多次冻融循环下天然粗粒盐渍土盐胀特性及盐胀机制研究

多次冻融循环下天然粗粒盐渍土盐胀特性及盐胀机制研究

1盐渍土微观结构特征的意义盐胀是中国西北盐碱土地区道路道路造成的主要破坏之一。与非盐渍土不同,盐渍土的三相体固相中除含有土颗粒外,还含有不稳定的结晶盐,固相与液相会随着外界条件的变化而相互转化,该特性对公路工程会产生极大的危害。盐渍土的颗粒组成、颗粒形状及颗粒间的相互排列,盐渍土颗粒表面特性、颗粒之间的胶结状况及盐晶体结晶状态等构成了盐渍土体的基本结构,它是决定盐渍土地区路基工程安全最基本的因素。研究盐渍土的微观结构特征,特别是模拟实际工况下压实路基及在自然气候环境影响下压实路基的微观结构特征,可以给该类土的承载力、变形特性及室内外试验的研究结果提供可靠的依据。本文采用河西走廊地区典型天然粗粒盐渍土进行大尺寸模型模拟试验,对未经冻融和经多次冻融循环后的压实土体微观结构进行研究,为该盐渍土地区公路路基病害的防治提供理论参考。2试验计划和样品的基本工程性质2.1土壤温度随试验周期的变化进行室内大尺寸模型试验,分析天然粗粒盐渍土盐胀冻融特性,模拟自然界冬季气温的降低及初春的升温过程,试样上端温度控制在-20℃,底端控制在+5℃,以实现气温降低时土壤温度从上部向下部逐渐变化的现象。降温过程持续24h后,关闭低温恒温槽让温度自然回升以模拟来年土壤温度逐渐上升的现象,此过程也维持24h,即48h为一冻融循环周期,共经9个冻融周期。为了使试样的边界条件与自然条件下相似,达到竖向一维冻融效果,试筒周围安装保温膜,以防止土样与周边环境的温度交换,保证试样在降温过程中同一水平面的温度一致。将养生好的土料在25℃条件下分12次装入有侧向变形限制的高60cm,内径为15cm的有机玻璃试筒中,击实至所需密度,养生24h后进行冻融试验。每间隔12cm插有温度传感器监控不同土层温度,基本上覆荷载由特制冷媒的重量模拟,试验装置如图1所示。分别经历3、5、7、9个冻融循环后,利用扫描电镜对土体微观结构进行分析,并对7次冻融循环周期后的水盐迁移规律进行分析。2.2溶盐、盐分和击实试验试验土样取自甘肃省河西走廊地区嘉峪关至安西段一级公路沿线的某天然料场的典型粗粒盐渍土。根据《公路土工试验规程》进行易溶盐含量、筛分和击实试验,试样基本参数见表1、2。该盐渍土属于粗砂,最佳含水率及最大干密度为6.8%和2.38g/cm3。根据《公路工程技术标准》取压实度为93%,即在有机玻璃桶中在最佳含水率的条件下,土体击实后的干密度等于最大干密度Smax×93%。3试验结果的处理和分析3.1冻融循环对盐胀的影响从图2(a)看出,甘肃河西走廊地区的粗粒盐渍土在试验的降温阶段,土柱体由上而下逐渐形成温度梯度;在升温过程中,各土层温度逐渐回升,土柱体底端温度滞后,呈抛物线形变化规律。第1层与第2层因为距离制冷端较近温度降低较明显,也是盐胀产生的主要区域;第3~5层因为离制冷端较远,温度变化较弱,呈抛物线形。第1层温度在-8~10℃间变化,第2层在1.5~10℃间变化,第3层在4.5~9℃间变化,第4、5层在5~10℃间变化。