压实度对苏打型盐渍土冻融特性影响研究

    宫滢 王正君 赵安平

    

    

    

    摘 要：研究冻融作用下压实度对盐渍土工程性质的影响，解释盐胀病害发生机理、发展规律和影响因素，为研究区域工程建设提供理论指导。选取大庆地区典型的苏打型盐渍土，在分析其理化性质的基础上，设计压实度为85%、90%、95%的3组试样，借助土工冻胀试验箱对大庆地区苏打型盐渍土进行冻融循环试验。试验结果表明：封闭系统中压实度为85%时以冻（盐）胀为主，90%时融沉显著，而95%的压实度能较好地抑制冻胀和融沉;其中第1个冻融循环对苏打型盐渍土的变形影响最大;由于研究区域地下水位较高，为模拟实际工况，进行补水试验，结果显示，补水条件下苏打型盐渍土对温度变化更加敏感，土的融沉比冻胀问题更突出，在实际工程中应做好地下水的处理工作。

    关键词：盐渍土;压实度;冻融循环;冻胀-融沉特性;补水试验

    中图分类号：TU752    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2020）05-0112-07

    Abstract：The influence of compaction degree on engineering properties of saline soil under freeze-thaw was studied， explain the mechanism of salt swelling， laws of development and influencing factors， and provide theoretical guidance for the study of regional engineering construction， the typical soda saline soil in Daqing area was selected， based on the analysis of its physical and chemical properties， three groups of samples with compactness of 85%， 90% and 95% were designed， and the freeze-thaw cycle test of soda saline soil in Daqing area was carried out with the help of the frost heave test box. The results showed that when the degree of compaction was 85%， frost heave （salt heave） was the main factor， and when the degree of compaction was 90%， thaw settlement was significant， while 95% of the degree of compaction can restrain frost heave and thaw settlement. The first freeze-thaw cycle had the greatest influence on the deformation of soda saline soil. Due to the high groundwater level in the study area， in order to simulate the actual working condition and carry out water replenishment test， the results showed that sodic saline soil was more sensitive to temperature change under the condition of water supplement， the problem of soil thawing settlement was more prominent than that of frost heaving， and groundwater treatment should be done in actual projects.

    Keywords：Saline soil; degree of compaction; freeze-thaw cycle; frost heaving and thawing characteristics; water supplement test

    0 引言

    盐渍土指自然环境中碱土和盐土以及诸多盐性土体和碱性土体，具有溶陷、盐胀以及腐蚀性等特性的特殊土体[1]。由于全球气候环境的变化，截至2016年，松嫩平原盐渍土面积已增至393.7万hm2，且盐渍化程度日益恶化[2]。其中大庆地区盐碱化程度变化尤为明显，而冻融作用是該地区土壤盐渍化程度不断加剧的重要原因[3]。对盐渍土的研究起源于苏联，早在20世纪40年代就已经开展关于盐渍土的研究[4]。我国盐渍土分布广泛，但研究起步较晚。最初是对农业问题的研究，随着经济发展，逐渐发展到岩土工程领域，我国目前对盐渍土工程领域的研究主要集中在利用和改良、工程防治以及演化机理。对于松嫩平原寒旱区土地盐碱化研究从20世纪50年代开始[5]，虽然已经取得一定的成果，但研究仍然以农业问题为主，目前对盐渍土的工程性质研究较少;研究人为活动影响考虑的较少，成因分析以单因素、定性为主，缺乏定量化和系统性[6]。

    大庆苏打盐渍土盐分组成以NaHCO3和Na2CO3为主，具有分散性、钠盐含量高的特性。已有研究表明，苏打型盐渍土物理力学性质对温度、水分和环境等变化十分敏感[7-10]，其力学性质在温度、含水量和环境等条件改变时易发生变化，从而导致大量工程破坏。

