29冰冻盐渍土地区公路盐胀和冻胀综合病害

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冰冻盐渍土地区公路盐胀和冻胀综合病害

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李世芳

ＬＩＳｈｉ－ｆａｎｇ

新疆建通工程建设监理有限公司．新疆鸟鲁木齐８３０００２

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【擅一】依据兵团垦区的特殊地理环境，分析研究了冰冻盐渍土地区盐胀和冻胀综合病害的温度区间、划分土体变形阶段。并结合兵团垦区公路建设环境，分析研究了影响冰冻盐渍土地区土体变形影响因素，初步提出了防治该病害的措施。

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆａｒｍｙｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｅｒｖａｌａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｔａｇｅｓｄｉｖｉｓｉｏｎｏｆｓｏｉｌｍａｓｓｏｆｓａｌｔａｎｄｆｒｏｓｔｈｅａｖｉｎｇｄｉｓｅａｓｅｓｉｎｆｒｏｚｅｎｓａｌｉｎｅｓｏｉｌａｒｅａａｒｅａｎａ—ｌｙｚｅｄ．Ｆａｃｔｏｒｓｔｈａｔｉｍｐａｃｔｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｍａｓｓａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｈｉｇｈｗａｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｒｍｙｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎ，ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｍｅａｓｕｒｅｆｏｒｄｉｓｅａｓｅｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，

【关ｔ词】盐胀；冻胀；温度区间；变形阶段

【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ｓａｌｔｈｅａｖｉｎｇ；ｆｒｏｓｔｈｅａｖｉｎｇ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｅｒｖａｌ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｔａｇｅ

中图分类号：Ｕ４１８．５文献标志码：Ｂ文章编号：１０００－－．０３３Ｘ（２００９）０２－００６０－－０４

０引言

新疆兵团垦区干旱寒冷，且低温持续时间长。除为数不多的几条河流外其余均是内陆河流和季节性河流，这种现象直接造成了新疆易溶盐只能在境内重新分布，致使两大盆地周边以及山前冲积平原上的盐渍土大量聚积，形成了新疆特有的冰冻盐渍土环境。国内外对于季节性冰冻盐渍土地区公路的冻胀和盐胀综合病害及其防治技术研究较少。基本上只是简单地研究盐胀和冻胀的区别和独立防治。本文试图通过试验路以及垦区路况调查，从冻胀和盐胀综合病害的温度区间、阶段划分、影响因素和防治等方面进行探讨。以期对该综合病害的防治有所帮助。

１盐胀和冻胀温度区间的确定

一般而言．土体产生冻胀的温度应在０℃以下。根据高江平等的相关室内试验研究结论…：在氯化钠含量较小的硫酸钠盐渍±申，盐胀的屠ｌｊ烈增长温度区间为５℃一２５℃。５℃以下时盐胀终止或趋于缓慢增长；在氯化钠含量较大的硫酸钠盐渍土中，起胀温度为１０℃，盐胀温度区间为一１０℃～１０℃，其中５℃～ｌＯ℃为Ｎａ２，Ｓ０４・１０Ｈ２０（芒硝）盐胀引起的，０℃一５℃之间芒硝的形成已很少，在此期间不形成盐胀；在一１０℃一Ｏ℃之间因氯化钠的大量存在而产生ＮａＣ！・２Ｈ２０晶体，致使盐胀剧烈，到一１０℃时盐胀终止或缓慢增长。

在自然界中，单纯的硫酸盐或氯盐盐胀很少，基本上均属于复合盐。而试槽试验研究中曾发现这种复合盐的盐胀剧烈活动区间为０℃一１５℃，这中间有些差异是由于高江平等试验研究的盐渍土土体较为均匀，受到的外界边界影响因素少，而试槽所用盐渍土以及观测、运行基本上是模拟现实路况的。因此．冰冻地区盐渍土在０℃以上基本以硫酸盐盐胀为主，在一１０℃加℃之间基本以冻胀和氯盐盐胀为主，在一１０℃以下时，土体的变形基本以冻胀为主。

２冰冻盐溃土地区公路土体变形的阶段划分

冰冻盐渍土地区盐渍土土体在温度降低到一定程度，水分供给、土质盐分含量和土质适宜的情况下．盐溃土中不但会产生芒硝、ＮａＣＩ・２Ｈ：０，而且会有部分水分冻结产生冰屑。因此盐渍土的变形可以划分为两部分：一部

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分是降温条件下由于水分结冰而产生的冻胀；另一部分是随着温度的降低土中盐分析出并结晶产生芒硝和Ｎａ－ＣＩ・２Ｈ，Ｏ等而引起的盐胀。因此，冰冻盐渍土地区在水分供给充分的前提下。一定深度的土体在温度降低时。其体积膨胀变形可以认为经过以下３个阶段。