从图2(b)可以看出,第1冻融循环周期中,粗粒盐渍土在降温初期盐胀量增长缓慢但基本平稳,温度降低一段时间后土柱体开始下陷,一方面是由于当温度降低到一定程度时,盐渍土盐胀就基本平稳不再增长,另一方面是由于粗粒土体本身孔隙率就比较大,盐渍土的部分结晶盐胀被孔隙吸收,部分盐胀力破坏了盐渍土土体结构。当温度自然回升时,粗粒盐渍土表现出其特有的盐胀特性,温度自然回升初期盐胀量有继续增长的趋势,因为在顶端温度保持-20℃较长一段时间后,土柱体温度已降低到其盐胀增长活跃温度之下,加之土柱体下部温度也降低,致使土柱体下部大量盐结晶膨胀,而且前期温度降低过程中部分盐胀填充了部分孔隙,盐胀量有所增加。前7个冻融循环周期中,盐胀量总体表现出较好的累加性,自然升温后期盐胀趋势表现出较好的回归性。第8冻融循环周期中,在降温阶段盐胀趋势基本和前几个冻融循环周期一致,盐胀累加性不明显,在升温阶段,土体出现塌陷现象。第9冻融循环周期在前一周期塌陷的基础上土体下陷量继续增大。其机制主要是由于经多次冻融循环以后,硫酸盐吸水结晶产生较大的盐胀力,促使土颗粒间距增大,土粒之间发生错动,土体体积产生膨胀,并破坏了土体原有结构。当自然升温时盐晶体重复释放结晶水,土粒组成的骨架因失去盐晶体而形成孔隙,土颗粒间的相互作用如摩擦力及粘结力也已随着部分大颗粒骨架的破坏而减弱,细小土颗粒在自重力的作用下回落填充于大颗粒之间,整个土体结构塌陷,粗颗粒盐渍土最终表现出溶陷量大于盐胀量。甘肃河西走廊地区的天然粗粒盐渍土在历经9次冻融循环后的盐胀率变化拟合曲线结果如图3所示。从图3可以看出,甘肃河西走廊地区粗颗粒盐渍土的盐胀变化率随着冻融循环周期次数的增加先缓慢增大后迅速减小,最终表现出溶陷量大于盐胀量。该地区的盐渍土盐胀变化率与冻融循环周期的回归方程为式中:Y为盐渍土的盐胀变化率(%),x为冻融循环周期次数(次);R为相关系数。通过多次相似的大比尺试验验证,以上回归方程与试验结果的拟合程度较好,并对9次冻融循环后的结果具有指导意义。3.2土体含水率分布的变化通过模拟自然界冬季气温降低及来年初春升温过程的多次冻融循环试验,将土柱分为5段,分别对这5段土样进行易溶盐含量分析。从图4可以看出,土体中水分分布是按照由下到上含水率逐渐增大而最冷端下层有突起的规律分布的,呈现反“S”型。土体中SO42-及CL-是按照由下到上离子含量逐渐增大越靠冷端离子含量越多的规律分布的,分别呈现“C”型和反“S”型。这种现象产生的主要原因可以理解为:一是因为土温较低处的水汽弹性较小,土骨架的吸附力和冰的结晶力较大,土体水膜中的水分子活动性能低,也就是说沿着朝冷源方向上存在着各种分子力的梯度,并决定了在该方向上水的液相迁移。当土体达到盐分结晶析出所需温度时,由于盐分析出使土中溶液浓度降低,由暖端到冷端间就存在土体溶液的浓度梯度,促使各离子向冷端扩散。而且在冷端内离子的跳跃速度较慢,相反在暖端的离子较活跃。根据Einstein-Brown公式,在相同时间内,微粒平均位移的平方与绝对温度值成正比。所以,从暖端走向冷端的离子数目多于反向迁移的离子数目,其结果使冷端含盐量增大。二是因为在单向冻结过程中,水分是分别以汽态和液态的方式迁移,而离子则会以吸附、扩散和对流方式迁移,所以试验后各主要离子的分布和水分的迁移,总量并没有直接对应关系。单向冻结条件下,水分、SO42-及CL-均向冷端迁移。