    大庆苏打盐渍土的盐碱化过程与冻融作用密切相关。Wu等[11]、马驰[12]、肖泽岸等[13]的研究表明，冬季土壤冻结，盐分随着水分从下层（非冻层）向表层（冻层）迁移，春季表层土壤融化，盐分随着水分迁移积累在表层。由于该地区地势平坦，夏季虽降雨较多但水分不易排出，降水淋盐作用有限。张云德[14]、王文华等[15]、石群等[16]吕擎峰等[17]的研究也表明，冻融作用下盐渍土极易发生水盐迁移，且盐分会随水分在土体内部重新分布，导致土体内部物质迁移和微观结构变化 ，致使土体相关的工程力学性质劣化、工程病害加剧和生态环境负效应问题不断增加[18-24]。

    压实度是检测路基路面施工质量的重要指标之一，反映土体干密度的大小，对路基和基层的强度、耐久性和稳定性影响较大，压实度不足会引起路面不同形式的破坏[25-27]。因此不同压实度在冻融循环下对土体力学性质的影响是一个值得关注的问题。本文以大庆地区苏打型盐渍土为研究对象，首先通过大量的现场勘察，充分了解研究区盐渍土发育情况和成因。然后利用室内物理化学试验、冻融试验，对其基本物理力学性质和工程特性进行研究，重点分析了开放和封闭的系统中，压实度对反复冻融循环作用下盐渍土冻（盐）胀融沉特性的影響。从而揭示冻融循环对大庆苏打型盐渍土的冻胀-融沉和力学性质的影响规律，为研究区的工程建设和相关的工程灾害、环境灾害治理提供依据。

    1 试验内容与方法

    1.1 基本理化性质指标试验

    以大庆苏打型盐渍土为试验对象，依据《土工试验规程》（SL 237—1999）测量土样天然含水量、含盐量及pH，并进行颗粒级配分析、击实试验和液塑限联合测定等试验，得到土样基本理化性质参数和阳离子成分，见表1和表2。

    由表2可见，研究区试样的Na+含量较高，由于钠离子水膜较厚且分散性强，在水分充足的条件下，钠离子遇到补充的水分发生崩解变形。

    1.2 冻融循环试验

    试验所用土工冻胀试验箱（XT 5405 FSC型），可完成冻结过程中封闭不补水及开敞补水条件下的冻胀融沉试验。试验箱分为3部分：冻胀融沉循环试验装置、冻融循环试验箱、数据采集和量测装置。

    试验筒由有机玻璃制成，高180 mm，外径120 mm，内径100 mm，在试验筒的一侧设置有8个温度传感器，用来量测冻融循环过程中试样不同高度处的温度。顶板中间是凹陷的锥槽，用来放置位移传感器，量测冻融试验过程中试样变形量。底板补水孔与箱体后侧的马氏补水瓶相连，用于模拟补水条件下的试验。

    1.2.1 试验方案

    为明确不同压实度对盐渍土受冻融循环影响后变化的过程和规律，以压实度为试验变量进行试验。分别将初始压实度为85%、90%、95%，含水率采用最优含水率14%，含盐量为原始含盐量（0.4%）的试样放入冻胀箱，

    试样高12.6 cm，直径10 cm，从试验筒底部竖直向上每隔15 mm安插一个温度传感器，序号为1-8（由于6号传感器损坏，将位置空出）。试样顶端安插一个位移传感器，用于监测试样体积的变化。为使试样由室温降至低温状态，准备进入冻结，在进入正式冻融循环之前，将顶板、底箱体均设定为1 ℃，恒温保持6 h。冻结过程中顶板温度设置为-15 ℃，底板为1 ℃;融沉过程中顶板温度设置为15 ℃，底板为1 ℃。冻融时间均为12 h，重复循环3次。

    1.2.2 试样制备

    试验在最优含水率的条件下，分别制备压实度为85%、90%、95%的试样。参照《土工试验规程》（SL 237—1999）及《冻土试验指导》的标准进行制备，具体步骤如下。

