多次凍融循環(huán)下天然粗粒鹽漬土鹽脹特性及鹽脹機(jī)制研究

多次凍融循環(huán)下天然粗粒鹽漬土鹽脹特性及鹽脹機(jī)制研究

1鹽漬土微觀結(jié)構(gòu)特征的意義鹽脹是中國(guó)西北鹽堿土地區(qū)道路道路造成的主要破壞之一。與非鹽漬土不同,鹽漬土的三相體固相中除含有土顆粒外,還含有不穩(wěn)定的結(jié)晶鹽,固相與液相會(huì)隨著外界條件的變化而相互轉(zhuǎn)化,該特性對(duì)公路工程會(huì)產(chǎn)生極大的危害。鹽漬土的顆粒組成、顆粒形狀及顆粒間的相互排列,鹽漬土顆粒表面特性、顆粒之間的膠結(jié)狀況及鹽晶體結(jié)晶狀態(tài)等構(gòu)成了鹽漬土體的基本結(jié)構(gòu),它是決定鹽漬土地區(qū)路基工程安全最基本的因素。研究鹽漬土的微觀結(jié)構(gòu)特征,特別是模擬實(shí)際工況下壓實(shí)路基及在自然氣候環(huán)境影響下壓實(shí)路基的微觀結(jié)構(gòu)特征,可以給該類土的承載力、變形特性及室內(nèi)外試驗(yàn)的研究結(jié)果提供可靠的依據(jù)。本文采用河西走廊地區(qū)典型天然粗粒鹽漬土進(jìn)行大尺寸模型模擬試驗(yàn),對(duì)未經(jīng)凍融和經(jīng)多次凍融循環(huán)后的壓實(shí)土體微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,為該鹽漬土地區(qū)公路路基病害的防治提供理論參考。2試驗(yàn)計(jì)劃和樣品的基本工程性質(zhì)2.1土壤溫度隨試驗(yàn)周期的變化進(jìn)行室內(nèi)大尺寸模型試驗(yàn),分析天然粗粒鹽漬土鹽脹凍融特性,模擬自然界冬季氣溫的降低及初春的升溫過(guò)程,試樣上端溫度控制在-20℃,底端控制在+5℃,以實(shí)現(xiàn)氣溫降低時(shí)土壤溫度從上部向下部逐漸變化的現(xiàn)象。降溫過(guò)程持續(xù)24h后,關(guān)閉低溫恒溫槽讓溫度自然回升以模擬來(lái)年土壤溫度逐漸上升的現(xiàn)象,此過(guò)程也維持24h,即48h為一凍融循環(huán)周期,共經(jīng)9個(gè)凍融周期。為了使試樣的邊界條件與自然條件下相似,達(dá)到豎向一維凍融效果,試筒周圍安裝保溫膜,以防止土樣與周邊環(huán)境的溫度交換,保證試樣在降溫過(guò)程中同一水平面的溫度一致。將養(yǎng)生好的土料在25℃條件下分12次裝入有側(cè)向變形限制的高60cm,內(nèi)徑為15cm的有機(jī)玻璃試筒中,擊實(shí)至所需密度,養(yǎng)生24h后進(jìn)行凍融試驗(yàn)。每間隔12cm插有溫度傳感器監(jiān)控不同土層溫度,基本上覆荷載由特制冷媒的重量模擬,試驗(yàn)裝置如圖1所示。分別經(jīng)歷3、5、7、9個(gè)凍融循環(huán)后,利用掃描電鏡對(duì)土體微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并對(duì)7次凍融循環(huán)周期后的水鹽遷移規(guī)律進(jìn)行分析。2.2溶鹽、鹽分和擊實(shí)試驗(yàn)試驗(yàn)土樣取自甘肅省河西走廊地區(qū)嘉峪關(guān)至安西段一級(jí)公路沿線的某天然料場(chǎng)的典型粗粒鹽漬土。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行易溶鹽含量、篩分和擊實(shí)試驗(yàn),試樣基本參數(shù)見(jiàn)表1、2。該鹽漬土屬于粗砂,最佳含水率及最大干密度為6.8%和2.38g/cm3。