盐渍土冻胀性的试验研究

公路　2009年12月　第12期HIGHWA Y　Dec12009　No112　文章编号:0451-0712(2009)12-0063-07 中图分类号:U41611 文献标识码:B
盐渍土路基盐-冻胀变形试验研究
杨保存1,邱　林2,汪为巍1,贺兴宏1
(11塔里木大学水利与建筑工程学院　阿拉尔市　843300;21农一师勘测设计院　阿克苏市　843000)
摘　要:在季节性冻土和盐渍土灾害地区,盐渍土的盐-冻胀(盐胀-冻胀)变形对道路路基造成很大的危害。

南疆阿拉尔市城市道路建成后,盐渍土路基变形较为严重。

为了确定盐渍土路基变形破坏的类型、原因及其发生机理,对变形破坏严重的道路进行路面变形量、路基不同深度地温、日平均气温及测区地下水位的季节变化进行现场监测试验,并对路基盐-冻胀变形进行了评价。

结果表明:试验路段路基的变形属于盐-冻胀变形破坏,路基中的硫酸盐使水泥土稳定基层膨胀开裂和外部水分入渗路基产生冻胀是路基产生变形破坏的主要原因。

关键词:盐渍土路基;盐-冻胀变形;变形监测;盐胀性评价;水泥土稳定基层
盐渍土是不同程度盐碱化土的总称。

在公路工程中,盐渍土系指地表下110m内易溶盐含量平均大于013%的土[1]。

新疆盐渍土主要发育在河流冲积平原上,天山以南盆地和塔里木河两岸分布的盐渍土以硫酸盐和氯化物盐为主。

在高地下水位的盐渍土地区,如果盐渍土路基中同时存在硫酸钠盐和氯化物盐,其对路基的变形破坏形式和程度视其盐分含量的大小、路基土含水量、所处区域的气温等因素的变化呈现出较大的差异[2]。

在西北内陆季节性冻土干旱区,硫酸盐渍土由于盐-冻胀(盐胀-冻胀)变形对工程的危害很大。

1　盐渍土的盐-冻胀特性
一定含量的硫酸钠盐渍土在适宜含水量和温度条件下表现出盐-冻胀变形特性。

徐学祖[3]和高江平[4]等专家学者通过对含硫酸钠盐渍土的盐-冻胀变形研究后认为,含硫酸钠盐渍土盐-冻胀变形过程可分为3个阶段:第一阶段表现为冷缩和盐胀;第二阶段为冻胀;第三阶段为融化下沉。

在每次冻融循环中,第一和第二阶段的盐-冻胀变形在第三阶段的融化下沉过程中,不能完全恢复,即每次循环后均有残留变形,使得土体中孔径及孔隙体积增大及下一次循环中盐-冻胀变形增量减少。

因此,随着冻融循环次数增多,第一和第二阶段的变形总量呈指数规律增大。

当冻融次数增加到一定程度,第一和第二阶段的变形总量将不再增长。

在盐—冻胀变形过程中,在土体自上而下冻结过程中,水分和盐分自下而上迁移,在迁移通道不被隔断的情况下,运移积聚至表层土体的水分和膨胀性盐分会对土体产生更大的盐-冻胀变形破坏。

工程实践表明,当土中硫酸钠含量为2%以上时,在降温过程中,硫酸钠便结晶成含10个结晶水的芒硝,体积膨胀3111倍。

硫酸盐渍土的这种盐-冻胀变形特性与土的冻结温度、含盐量、含水量、土密实度及上覆荷载等影响因素间的交互作用密切相关[5-7]。

新疆南疆新建城市阿拉尔市位于盐渍土分布带上,城市道路受盐渍土破坏较为严重。

为了确定盐渍土路基变形破坏的类型、原因及其发生机理,本文对变形破坏最为严重的4条市区道路进行盐渍土路基盐-冻胀变形试验研究。

2　盐-冻胀变形试验
211　试验内容与方法
以新疆南疆阿拉尔市遭受严重变形的塔里木大道、阿拉尔大道、军垦大道和大学路作为变形试验对象,对每条试验路各取20m长度的路面作为变形监测路段。

对每个监测路段路面变形量和路基不同深度地温进行监测试验,同时对整个试验区域的气温和地下水位变化情况进行监测试验。

(1)路面变形量的监测试验方法。

基金项目:塔里木大学校长基金自然科学项目,项目编号TDZKQN07003收稿日期:2009-04-09
将选定的监测路段的路面分成左(L )、中(M )、
右(R )3个监测区域,每个区域以纵向115m 、横向110m 的间距布设监测点。