    （1）按土工试验要求，将试验所用的盐渍土烘干，碾碎，过粒径2 mm的颗粒筛，按最优含水率14%加入去离子水配置试样，用保鲜膜密封放置24 h，使土中水分均匀。

    （2）试样按85%、90%、95%的压实度分别计算所需土量，利用击实筒将土样分3次击实。制成内径10 cm、高12.6 cm的试样。用推土器将土样脱模。

    （3）将脱模的土样放入内壁涂抹一层凡士林的有机玻璃内，上下各垫一张滤纸，然后放上顶板，并稍加力按压使土与顶板、底板紧密接触。从上至下依次插入热敏电阻温度计及位移传感器，周围包泡沫塑料保温。

    2 结果与分析

    2.1 温度-时间关系曲线

    通过在土体不同高度上的温度传感器可以得到土体的内部温度场分布随时间的变化情况，如图1—图3所示。图1—图3分别是压实度为85%、90%、95%的试样在封闭不补水条件下不同高度经过3次冻融循环其内部温度的变化情况。

    从图1—图3中可看出，恒温阶段温度规律为从上至下依次降低，但在冻结的过程中可清晰看出在7号孔处温度较高，与3、4、5号孔处图像出现交叉。推断其温度升高的原因，可能与水分和盐分迁移以及冻结锋面的存在有关。在单向温度梯度冻结作用下，盐分会随着水分从温度高的底端向温度低的顶端上移[28-29]，水分与盐分在冻结时均有释放热量的反应，造成冻结锋面附近的温度升高。通过对比不同压实度条件下以及每次冻融循环时土体内部温度的变化，均是7号孔位置出现异常，由此可推断冻结锋面一般出现在距顶板1/3处，但温度升高的程度和出现时间与压实度有关，也与冻融循环次数有关。

    2.2 位移-时间关系曲线

    通过位移传感器检测到试样竖向位移随时间的变化，曲线下行为冻（盐）胀，上行为溶陷，位移变化如图4—图6所示。

    图4为压实度为85%条件下，在冻融前经历6 h、1 ℃的恒温过程，在这段时间内试样体积增大，由于没有达到水的冰点，所以体积变化是由盐结晶导致的盐胀现象。在3次冻结过程中均出现负位移（即试样出现冻胀），纵向位移均在0.21 mm左右。随着循环系数的增加，升温阶段体积变化呈逐次减小的趋势，最终高于原始高度0.05 mm。温度升高后土体并没有恢复到原始状态，推测其原因：一方面是土体内的盐结晶造成的盐胀;另一方面由于土体相对比较松散，孔隙间的水及盐结晶体积增大，虽未破坏土骨架的结构，但造成了结构不可逆的膨胀损伤，且随着循环次数增加膨胀损伤也更明显。

    由图5可见，在90%压实度条件下，恒温过程中也出现负位移，3次冻结过程的负位移也有逐次减小的趋势。与85%压实度条件下不同的是每次冻融循环结束均呈正位移，这说明试样发生了融沉，3次冻融循环结束后约低于原始高度0.15 mm。这是由于90%压实度下孔隙的大小达到了适合水分迁移的状态，冻结阶段在毛细力的作用下毛细水向上部迁移，加之盐渍土特有的盐胀特性，在冻胀和盐胀的双重作用下孔隙增大，破坏了土骨架的结构，同时苏打型盐渍土中大量存在的钠离子具有水膜较厚且分散性强的特性，水分溶解了部分以晶体形式存在的盐，使盐结晶破坏，产生崩解变形。在融化阶段，失去了冰和盐结晶支撑的土体在重力作用下发生塌陷，从而产生融沉现象。

    由图6可见，95%压实度条件下的图像与85%的规律较为相似，冻结过程虽有冻（盐）胀发生，但未破坏土骨架结构，所以在升温阶段并未造成融陷。第1次冻结阶段纵向位移约为0.28 mm，而第3次冻结阶段纵向位移约增加0.15 mm，可见随着冻融循环次数的增加，冻（盐）胀量呈减小的趋势。在3次冻融循环结束后试样高度仅高于原始高度0.02 mm，说明高压实度下，土颗粒间孔隙极小，难以形成毛细水的迁移通道，阻碍了薄膜水和毛細水的迁移，对冻胀和盐胀有抑制作用。