根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》取壓實(shí)度為93%,即在有機(jī)玻璃桶中在最佳含水率的條件下,土體擊實(shí)后的干密度等于最大干密度Smax×93%。3試驗(yàn)結(jié)果的處理和分析3.1凍融循環(huán)對(duì)鹽脹的影響從圖2(a)看出,甘肅河西走廊地區(qū)的粗粒鹽漬土在試驗(yàn)的降溫階段,土柱體由上而下逐漸形成溫度梯度;在升溫過(guò)程中,各土層溫度逐漸回升,土柱體底端溫度滯后,呈拋物線形變化規(guī)律。第1層與第2層因?yàn)榫嚯x制冷端較近溫度降低較明顯,也是鹽脹產(chǎn)生的主要區(qū)域;第3~5層因?yàn)殡x制冷端較遠(yuǎn),溫度變化較弱,呈拋物線形。第1層溫度在-8~10℃間變化,第2層在1.5~10℃間變化,第3層在4.5~9℃間變化,第4、5層在5~10℃間變化。從圖2(b)可以看出,第1凍融循環(huán)周期中,粗粒鹽漬土在降溫初期鹽脹量增長(zhǎng)緩慢但基本平穩(wěn),溫度降低一段時(shí)間后土柱體開始下陷,一方面是由于當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí),鹽漬土鹽脹就基本平穩(wěn)不再增長(zhǎng),另一方面是由于粗粒土體本身孔隙率就比較大,鹽漬土的部分結(jié)晶鹽脹被孔隙吸收,部分鹽脹力破壞了鹽漬土土體結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度自然回升時(shí),粗粒鹽漬土表現(xiàn)出其特有的鹽脹特性,溫度自然回升初期鹽脹量有繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì),因?yàn)樵陧敹藴囟缺３?20℃較長(zhǎng)一段時(shí)間后,土柱體溫度已降低到其鹽脹增長(zhǎng)活躍溫度之下,加之土柱體下部溫度也降低,致使土柱體下部大量鹽結(jié)晶膨脹,而且前期溫度降低過(guò)程中部分鹽脹填充了部分孔隙,鹽脹量有所增加。前7個(gè)凍融循環(huán)周期中,鹽脹量總體表現(xiàn)出較好的累加性,自然升溫后期鹽脹趨勢(shì)表現(xiàn)出較好的回歸性。第8凍融循環(huán)周期中,在降溫階段鹽脹趨勢(shì)基本和前幾個(gè)凍融循環(huán)周期一致,鹽脹累加性不明顯,在升溫階段,土體出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。第9凍融循環(huán)周期在前一周期塌陷的基礎(chǔ)上土體下陷量繼續(xù)增大。其機(jī)制主要是由于經(jīng)多次凍融循環(huán)以后,硫酸鹽吸水結(jié)晶產(chǎn)生較大的鹽脹力,促使土顆粒間距增大,土粒之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng),土體體積產(chǎn)生膨脹,并破壞了土體原有結(jié)構(gòu)。當(dāng)自然升溫時(shí)鹽晶體重復(fù)釋放結(jié)晶水,土粒組成的骨架因失去鹽晶體而形成孔隙,土顆粒間的相互作用如摩擦力及粘結(jié)力也已隨著部分大顆粒骨架的破壞而減弱,細(xì)小土顆粒在自重力的作用下回落填充于大顆粒之間,整個(gè)土體結(jié)構(gòu)塌陷,粗顆粒鹽漬土最終表現(xiàn)出溶陷量大于鹽脹量。甘肅河西走廊地區(qū)的天然粗粒鹽漬土在歷經(jīng)9次凍融循環(huán)后的鹽脹率變化擬合曲線結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出,甘肅河西走廊地區(qū)粗顆粒鹽漬土的鹽脹變化率隨著凍融循環(huán)周期次數(shù)的增加先緩慢增大后迅速減小,最終表現(xiàn)出溶陷量大于鹽脹量。