２．１纯盐胀阶段

此阶段的体积变形主要是硫酸钠结晶产生芒硝的过程。随着温度的降低，Ｎａ２ＳＯ。溶液在土体温度低于３２．４℃后停止溶解，溶液中Ｉ§＜＇ｊＮａ，ＳＯ。开始形成结晶，这一过程的体积综合反映黄３Ｎａ，Ｓ０４结晶形成芒硝体积膨胀和水体积减少２个过程。而此时Ｉ－－Ａ：ｌＮａ２ＳＯ。结晶膨胀所产生的盐胀力可通过水体积的减少以及土体颗粒之间的黏结力、路面覆盖的重力得以克服。在这一过程中，随着温度的进一步降低，当土体中Ｎａ，ＳＯ。结晶所形成的体积增大至远远大于土体空隙中的自由水和弱结合水所占体积时，其盐胀力将迅速增长．如果此时路基土体的黏结力和上覆荷载不能将其抵制、消耗掉（土体颗粒必须处于受力平衡状态），则首先会在路基或路面的薄弱部位或盐胀力大的部位突破，产生隆起或裂缝等现象。

本阶段的特征为外界温度显著降低。土体内部温度也相应降低．土体表层温度明显低于土体内部和下部温度，形成了土体温度差；Ｎａ，ＳＯ。开始大量结晶，芒硝大量析出．在比较严重的路段出现了胀起变形和裂缝现象：开挖路基断面会出现明显的芒硝晶体。

２．２盐胀和冻胀共同变形阶段

当温度降到氯盐特别是ＮａＣＩ结晶胀起温度时．ＮａＣＩ结晶形成ＮａＣＩ・２Ｈ，Ｏ晶体。体积增大３０％ｃ２１；而此时温度已经降低到自由水的冰点，多余的水分来不及结晶就发生结冰现象，形成冰屑，体积增大。

这一过程存在土体盐胀和冻胀２个部分的体积变化，在第ｌ阶段没有形成路面破坏的情况下。在第２阶段。当土体冻．｜｝长力矩和盐胀力矩之和大于材料力矩及自身力矩之和时，路面开裂或隆起；如果在第１阶段已经产生了破坏，那么在第２阶段由于冻胀力和盐胀力的共同作用．会使破坏更加严重。

本阶段的特征为外界温度持续降低。温度梯度进一步增大。土体冻深进一步发展，在土体毛细水力的作用下．土体底层的水分向冰冻线附近移动：部分芒硝晶体和大量ＮａＣＩ・２Ｈ，ｏ晶体析出，自由水从冰点起开始结冰形成冰屑，并持续增大。本阶段外观表现为路面胀起变形剧烈、裂缝宽度增大，开挖路基后有冰屑和芒硝、ＮａＣｌ・２｝Ｉ，ｏ晶体。２．３纯冻胀阶段

当温度继续降低到盐胀终止温度时。土体中的盐分来不及从溶液中析出，盐胀停止，此时只有冻胀发生，直

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到土体中没有自由水为止。这一过程主要表现为土体冻胀所产生的变形，这种冻胀力和变形会进一步加剧路基、路面的破坏。

本阶段特征为外界温度进一步降低．并且持续保持低温。在一定深度范围内土体变形缓慢，主要以冻胀冰屑为主，如果温度降低速度较快．未能结晶的盐分也冻结在冰屑中，形成携盐冰屑，土体变形不剧烈，但是路面变形状况加剧．隆起变形缓慢增长，裂缝进一步开展［”。

３土体变形的影响因素

３．１温度

温度是造成路基盐胀和冻胀变形的关键因素之一。通常来说，随着外界温度的变化．地面温度也产生相应的变化趋势。如果是一个大平面，则温度应该在整个平面上均匀变化．但是对于公路这种线形工程，温度变化有着不同的特征。对于沥青路面来说，黑色面层相对于其他面层的导热性能好于一般的土质．而路面结构层中砂砾石料的传热性也好于路肩填土。例如，路面结构层为３ｃｍ沥青面层＋１５ｃｍ级配砂砾＋２０ｃｍ天然砂砾的路面部分，其综合传热系数为１．４４２．路肩部分为１．１００．即路面部分比路肩部分的传热性大３１％。

因此．在其他外界因素相同的前提下．公路这种线形工程在温度变化时路基内部的温度变化速率不一致．从而造成路基中产生冻胀和盐胀的速率不同。一般路基横断面中部较两侧产生的冻胀力和盐胀力都大．而此处的盐胀力和冻胀力必须消除，达到路基土体内的受力平衡．致使路面中所受的膨胀力最大。这时会从路面中部或靠近路面中部的薄弱环节处开裂或胀起．这种现象从垦区多条公路路面裂缝破坏在路面中心黄线处可以得到验证［４］。３．２水

一般而言，当盐胀路基含水量大于瓢，且在温度适宜的情况下才可能产生盐胀变形。当含水量大于盐胀峰值含水Ｉｉ（－Ｉ－体最佳含水量与塑限含水量之间）时，盐胀反而减小。而施工中为了保证路基的压实度。～般均洒水至最佳含水量后进行压实。因此施工中土体自由的含水量较多，

不需要外界水量的补充就足够产生盐胀；冻胀产生的含水量一般在小于最佳含水量２㈣与液限之间。在正常的施工条件下．一般土质中的含水量也会产生冻胀。但是在冰冻盐渍土地区。通常先产生盐胀，后发生冻胀。经过盐胀产生结晶吸收±中的水分，使得土中的自由水很少，在无外来水分供给的条件下，发生冻胀的可能性会大幅度降低。但因垦区盐渍土地区地下水位较高以及林带灌水、田间灌溉等人为因素的影响。为路基冻胀和盐胀所需水分提供了

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