    图7为3组不同压实度下位移-时间曲线的对比图，通过对比不同压实度下、1 ℃恒温状态下体积变化情况，压实度为85%、90%、95%的试样纵向位移增加量分别为0.11、0.13、0.16 mm。可见压实度越大负位移越大，由于并未到达水的冰点，体积变化与盐结晶有关。压实度高，单位体积内盐含量大，故盐胀作用更明显。3组试样都表现出随着循环次数增加，冻结阶段纵向位移与初始状态差值呈减小的趋势，且前两次差别更显著，这说明第1次冻融循环对碳酸盐渍土的变形影响最大。

    2.3 封闭-开放体系对比试验

    地下水的大量补给使得土体中冷生构造更容易形成且体积大，因此有无地下水补给对冻胀融沉影响很大。大庆地区地下水位较高，故应考虑补水条件对冻融特性的影响。在原始含盐量（0.483%）、压实度90%、含水量14%的条件下进行补水试验，并与同条件下的封闭试验做对比，结果如图8—图10所示。

    图8和图9分别为为压实度为90%时封闭、开放体系下不同高度处土样3次冻融循环的温度场变化图，将由温度界限和顶部直线围成的面积定义为冻胀负温面积。对比图8和图9可见，在补水试验中，冻胀负温面积比封闭体系下明显增大。随冻胀过程的进行，冻胀负温面积逐渐减小。由图9可以看出在土样高度5～8 cm处出现中间温度低、四周温度高的现象，推测其原因，应该是土样在此深度区间出现冰透镜体。与周围土样的介质不同，进而导致了温度异常现象。

    由图10可见，每次冻结开始时，开放试验初始阶段出现了明显溶陷，然后开始冻胀（曲线上行出现尖点然后下行），这与只发生了盐胀和冻胀现象的封闭试验有明显差异。苏打型盐渍土中含有大量的碳酸钠和碳酸氢钠，由于钠离子水膜较厚且分散性强，在水分充足的条件下，钠离子遇到补充的水分发生崩解变形。当温度下降至足够低时，试样所含的盐和水结晶使土体积有所增大。这说明补水对苏打型盐渍土的冻融变化影响显著，在补水的情况下土的融沉问题会比冻胀问题更突出，在工程应用中应做好地下水的处理工作。

    3 结论

    本文通过基本理化试验、冻胀-融沉试验，对压实度在冻融作用下对苏打型盐渍土的工程特性的影响规律进行了试验模拟和理论分析，得到如下主要研究成果。

    （1）压实度对苏打型盐渍土的冻融特性有很大影响，恒温阶段，压实度越高负位移越大。但压实度为90%时孔隙的大小适合水分迁移的状态，产生的融沉量较大。高压实度能够减弱毛细作用抑制冻胀和盐胀。在实际工程中建议压实度达到95%以上。

    （2）单向冻结过程中试样内部会形成冻结锋面，水和盐的迁移及冻结放热使锋面附近的温度升高，冻结都出现在距试样顶端约1/3高度处。

    （3）补水对苏打型盐渍土的冻融变化影响显著，在有补水的情况下土的融沉问题会比冻胀问题更突出，在实际工程中应做好地下水的处理过程。

    【参 考 文 献】

    [1]姚文江.盐渍土公路路基病害处理措施[J].交通世界，2019，26（8）：65-66.

    YAO W J. Treatment measures for subgrade diseases of saline soil highway[J]. Traffic World， 2019， 26 （8）： 65-66.

    [2]徐子棋，许晓鸿.松嫩平原苏打盐碱地成因、特点及治理措施研究进展[J].中国水土保持，2018，39（2）：54-59.

    XU Z Q， XU X H. Research progress on the causes， characteristics and control measures of soda saline alkali land in Songnen Plain[J]. China Soil and Water Conservation， 2018， 39 （2）： 54-59.