該地區(qū)的鹽漬土鹽脹變化率與凍融循環(huán)周期的回歸方程為式中:Y為鹽漬土的鹽脹變化率(%),x為凍融循環(huán)周期次數(shù)(次);R為相關(guān)系數(shù)。通過(guò)多次相似的大比尺試驗(yàn)驗(yàn)證,以上回歸方程與試驗(yàn)結(jié)果的擬合程度較好,并對(duì)9次凍融循環(huán)后的結(jié)果具有指導(dǎo)意義。3.2土體含水率分布的變化通過(guò)模擬自然界冬季氣溫降低及來(lái)年初春升溫過(guò)程的多次凍融循環(huán)試驗(yàn),將土柱分為5段,分別對(duì)這5段土樣進(jìn)行易溶鹽含量分析。從圖4可以看出,土體中水分分布是按照由下到上含水率逐漸增大而最冷端下層有突起的規(guī)律分布的,呈現(xiàn)反“S”型。土體中SO42-及CL-是按照由下到上離子含量逐漸增大越靠冷端離子含量越多的規(guī)律分布的,分別呈現(xiàn)“C”型和反“S”型。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因可以理解為:一是因?yàn)橥翜剌^低處的水汽彈性較小,土骨架的吸附力和冰的結(jié)晶力較大,土體水膜中的水分子活動(dòng)性能低,也就是說(shuō)沿著朝冷源方向上存在著各種分子力的梯度,并決定了在該方向上水的液相遷移。當(dāng)土體達(dá)到鹽分結(jié)晶析出所需溫度時(shí),由于鹽分析出使土中溶液濃度降低,由暖端到冷端間就存在土體溶液的濃度梯度,促使各離子向冷端擴(kuò)散。而且在冷端內(nèi)離子的跳躍速度較慢,相反在暖端的離子較活躍。根據(jù)Einstein-Brown公式,在相同時(shí)間內(nèi),微粒平均位移的平方與絕對(duì)溫度值成正比。所以,從暖端走向冷端的離子數(shù)目多于反向遷移的離子數(shù)目,其結(jié)果使冷端含鹽量增大。二是因?yàn)樵趩蜗騼鼋Y(jié)過(guò)程中,水分是分別以汽態(tài)和液態(tài)的方式遷移,而離子則會(huì)以吸附、擴(kuò)散和對(duì)流方式遷移,所以試驗(yàn)后各主要離子的分布和水分的遷移,總量并沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。單向凍結(jié)條件下,水分、SO42-及CL-均向冷端遷移。從含水率分布剖面圖中可以看出,頂端含水率小于下端含水率,主要原因是在快速凍結(jié)過(guò)程中,水分來(lái)不及遷移。CL-在土柱體的分布情況是:在底端向上一層中離子含量最少,其并未出現(xiàn)在土柱體底端。因?yàn)樵谒w移的過(guò)程中,依然有大量氯離子滯留在液態(tài)水中。4凍融循環(huán)對(duì)粗粒鹽漬土微觀結(jié)構(gòu)的影響在所有研究土體結(jié)構(gòu)的技術(shù)中,電子顯微分析技術(shù)是惟一能直接、真實(shí)地揭示土體中土顆粒尺度、形態(tài)、顆粒間相互關(guān)系及原位礦物成分和化學(xué)成分的分析測(cè)試方法。為揭示鹽漬土經(jīng)多次凍融循環(huán)試驗(yàn)后土體結(jié)構(gòu)特征,對(duì)粗粒鹽漬土分別進(jìn)行不同次數(shù)凍融循環(huán)周期后的掃描電鏡分析。在凍融循環(huán)試驗(yàn)后,分別取出有機(jī)玻璃桶上、中、下3層土樣作為試樣進(jìn)行烘干、并應(yīng)用臨界點(diǎn)干燥法對(duì)土樣中的水進(jìn)行蒸發(fā)處理,盡量減少土體組構(gòu)的變化。甘肅河西走廊地區(qū)粗粒鹽漬土未經(jīng)凍融直接按最大干密度Smax×0.93擊實(shí)土樣經(jīng)掃描電鏡掃描放大100倍,見(jiàn)圖5(a)。