从含水率分布剖面图中可以看出,顶端含水率小于下端含水率,主要原因是在快速冻结过程中,水分来不及迁移。CL-在土柱体的分布情况是:在底端向上一层中离子含量最少,其并未出现在土柱体底端。因为在水汽迁移的过程中,依然有大量氯离子滞留在液态水中。4冻融循环对粗粒盐渍土微观结构的影响在所有研究土体结构的技术中,电子显微分析技术是惟一能直接、真实地揭示土体中土颗粒尺度、形态、颗粒间相互关系及原位矿物成分和化学成分的分析测试方法。为揭示盐渍土经多次冻融循环试验后土体结构特征,对粗粒盐渍土分别进行不同次数冻融循环周期后的扫描电镜分析。在冻融循环试验后,分别取出有机玻璃桶上、中、下3层土样作为试样进行烘干、并应用临界点干燥法对土样中的水进行蒸发处理,尽量减少土体组构的变化。甘肃河西走廊地区粗粒盐渍土未经冻融直接按最大干密度Smax×0.93击实土样经扫描电镜扫描放大100倍,见图5(a)。由图可以看出,修筑道路直接对地基进行压实后的粗粒盐渍土体微观结构主要呈现出微小粒集合成集粒包裹于大颗粒周围,土体结构较密实。粗粒盐渍土经冻融循环3周期后扫描见图5(b),粗粒之间的孔隙开始增大,部分大颗粒间由微小颗粒胶结连接。冻融5周期见图5(c),颗粒之间的孔隙继续扩大,由微小颗粒集合成基粒的包裹作用开始减弱。冻融7周期见图5(d),大颗粒间距继续扩大,土体结构破坏,部分大颗粒直接镶嵌接触,部分微小颗粒由盐类胶结充填于大孔隙之间。冻融九周期见图5(e),随着大颗粒间距进一步扩大,土体结构进一步破坏,大颗粒骨架被架空破坏,自然升温以后随着结晶体释放结晶水,结晶水溶化盐胶结,细小颗粒回落填充于大颗粒之间,大颗粒在前期被扩大的孔隙部分被细小颗粒回填,部分孔隙塌落破坏。图5(f)、5(g)分别为粗粒盐渍土经3、7次冻融循环后放大2000倍的土粒与盐晶体的微观图像。由图可见,经3、7次冻融循环以后粗粒盐渍土结构疏松、架空孔隙,盐类晶体接触-胶结,镶嵌胶结于大颗粒之间,部分大颗粒骨架间由盐晶体胶结连接,呈现点接触式。图5(h)~5(j)分别为经9次冻融循环后土柱体自上而下一维土体放大50倍的微观结构图,可见土柱体在经多次冻融循环后的结构变化,土柱体呈现大颗粒中填充小颗粒,随着冻融循环次数的增加,小颗粒在重力作用下通过大颗粒孔隙下落,表现出颗粒成层现象。其主要原因是在单向冻结条件下,土颗粒位移具有热筛效应和对流迁移的特点。冻结时温度就犹如一把由热(温度)引起的振动筛把粗粒留在筛上、细粒排于筛下,造成冻结过程中土粒垂向位移的现象,此现象为热筛效应。同时,土体冻结过程中,会出现水分向冷端面迁移现象,当迁移水流达到一定流速,则土中微粒应被水分裹挟一起运动,由此产生的颗粒迁移为对流迁移。冻融循环条件下的粗粒土盐渍土在单向降温后,由于土体大颗粒和水中含有易溶盐对溶液浓度的影响,迁移水流流速较慢,并且自然升温时温度变化较慢,热筛效应比较明显。5冻融循环对盐渍土理化性质的影响(1)甘肃河西走廊地区粗粒盐渍土在多次冻融循环时的盐胀量有起胀亦有回落。前7次冻融循环试验中,盐胀量主要以盐胀累加为主,其后的冻融循环试验中则以溶陷累加为主。每单次循环周期内,土体在降温过程的前期是起胀,后期有体缩现象,导致这类盐渍土经9个冻融循环周期后土体下陷量较大。(2)经多次冻融循环后的盐分水分重分布