    [3]LIU Q， CUI B S， YANG Z F. Dynamics of the soil water and solute in the sodic saline soil in the Songnen Plain， China[J]. Environmental Earth Sciences， 2009， 59（4）： 837-845.

    [4]万华.盐渍土国内外研究现状综述[J].决策探索（中），2019，3（6），88-89.

    WAN H. A review of the research status of saline soil at home and abroad[J]. Decision Making Exploration （Middle）， 2019， 3（6）， 88-89.

    [5]张哲寰，马宏伟，刘强，等.松嫩平原近20年土壤盐渍化动态变化及驱动力分析[J].地质与资源，2007，16（2）：120-124.

    ZHANG Z H， MA H W， LIU Q， et al. Development and drives of land salinization in Songnen Plain[J]. Geology and Resources， 2007， 16（2）： 120-124.

    [6]李取生，李秀军，李晓军，等.松嫩平原盐碱地治理与利用.资源科学[J].2003，25（1）：15-20.

    LI Q S， LI X J， LI X J， et al. Treatment and utilization of saline-alkali land in Songnen Plain[J]. Resource Science， 2003， 25（1）：15-20.

    [7]刘凯，张远芳，张运海，等.冻融循环条件下亚氯盐渍土盐冻胀试验研究[J].长江科学院院报，2018，35（5）：93-96.

    LIU K， ZHANG Y F， ZHANG Y H， et al. Salt heaving test of sub-chlorine saline soil under cyclic freezing and thawing[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute， 2018， 35（5）： 93-96.

    [8]LIU J Y， ZHANG L J. The microstructure characters of saline soil in Qarhan salt lake area and its behaviors of mechanics and compressive strength[J]. Arabian Journal for Science and Engineering， 2014， 39（12）： 8649-8658.

    [9]MA Q G， LAI Y M， ZHANG M Y. Freezing-thawing behaviour of saline soil with various anti-saline measures[J]. European Journal of Environmental and Civil Engineering， 2019， 23（10）： 1178-1202.

    [10] XIAO Z ，LAI Y M， ZHANG M Y. Study on the freezing temperature of saline soil[J]. Acta Geotechnica： An International Journal for Geoengineering， 2018， 13（1）： 195-205.

    [11]WU D Y， ZHOU X Y， JIANG X Y. Water and salt migration with phase change in saline soil during freezing and thawing processes[J]. Ground Water， 2018， 56（5）：742-752.

    [12]馬驰.松嫩平原土地盐碱化研究[J].吉林农业大学学报，2014，36（3）：333-337.

    MA C. Research on soil salinization in Songnen Plain[J]. Journal of Jilin Agricultural University， 2014， 36（3）： 333-337.

    [13]肖泽岸，赖远明.冻融和干湿循环下盐渍土水盐迁移规律研究[J].岩石力学与工程学报，2018，37（S1）：3738-3746.

    XIAO Z A， LAI Y M. Study on water and salt transfer mechanism in saline soil under freezing-thawing and dry-wet conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2018， 37（S1）： 3738-3746.

    [14]张云德.冻融循环条件下盐渍土水盐迁移变化分析[J].青海交通科技，2017，24（1），63-66.

    ZHANG Y D. Analysis of water and salt transport changes in saline soil under freeze-thaw cycles[J]. Qinghai Transportation Science and Technology， 2017， 24（1），63-66.

    [15]王文华，王清，张静，等.吉林省西部碳酸盐渍土基本性质试验研究[J].北京工业大学学报，2011，37（2）：217-224.

    WANG W H， WANG Q， ZHANG J， et al. An experiment study of the fundamental property of the carbonate-saline soil in west of Jilin Province[J]. Journal of Beijing Polytechnic University， 2011， 37（2）： 217-224.

    [16]石群，张远芳，李炎，等.罗布泊天然盐渍土冻融循环条件下水盐迁移规律[J].工程勘察，2016，44（4）：1-4.

    SHI Q， ZHANG Y F， LI Y， et al. Migration law of water and salt of Lop Nur natural saline soil in the conditions of freeze-thaw cycles[J]. Geotechnical Investigation & Surveying， 2016， 44（4）： 1-4.