由圖可以看出,修筑道路直接對(duì)地基進(jìn)行壓實(shí)后的粗粒鹽漬土體微觀結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)出微小粒集合成集粒包裹于大顆粒周圍,土體結(jié)構(gòu)較密實(shí)。粗粒鹽漬土經(jīng)凍融循環(huán)3周期后掃描見(jiàn)圖5(b),粗粒之間的孔隙開始增大,部分大顆粒間由微小顆粒膠結(jié)連接。凍融5周期見(jiàn)圖5(c),顆粒之間的孔隙繼續(xù)擴(kuò)大,由微小顆粒集合成基粒的包裹作用開始減弱。凍融7周期見(jiàn)圖5(d),大顆粒間距繼續(xù)擴(kuò)大,土體結(jié)構(gòu)破壞,部分大顆粒直接鑲嵌接觸,部分微小顆粒由鹽類膠結(jié)充填于大孔隙之間。凍融九周期見(jiàn)圖5(e),隨著大顆粒間距進(jìn)一步擴(kuò)大,土體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞,大顆粒骨架被架空破壞,自然升溫以后隨著結(jié)晶體釋放結(jié)晶水,結(jié)晶水溶化鹽膠結(jié),細(xì)小顆粒回落填充于大顆粒之間,大顆粒在前期被擴(kuò)大的孔隙部分被細(xì)小顆?；靥?部分孔隙塌落破壞。圖5(f)、5(g)分別為粗粒鹽漬土經(jīng)3、7次凍融循環(huán)后放大2000倍的土粒與鹽晶體的微觀圖像。由圖可見(jiàn),經(jīng)3、7次凍融循環(huán)以后粗粒鹽漬土結(jié)構(gòu)疏松、架空孔隙,鹽類晶體接觸-膠結(jié),鑲嵌膠結(jié)于大顆粒之間,部分大顆粒骨架間由鹽晶體膠結(jié)連接,呈現(xiàn)點(diǎn)接觸式。圖5(h)~5(j)分別為經(jīng)9次凍融循環(huán)后土柱體自上而下一維土體放大50倍的微觀結(jié)構(gòu)圖,可見(jiàn)土柱體在經(jīng)多次凍融循環(huán)后的結(jié)構(gòu)變化,土柱體呈現(xiàn)大顆粒中填充小顆粒,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,小顆粒在重力作用下通過(guò)大顆?？紫断侣?表現(xiàn)出顆粒成層現(xiàn)象。其主要原因是在單向凍結(jié)條件下,土顆粒位移具有熱篩效應(yīng)和對(duì)流遷移的特點(diǎn)。凍結(jié)時(shí)溫度就猶如一把由熱(溫度)引起的振動(dòng)篩把粗粒留在篩上、細(xì)粒排于篩下,造成凍結(jié)過(guò)程中土粒垂向位移的現(xiàn)象,此現(xiàn)象為熱篩效應(yīng)。同時(shí),土體凍結(jié)過(guò)程中,會(huì)出現(xiàn)水分向冷端面遷移現(xiàn)象,當(dāng)遷移水流達(dá)到一定流速,則土中微粒應(yīng)被水分裹挾一起運(yùn)動(dòng),由此產(chǎn)生的顆粒遷移為對(duì)流遷移。凍融循環(huán)條件下的粗粒土鹽漬土在單向降溫后,由于土體大顆粒和水中含有易溶鹽對(duì)溶液濃度的影響,遷移水流流速較慢,并且自然升溫時(shí)溫度變化較慢,熱篩效應(yīng)比較明顯。5凍融循環(huán)對(duì)鹽漬土理化性質(zhì)的影響(1)甘肅河西走廊地區(qū)粗粒鹽漬土在多次凍融循環(huán)時(shí)的鹽脹量有起脹亦有回落。前7次凍融循環(huán)試驗(yàn)中,鹽脹量主要以鹽脹累加為主,其后的凍融循環(huán)試驗(yàn)中則以溶陷累加為主。每單次循環(huán)周期內(nèi),土體在降溫過(guò)程的前期是起脹,后期有體縮現(xiàn)象,導(dǎo)致這類鹽漬土經(jīng)9個(gè)凍融循環(huán)周期后土體下陷量較大。(2)經(jīng)多次凍融循環(huán)后的鹽分水分重分布