罗布泊天然亚硫酸盐渍土盐-冻胀试验研究

胡浩

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

新疆罗布泊地区盐渍土分布广泛，尤以亚硫酸盐渍土最为突出，该地区盐渍化程度高，盐胀、盐渍化软土发育明显[1,2]。随外界环境的变化，盐渍土固相中包含的易溶盐会溶解转化为液相，又因水分蒸发盐分结晶而成固相。可溶盐在反复溶解与结晶过程中，频繁出现积盐与脱盐，最终造成冻胀、盐胀和融沉等问题[3]。本文旨在研究盐渍土在多次冻融循环下的盐-冻胀累加规律，为保障工程运行安全和盐渍土化程度高的地区项目施工、设计提供理论指导依据。

1 试验方案及试样基本参数

1.1 试验方案

试验土样为天然亚硫酸盐渍土，试验土样取自罗布泊片区省级道路S235 沿线。为保证试验土的最大干密度为93%，采用轻型击实法对试验土样进行击实。试验模拟现场为20 ℃，经7 个循环周期，每个循环周期为48 h，由冻融循环设备测定试验土在每个周期的盐冻胀量及累加数据。

1.2 试验方法

该地区降水量较小，昼夜温差大。试验保持冷端阶梯式持续降温升温，采用室内开放系统大尺寸模拟试验，分析试样在经历反复的温度变化时的盐-冻胀量。

试验步骤：在室温下，将试验土密封养护24 h，成型后，用轻型击实法单向击实至所需干密度，然后分12 次装入高60 cm、内径30 cm 的有机玻璃桶中；采用冻融循环仪控制升降温，考虑到罗布泊地区冬季极端的气温变化，现设定上部冷端温度为-25 ℃，下部暖端始终控制在+5 ℃，见图1。

图1 冷端升降温示意图

罗布泊地区罗中气象站监测数据显示：该地区历史气温变化范围-22.7～48.0 ℃，最大昼夜温差达38.2 ℃。上下制冷头都可调设温度（温度区间-30～100 ℃），以实现温度变化时土壤是从顶端向底端逐渐变化的过程；采用保温材料包裹有机玻璃桶以隔离外界热交换，模拟现场的一维温度传递，使土样可以纵向自由膨胀。在有机筒体周围开孔安装温度测量装置，由TES-1310 温度仪监测不同深度土层温度，制冷头上部安装位移测量百分表，可直接显示土体盐-冻胀变形量大小；在有机筒底部通过四通管连接外部补水装置模拟地下补水，为使补充的盐水浓度与地下水含盐浓度相近，取当地卤水从低端自下而上补水。试验装置示意图见图2。

图2 试验装置示意图

1.3 试验土样的基本性质

按照SL 237-1999《土工试验规程》，对试样进行室内试验分析，测定基本参数[4]，见表1、表2。

表1 易溶盐渍土试样中各离子含量

表2 试样基本参数

按照GB 50021-2009《岩土工程勘察规范》中对盐渍土分类[5]，此次试验用天然盐渍土，属强盐渍土。

2 盐胀累加试验结果分析

通过冻融循环试验得到亚硫酸盐渍土盐胀累加试验数据，绘制成关系曲线[6,7]，见图3。

图3 亚硫酸盐渍土的盐胀累加过程线

由图3 可知：

1）在第1次循环周期，土体的传热性不好，盐胀量的增长幅度不明显。当顶端温度缓慢降低2 h后，盐胀量缓慢增大，说明土样体积变化对温度变化敏感，盐胀作用较显著。

2）在第2—6 次循环过程中盐胀增长较快，这主要是由于硫酸盐渍土的盐胀属于结晶盐胀，即土样空隙中的盐水因失去水分而结晶成盐分，引起土体体积膨胀。

3）第7 次循环后累加盐胀量最大为3.14 mm。

3 结论

1）亚硫酸盐渍土变形过程可划分为3 个阶段：第一阶段冷缩与盐胀，随着温度的缓慢降低引起土体的冷缩，在冷缩与盐体积膨胀的共同作用下使土体产生盐胀；第二阶段为盐胀与冻胀，温度降低一段时间后水固结成冰，硫酸钠溶解度急剧降低，多余的硫酸钠吸收的10 个水分子不断结晶析出，形成Na2SO4·10H2O，使土体产生盐-冻胀；第三阶段为升温回落阶段，即冰融化与晶体溶解。

2）在温度逐渐升高阶段，盐胀量急剧下降，开始时下降较明显，而后期下降幅度较缓。原因是土体的孔隙可容纳硫酸钠的膨胀量，融化阶段融化稳定值趋于稳定。虽然升温阶段使融化下沉量增大，但硫酸盐具有较好的盐胀累加性。当融沉增量逐渐减少，减小到一定程度趋于不变，使融化下沉值趋于稳定。

3）罗布泊亚硫酸盐渍土的盐胀累加速度在第4 次冻融循环后逐渐降低，7 次冻融周期最大累加盐胀量为3.14 mm。