布点工作在入冬前平均气温不低于10℃的11月初完成。

在每个测段设立一个永久水准点,测量出每个测点的高程作为变形前的初始高程(S i ),之后每10d 测量一次每个测点的高程,计算出每个区域测点的平均变形量作为每次观测的平均变形量值。

监测时间自11月至次年4月,连续观测两个冬季。

取每个监测路段3个监测区域整个冬季观测的最大平均变形量值作为其年度变形量值△h 进行盐胀率计算。

(2)路基不同深度地温、试验区域气温和地下水位的监测试验方法。

为了确定气温、路基不同深度土体温度及地下水位对盐-冻胀变形的影响,分别在阿拉尔大道和大学路两个监测试验路段设立地温、气温监测点和地下水位监测点。

在监测点路面基层底面以下20cm 、40cm 、60cm 、80cm 、100cm 深度埋设RSW 21型热
敏电阻数字式温度计,从11月至次年4月,每5d
取其平均地温值做记录,监测一个冬季。

地下水位和气温监测从10月至次年5月,每5d 观测一次,取两个监测点的平均值做记录。

212　试验结果与分析21211　路面变形监测试验结果
4个监测路段监测点连续两个冬季的平均变形
量变化曲线如图1～图4所示。

图1～图4的变形曲线表明:阿拉尔市区道路变形在道路建成到监测试验开始前,经历了两年时间,已产生了较大的残余变形;2006年～2008年连续两个冬季的变形监测数据表明,残余变形量在第2个监测冬季最大,加速了路基路面的变形破坏。

路面变形量从10月底开始发育,并持续到第二年的5月,最大变形量发生在2月20日左右,随后变形量开始回落。

变形量在路面两侧区域较大,路面中线区域相对较小。

路面变形属于起胀变形,虽然在春季温度回升后变形有所回落,但总的变形趋势是逐年累积增长。

图1　塔里木大道监测段连续两个冬季观测点变形曲线
21212　路基不同深度地温及日平均气温监测结果
路基不同深度地温及日平均气温的监测结果如
图5所示。

变化曲线显示:该区域日均气温在11月已降至5℃以下,12月～次年2月平均气温在0℃以下,1月20日左右气温达到-1111℃的最低值,2月底气温开始回升至0℃;两个冬季的日均气温变化较小,变化趋势一致。

路基不同深度的地温值与日平均气温的变化趋势相似,只是在时间上滞后5～10d ;在降温阶段地温随路基深度的增加呈上升
趋势,在升温阶段路基40cm 深度升温速率最大。

12月～次年3月底,路基40cm 、60cm 深度的地温值
在5℃以下,处于盐胀发育的最佳温度区间;1月～2月10日,路基60cm 深度以上填筑土体温度在0℃以下,是冻-盐胀发育的最佳温度区间。

21213　监测区域地下水位监测结果监测区域10月～次年5月的地下水位变化曲线如图6所示。

监测曲线表明:监测试验区域地下水位在3月和次年11月中旬左右都出现了一个高
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图5　路基不同深度地温及平均气温变化曲线
水位期,最高地下水位为-2115m 。

这主要与塔里木河水的季节性补给地下水有关,同时与市区周边
的农业灌溉及市区绿地灌溉用水的入渗补给有直接的关系。

图6　监测区域地下水位变化曲线
213　变形监测试验结果综合分析根据监测试验结果进行综合分析:监测路段路
面变形量最大的区域主要分布在各个监测段路面的左、右两侧区域,中间区域路面变形相对较小,且都为起胀变形。

变形量随时间和温度的变化主要表现为:路面起胀变形存在于整个监测阶段,在监测初始的11月～12月平均气温在5℃～0℃的时间段,路面起胀变形速率相对较小;在12月～次年2月中旬平均气温在0℃以下的时间段,路面起胀变形速率最大,最大起胀变形量出现在2月底左右;在3月初气温回升至0℃以上,路面起胀变形开始回落,变形速率最小;在5月份,变形基本稳定,路面变形未完全恢复,存在较大的残余变形。

从以上分析结果可以得出:路面变形与路基不同深度的温度、测区平均气温和地下水位的变化具有较强的相关性,路基最大盐-冻胀变形量在时间上滞后于日平均最低气温和路基不同深度最低地温值。