    [17]吕擎峰，贾梦雪，王生新，等.含盐量对固化硫酸盐渍土抗压强度的影响[J].中南大学学报，2018， 49（3）：718-724.

    LV Q F， JIA M X， WANG S X， et al. Effect of salt content on compressive strength of solidified sulfuric acid saline soil[J]. Journal of Central South University， 2018， 49 （3）： 718-724.

    [18]SUN J， CHEN H J， WANG S H， et al. Case study on soft foundation of coastal saline soil[J]. Advanced Material Research， 2014， 1065-1069：469-474.

    [19]吕擎峰，王子帅，何俊峰，等.碱激发地聚物固化盐渍土微观结构研究[J].长江科学院院 报，2020，37（1）：79-83.

    LV Q F， WANG Z S， HE J F， et al. Study on the microstructure of alkali activated geopolymer solidified saline soil[J]. Journal of the Yangtze River Academy of Sciences， 2020， 37（1）： 79-83.

    [20]LI M， CHAI S X， DU H P， et al. Effect of chlorine salt on the physical and mechanical properties of inshore saline soil treated with lime[J]. Soils and Foundations， 2016， 56（3）： 327-335.

    [21]QU L， GUO L， YANG J J， et al. Microstructural and mechanical properties of autoclaved saline soil brick： part I： microstructure features[J]. Advanced Materials Research， 2012， 510： 650-654.

    [22]LU C， ZHANG H H， MA C. The analysis on dynamic changes of land desertification and salinization based on RS and GIS[J]. Advanced Materials Research， 2013， 726-731： 4668-4673.

    [23]李威，齐军，王亚静，等.冻融循环对盐渍土单轴强度影响的微观机理研究[J].山西建筑，2018，44 （17）： 62-64.

    LI W， QI J， WANG Y J， et al. Study on the micro mechanism of the influence of freeze-thaw cycle on the uniaxial strength of saline soil[J]. Shanxi Architecture， 2018， 44（17）： 62-64.

    [24]尹松，李力，邊亚东.冻融循环作用下压实粉土的剪切强度性能试验研究[J].公路工程，2019，44（5）：42-46.

    YIN S， LI L， BIAN Y D. Experimental study on shear performance of compaction silt under frozen-thaw cycle[J]. Highway Engineering， 2019， 44（5）：42-46.

    [25]李雪梅.土方路基的压实度控制技术和施工要点[J].城市道桥与防洪，2016，30（8）：165-166.

    LI X M. Compactness control technology and construction gist of earthwork roadbed[J]. Urban Roads Bridges & Flood Control， 2016， 30（8）： 165-166.

    [26]王维敏.公路桥梁过渡段路面压实度的变异性与施工控制技术[J].公路工程，2020，45（2）：128-132.

    WANG W M. Variability of pavement compaction degree in transition section of highway and bridge and construction control technology[J]. Highway Engineering， 2020， 45（2）：128-132.

    [27]蔺彪.静力贯入法检测土石混合料路基压实度研究[J].公路工程，2019，44（5）：201-206.

    LIN B. Study on feasibility of determining degree of compaction of subgrade with soil and rock mixture by static penetration method[J]. Highway Engineering， 2019， 44（5）：201-206.

    [28]张彧，房建宏，刘建坤，等.察尔汗地区盐渍土水热状态变化特征与水盐迁移规律研究[J].岩土工程学报，2012，34（7）：1344-1348.

    ZHANG Y， FANG J H， LIU J K， et al. Study on the characteristics of water and heat state change and the law of water and salt migration of saline soil in Qarhan area[J]. Journal of Geotechnical Engineering， 2012， 34（7）： 1344-1348.

    [29]霍珍生.吉林省农安地区碳酸盐渍土冻胀特性研究[D].长春：吉林大学，2016.

    HUO Z S. Study on frost heaving behavior of the carbonate-saline soil in Nongan， Jilin Province[D]. Changchun： Jilin University， 2016.