盐水次数关系曲线
Figure 12. Relation curves of ultimate deformation and times of adding saline water
表 1 试验土样基本工程性质
Table 1. Basic engineering properties of test soil samples
土样 不同粒径(mm)颗粒百分含量/% 最大干密度/(g·cm-3) 最佳含水率/% < 0.075 [0.075, 0.5) [0.5, 2) [2, 5) [5, 10) [10, 20) [20, 40) ≥40.000 TL-1 1.170 19.300 15.940 16.160 19.680 19.500 8.250 0.000 2.220 6.700 TL-2 1.410 21.170 14.690 17.470 21.180 15.120 7.330 1.630 2.240 6.400 TL-3 1.170 17.680 15.800 15.590 16.500 20.040 11.100 2.120 2.290 6.100 
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表 2 土样的易溶盐及离子含量
Table 2. Soluble salt and ion contents of soil samples
土样 天然土样易溶盐及离子含量/% 试验土样易溶盐及离子含量/% SO42- Cl- HCO3- 易溶盐总含量 SO42- Cl- HCO3- 易溶盐总含量 TL-1 0.086 0.020 0.006 0.157 0.156 0.016 0.006 0.359 TL-2 0.098 0.023 0.006 0.179 0.340 0.040 0.006 0.765 TL-3 0.088 0.021 0.006 0.160 0.433 0.019 0.006 0.900
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表 3 试验用含盐水主要离子含量
Table 3. Main ion contents of saline water in experiment
水样 阳离子含量/(g·L-1) 阴离子含量/(g·L-1) 矿化度/(g·L-1) Na+ K+ SO42- Cl- SW-A 9.704 20.109 45.000 0.000 74.813 SW-B 9.971 21.453 0.000 35.000 66.424
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表 4 盐水添加方案
Table 4. Adding schemes of saline water
盐水类型 土样 编号 盐水掺入次数 纯水掺入次数 SW-A TL-1 S0 0 5 S1 1 4 S2 2 3 S3 3 2 S4 4 1 S5 5 0 SW-B TL-2 C0 0 5 C1 1 4 C2 2 3 C3 3 2 C4 4 1 C5 5 0
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