对于路面产生变形破坏的原因、变形破坏机理和变形类型,还需通过变形分析试验进一步确定。

3　盐胀变形分析与计算
公路工程对盐渍土的分类,主要按土中氯离子与硫酸根离子的比值及总含盐量进行。

这可以定量地对盐渍土的盐性及盐渍化程度进行评价,但无法评定对道路工程有直接危害的盐胀特性[8]。

新疆交通科学研究所研究确立了采用盐胀率与对应的硫酸钠含量作为评价盐渍土盐胀特性的指标。

对于试验路段路基硫酸钠含量和路基土盐胀率,可通过下面的变形分析试验和盐胀率计算来确定。

311　盐胀变形分析试验31111　试验内容
(1)对塔里木大道、阿拉尔大道的监测路段的路基结构层,采用HZ -20A 型混凝土钻孔取芯机钻孔取样,取样时穿透沥青混凝土面层、水泥土稳定基层、砂砾石填料层和风积砂基底回填层。

对严重变形破坏路段,通过探坑进行观测。

取样点各结构层厚度、密实性及整体表观如表1所示。

(2)分别在塔里木大道、阿拉尔大道变形破坏较为严重的路段、路面起胀开裂部位和完好路面各取一个孔位钻孔取样;在路基结构层取样位置相对
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表1　塔里木大道、阿拉尔大道路基结构层厚度、密实性、整体表观观测结果
取样地点路基结构层名称
厚度/cm
设计值变形后
密实性整体表观
塔里木大道沥青混凝土面层8～108密实开裂塔里木大道水泥土稳定基层2028疏松膨胀破碎塔里木大道砂砾填料层3032中等密实-
阿拉尔大道沥青混凝土面层8～1010密实开裂阿拉尔大道水泥土稳定基层2033疏松膨胀破碎阿拉尔大道砂砾填料层3031密实-
应的路面两侧绿化带,采用取土钻自地表沿深度0～10cm、10～30cm、30～60cm、60～100cm提取土样。

将所取路基填料土样和绿化带土样进行盐分、含盐量检测试验,试验结果见表2～表5。

表2　塔里木大道路基结构层盐分、含盐量检测结果
取样地点土样名称
盐分含量/%克当量/(g/kg)总盐CO32-HCO3-Cl-SO42-Ca2+Mg2+Na+K+
塔里木大道水稳层 2.96750.00240.01370.92940.33630.42040.00477.50600.0459砂砾层 1.2000无0.01140.01640.26250.30900.00480.11040.0484风积砂 2.02750.00210.00860.57370.26350.30240.0037 3.53370.1542表3　阿拉尔大道路基结构层盐分、含盐量检测结果
取样地点土样名称
盐分含量/%克当量/(g/kg)总盐CO32-HCO3-Cl-SO42-Ca2+Mg2+Na+K+
阿拉尔大道水稳层 3.36750.00260.0135 1.22940.31630.44040.00477.50600.0459砂砾层 1.22370.00150.00860.04090.32930.30340.00640.35910.0816风积砂 1.1650无0.01620.01360.26310.31200.00490.10540.0765
表4　塔里木大道两侧绿化带土体盐分、含盐量检测结果
取样地点土样名称取样深度
cm
盐分含量/%克当量/(g/kg)总盐CO32-HCO3-Cl-SO42-Ca2+Mg2+Na+K+
塔里木大道绿化带
土壤
0～100.79000.00260.01080.29230.19010.04900.01750.38400.0956 10～300.5875无0.10240.19940.17140.04120.0129 1.17220.0829 30～600.62500.00150.01290.19940.17180.03700.0101 1.48750.0816 60～1000.51250.00210.01350.11910.12830.03880.0131 1.11540.0838表5　阿拉尔大道两侧绿化带土体盐分、含盐量检测结果
取样地点土样名称取样深度
cm
盐分含量/%克当量/(g/kg)总盐CO32-HCO3-Cl-SO42-Ca2+Mg2+Na+K+
阿拉尔大道绿化带
土壤
0～100.0375无0.01730.09560.14020.02920.01270.68190.0408 10～300.16250.00260.01410.04640.05810.01200.00570.30950.0204 30～600.27250.00150.01240.09830.07870.01800.01070.63220.0293 60～1000.4000无0.01620.09830.09070.02080.01050.63220.0383
31112　试验结果分析
(1)表1所示的塔里木大道、阿拉尔大道路面变形隆起部位膨胀破碎的水泥土稳定基层,厚度由20cm分别膨胀至28cm、33cm,完全疏松失去强
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度;而水泥稳定基层下部的砂砾填料层和风积砂基底回填层都具有较好的密实度,除路面严重开裂变形且裂缝贯穿至填土层的部位有冻融变形痕迹之外,基本未产生膨胀变形。

