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冻融循环条件下重塑硫酸盐渍土变形试验研究.docx
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冻融循环条件下重塑硫酸盐渍土变形试验研究.docx
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盐渍土广泛分布于西北季节冻土区,受气温周期波动的影响,寒区活动层
内土体会产生反复的冻结和融化,冻融循环改变了土体的内部结构,宏观上表
现为土体位移的变化。盐渍土的冻胀、盐胀是一个复杂的问题,其性质受温度、
水分、盐分、土质等多种因素的影响
[ 1-3]
,冻融过程中涉及多相之间的转变及
土体自身结构的调整。相较于其他类型盐渍土,硫酸盐渍土的盐冻胀破坏最为
严重
[ 4]
。在极端气候环境条件下,常发生公路、铁路、石油管道等工程变形
破坏
[ 5-7]
,造成巨大经济损失,甚至引发严重的安全问题。因此,开展硫酸盐
渍土的冻胀、盐胀研究工作对于保障西北季节冻土区工程建筑物的安全是十分
必要的。
许多学者对冻融作用下盐渍土的盐胀性质开展了研究
[ 8-9]
,重点开展室内
试验,少数学者进行了室外试验
[ 10]
。主要涉及以下几个方面的研究:(1)
冻融作用下盐渍土中的水盐迁移。徐学祖等
[ 11]
通过室内试验研究了水分和盐
分在正冻土中的迁移,表明试样体积增大是由于水分的迁移、冻结及盐离子与
土颗粒相互作用引起的,但没有阐明水盐迁移的驱动力。随着科学技术的发展,
许多高精度传感器被用于研究土体的变形机理
[ 12-13]
,发现基质吸力梯度是水
盐迁移的驱动力
[ 14]
。陈肖柏等
[ 15]
发现,降温及蒸发过程中,盐分从暖端向
冷端、从湿区向干区迁移、聚集并结晶,是盐胀产生的主要原因。吴道勇等
[ 16]
研究了盐分、水分重分布过程对土体变形的影响,发现含盐量较低时冻胀
和融沉是土体变形的主要因素,含盐量较高时盐胀和溶陷占主导作用。(2)
冻融作用下土体的变形规律。包卫星等
[ 17]
对天然盐渍土进行反复冻融循环试
验研究,表明低液限黏土冻融循环过程中盐胀具有较好累加性,其盐胀率与冻
融周期之间的关系符合二次抛物线变化规律。肖泽岸等
[ 18]
从盐渍土盐胀的影
响因素着手,对盐渍土盐胀的变形规律有了较为深入的认识。高江平等
[ 19]
、
张莎莎等
[ 20]
利用回归分析得到多因素盐胀率计算公式。邴慧等
[ 21-22]
为了探究
硫酸钠盐对土体冻胀的影响,开展了室内开放系统下粉质黏土冻结试验,表明
土体变形主要是由冻胀引起,但对于多次反复冻融过程中,参与到土体变形中
的盐胀变形及冻胀变形到底有多大,还需进一步研究。也有学者
[ 23-26]
基于溶
液相图计算了降温过程中晶体的体积变化,提出仅适用于正温时的盐胀计算模
型,对于负温下土体的盐胀、冻胀研究还较少
[ 27]
。盐渍化土体在冻融循环作
用下的变形是一个复杂的水热盐力耦合过程,不同种类的盐分和不同含盐量的
土体在冻融循环作用下会表现出不同的变形特性
[ 18]
。(3)由于不同盐分的
存在,冻融过程中涉及到的冻结温度也发生变化。邴慧等
[ 28]
考虑了不同因素
对土体冻结温度的影响,表明土体的冻结温度随含盐量的增加而降低,随含水
率的增加而增大。Wan 等
[ 29]
进一步研究了盐渍土的冻结温度,提出青藏高原
粉质黏土冻结温度的一般计算公式。
上述研究成果为正确认识盐渍土水盐迁移、变形特性奠定了良好的基础,
为盐渍土地区工程建设提供了理论依据。但硫酸盐渍土中存在多种稳定和亚稳
定晶型,导致冻融循环等特殊的温湿环境条件下其变形破坏机理尚不十分明确。
而针对冻融土体内部孔隙水压力的试验测试,相关研究较少
[ 30]
。针对这些问
题,本文开展不同含盐量硫酸盐渍土的多次冻融循环试验,探究冻融过程中盐
胀和冻胀对土体变形的贡献,分析冻融过程中温度、水分、盐分等量与土体变
形的关系,阐明冻融过程中孔隙水压力与基质吸力对土体变形的影响,为进一
步认识冻结盐渍土变形机理提供试验依据。
1 材料与方法
试验土样为采自青海省海南藏族自治州共和县大水桥镇的粉土,根据《土
工试验方法标准》
[ 31]
进行基本物理力学试验,结果见表 1。天然土体中含有
大量可溶盐,各离子含量见表 2,其中主要阳离子为 Na
+
,主要阴离子为 Cl
-
和 SO
4
2-
。首先,将天然盐渍土与蒸馏水充分搅拌,待溶液澄清后抽出澄清液
体,即完成一次清洗。然后,再加入蒸馏水,反复清洗,直到溶液电导率与蒸
馏水接近。此时认为土体中的盐分已清洗干净,降低了多种离子相互作用对试
验结果的影响。将去除盐分的土体在 105 ℃条件下烘干、碾碎,并过 2 mm
的筛备用。
表 1 土体的基本物理参数
Table 1 Basic physical parameters of the soil
土
壤
类
型
密度/
(g·cm
-
3
)
液限
/%
塑限
/%
塑
性
指
数
最大干密
度/
(g·cm
-
3
)
最
佳
含
水
率
/%
比重
粉
土
1.4
28.3
20.0
8.3
1.8
17
2.589
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表 2 天然盐渍土中各离子含量 ( mg·L
-1
)
Table 2 Ion contents in the natural saline soil (umit: mg·L
-1
)
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