由此可初步判定:导致道路沥青混凝土面层产生裂缝变形破坏的直接原因,是面层下部的水泥土稳定基层发生膨胀变形,疏松破碎失去强度,在反复多次的变形及车辆荷载作用下,使路面产生更大的裂缝变形,加剧了路面的破坏。

(2)对表2～表5的盐分、含盐量检测结果进行对比分析,结果显示:水泥土稳定基层中硫酸盐含量在013%～015%之间,总盐含量超过2%,最高达到3137%。

其硫酸钠含量虽然在非盐胀性土015%的控制含量之内,不具备盐胀性,但是这一含量可以使水泥土稳定基层中的水泥发生膨胀破坏。

同时水泥土稳定层中含量高达1%的氯离子会加剧水泥土稳定层中水泥的膨胀破坏,所以硫酸盐和氯化物盐是水泥土稳定基层产生变形破坏的直接因素。

(3)对于路基结构层中含量超标的盐分的来源,通过路基土与道路两侧绿化带土体含盐量的对比检测试验,结果表明:道路两侧的绿化带土体及周边农田土壤中的盐分含量相对较低,属于弱盐渍土,硫酸盐含量都在013%以下,有的属于非盐渍土,对路基盐分的迁移积聚作用不甚明显。

由此可确定,路基结构层中的盐分来源于结构层土基材料本身的含盐量,也可能是地下水中的易溶盐通过毛细作用迁移至路基结构层,但这种迁移积聚作用只有在路基盐分隔断层失效了的情况下才会发生。

312　盐胀率计算
盐渍土盐胀性可分为非盐胀性、弱盐胀性、中盐胀性和强盐胀性。

表6是《盐渍土地区公路设计与施工指南》中盐渍土盐胀性分类标准,表中与盐胀率相对应的硫酸钠含量Z是评价路基路面在盐胀条件下工作状态的一个指标,作为本文对变形监测路段盐渍土路基盐胀性评价的依据[8]。

表6　盐渍土盐胀性分类
盐胀分类非盐胀性弱盐胀性中盐胀性强盐胀性盐胀分级ⅠⅡⅢⅣ
盐胀率η/%η≤11<η≤22<η≤4η>4
硫酸钠含量Z/%Z≤0.50.5<Z≤1.21.2<Z≤2Z>2
根据盐胀率计算公式,即式(1),以路基变形量监测结果来计算其盐胀率。

η=Δh/H×100%(1)
式中:η为盐胀率;Δh为路段冬季年度盐胀量; H是路基盐胀有效深度。

依式(1)盐胀率计算公式,在干旱、过干旱盐渍土亚区,二级及以下等级公路盐胀保证率大于85%时的有效影响深度H取为150cm。

监测路段平均盐胀率计算结果见表7,表中盐胀率计算中年度盐胀量Δh取每个测段各个测点年度最大盐胀量的平均值,表中各测段的盐胀率值是第一个观测冬季和第二个观测冬季的盐胀率计算值。

表7　监测路段路基盐胀率计算结果
观测点
盐胀率η/%
测段1测段2测段3测段4阿拉尔市测区515419410418415512318416
4　盐渍土路基盐-冻胀变形评价
411　变形类型判定
盐胀率计算结果显示:监测路段两个年度的盐胀率有所变化,4个测段有3个测段的第二个监测冬季的盐胀率大于第一个监测冬季。

其盐胀影响深度内硫酸盐含量在018%～019%之间,硫酸钠含量小于018%,处于表6硫酸钠含量为015<Z≤112的弱盐胀性分类范围之内,所对应的盐胀率应处于1<η≤2的范围;而由实测变形量计算所得变形率为318～515,与1<η≤2的盐胀率值相差较大。

由此可判断,超出盐胀率范围的变形率属于冻胀变形所致,路基变形是盐胀和冻胀共同作用的结果。

为此,判定监测路段路面变形属于盐-冻胀变形。

412　变形原因分析
盐胀变形分析试验结果表明,有限含量的硫酸盐和氯化物盐是水泥土稳定基层发生膨胀破坏和路面开裂变形的主要原因。

造成监测路段路基变形破坏的另一个重要原因是路基滞水造成的冻胀破坏。

由于阿拉尔市路面高程普遍低于两侧绿化带及周边地面高程,且没有排水系统,在路基水泥土稳定基层遭受硫酸盐、氯化物盐膨胀破坏后,路面出现裂缝变形。

降雨及绿化带灌溉水经路面裂缝及路基侧面渗入路基,滞留于基底风积砂垫层之上铺设呈U形的不透水隔断层(聚乙烯防渗薄膜)之上,在冬季低温环境下,含有一定盐分的路基土在盐胀的同时, 016m冻深的路基土层出现冻胀变形,加速了路面的变形破坏。

造成阿拉尔市区道路冻胀变形破坏的因素有以下3个方面。

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(1)监测试验区域地下水位变幅受塔里木河水位的季节性变化、周边农业灌溉及城市绿化用水的影响,春季3月份和秋季11月份是阿拉尔市地下水位的两个高水位期,尤其是11月份的高水位以及冬季道路两侧的绿化带和绿地冬灌,为冬季低温环境下路基土体的冻胀提供了充足的冻结水。

(2)监测试验区域道路路基在风积砂换填层之下铺设了聚乙烯防渗薄膜,以防止高矿化度的地下水造成路基盐分的积聚。

但是外部水分通过路面裂缝、路基两侧及防渗薄膜破损部位进入铺设呈U形的聚乙烯防渗薄膜的路基后,滞留在路基结构层之中,冬季低温下造成路基的冻胀变形,这也是为什么在12月中旬中午气温升高后路面裂缝出现向外渗水、冒水的原因。

(3)监测试验区域虽然地处盐渍土盐胀灾害和季节性冻土灾害分布带之上,但其城市道路的设计未考虑地表水及地下水对路基冻胀的影响。

413　盐渍土路基盐胀变形机理
通过上述的变形分析试验结果的判断和分析得知,造成阿拉尔市道路变形破坏的主要原因是路基土及水泥土稳定基层材料中含量超限的硫酸钠盐和氯化物盐使基层中的水泥产生膨胀变形,致使水泥土稳定基层膨胀破碎、路面开裂。

而外部水分入渗路基,在冬季低温下发生冻胀变形,进一步加剧了路面的变形破坏[9]。

对于盐渍土路基水泥土稳定基层的变形破坏机理,邢爱国等[10]学者在水泥固化盐渍土的试验研究中,对硫酸盐、氯化物盐与水泥土稳定基层中水泥的变形破坏作用机理进行了研究。

研究认为:在硫酸盐渍土中,硬化水泥浆体存在硫酸盐侵蚀和镁盐侵蚀的作用,主要是由于硫酸镁使浆体中的Ca(O H)2转变成石膏和Mg(O H)2,并将部分水化硅酸钙分解或转化成硬化性能极差的水化物。

这些次生石膏的结晶膨胀,或者再与水化铝酸钙反应生成膨胀性的钙矾石,都会对浆体产生破坏。

而氯盐渍土中尚有NaCl和MgCl2等大量氯盐存在,可使硫酸盐膨胀得到一定的抑制。

但是,MgCl2又会与Ca(O H)2缓慢地产生反应,生成溶解度极大的CaCl2,以溶析的形式造成侵蚀。

Cl-还可能进入C -S-H凝胶,使其性能变化,而且所生成的CaCl2能与铝酸盐反应生成氯铝酸钙。

在形成氯铝酸钙结晶析出的过程中,固相体积膨胀。

同时,当SO42-存在时,又会再转变成膨胀性的钙矾石,导致水泥土稳定基层破坏。

为此,对盐渍土地区道路水泥土稳定基层中的水泥材料应该选择抗硫酸盐硅酸盐水泥。

由于此种水泥中铝酸三钙矿物含量一般低于3%,因此水化物中氢氧化钙和高钙铝酸盐较少,从而缓和了硫酸盐的腐蚀,是硫酸盐腐蚀地区广泛采用的水泥。

5　结语
(1)盐渍土路基变形主要表现为硫酸钠盐胀变形、氯化物盐的溶陷变形和路基的冻胀变形,其变形破坏程度与含盐量、含盐性质、含水量、温度及路基土密实度等因素有关。

(2)监测试验路段的路基变形破坏属于冻胀和盐胀变形破坏,其冻胀变形对路面的破坏程度要明显大于盐胀变形,但硫酸钠盐的盐胀及与水泥的化学膨胀反应特性是路面变形破坏的起因。

(3)监测试验路段路面的冻胀变形主要是路基外部水分入渗路基,在不透水隔断层上部形成滞水,在冬季低温下冻胀所致,同时也存在硫酸钠的盐胀变形。

(4)要解决阿拉尔市道路的变形破坏问题,需要在严格控制基层材料盐分、含盐量的基础上,水泥土稳定基层须使用抗硫酸盐硅酸盐水泥,合理设置隔断层并采取路基防水措施,以防止盐分、水分对路基稳定性的影响。

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