DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.01.033

上隔下疏型硫酸盐渍土路基盐胀模型试验研究

陈再¹，彭述权¹，胡毅夫¹，樊玲^{1, 2}

(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083

2. 中南大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，湖南 长沙，410075)

摘要：根据新疆阿拉尔市硫酸盐渍土路基现场调查结果，人工配制硫酸钠盐渍土，进行上隔下疏型硫酸盐渍土路基盐胀变形机制室内模型试验研究。在大气环境模拟室内进行对比模型试验，对比分析升温过程中设置有上隔下疏结构层的新型路基与普通路基温度变化，降温过程中的温度变化和盐胀变形；对试验路基排盐水效果进行分析。试验结果表明：在升温和降温过程中，新型路基结构保温层能有效减少路基内部温度变化幅度，影响程度随深度增加而减弱；在升温过程中，保温层阻止表面蒸发，减弱内部盐水迁移；在降温过程中，保温层能减弱路基表层盐胀变形，对深层盐胀的抑制效果比表层抑制效果明显；疏排水层能有效排出路基内盐水及减小路基深部盐胀变形的发展；保温层和疏排水层综合减小盐胀变形效果明显。

关键词：硫酸盐渍土；路基结构；模型试验；盐胀变形

中图分类号：U416.166             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)01-0248-07

Model test research on salt expansion of partition above and channelize below sulfuric acid saline soil roadbed

CHEN Zai¹, PENG Shuquan¹, HU Yifu¹, FAN Ling^{1, 2}

(1. School of Resource and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: According to the survey of a sulfuric acid saline soil roadbed in Alar, Xinjiang, the salt expansion characteristics and law of temperature change were studied in the ‘partition above and channelize below’ sulfuric acid saline soil roadbed simulating lab test based on artificial sodium sulfate saline soil. Contrast model test was done in the atmospheric environment simulation chamber. A contrastive analysis of temperature change during the warming process  was made between ordinary roadbed and the new roadbed with a structure layer named ‘partition above and channelize below, and salt expansion deformation during the cooling process. Brine draining effect of the test roadbed model was analyzed. The results show that during the warming and cooling process, the thermal insulation layer can effectively reduce roadbed internal temperature variation amplitude, and the influence degree decreases with the increase of the depth. The thermal insulation layer can prevent surface evaporation and weaken the internal brine migration during the warming process. The thermal insulation layer can weaken the surface salt expansion deformation and have more obvious effect on deep salt expansion than surface. The drainage layer can drain saline and effectively reduce roadbed deformation development of deep salt expansion. The comprehensive effect of thermal insulation layer and drainage layer on the reduction of salt expansion is obvious.

Key words: sulfuric acid saline soil; roadbed structure; model test; salt expansion deformation

我国西部盐渍土地区道路病害形式主要有盐胀、翻浆、溶陷和腐蚀，使得道路出现鼓包、裂缝、坑槽、冒水，降低道路服务质量和服役年限^[1]。在典型内陆气候的硫酸盐渍土地区，降雨量少、蒸发量大、温度变化幅度大等极端条件下，季节性、周期性的盐-冻胀、溶陷表现更加突出。其主要原因是路面路基层中硫酸盐诱发的盐胀作用，表现为：1) 在路基水泥稳定层的水泥水化过程中，因硫酸盐参与形成钙矾石等膨胀性物质^[2]；2) 路面排水较差形成的冻胀和溶沉作用导致路面发生破坏^[3]；3) 路基硫酸盐含量超标，温度变化作用形成以十水硫酸钠为主要成分的膨胀型硫酸钠晶体^[4-5]。为此，众多学者对硫酸盐盐渍土这一特殊土体进行了深入研究。通常认为硫酸盐盐胀发生必须具备一定的起胀温度和盐溶液浓度等条件才能发生：起胀含盐量为0.2%(质量分数)，起胀温度区间为5~ 20 ℃，盐胀剧变区间为0~5 ℃^[6]。研究表明硫酸盐渍土盐胀率受到含水量、氯化钠含量、硫酸钠含量、初始干容重和上覆荷载等因素，以及颗粒粒径^[7]影响，盐胀率与各影响因素之间均呈二次抛物线规律^[8]；天然硫酸盐渍土盐胀应力为32~375 kPa^[9]；硫酸钠溶液对冻胀有一定的抑制作用^[10]；冻融循环对盐渍土物理和化学性质有较大影响^[11]。盐渍土路基研究主要集中在路基内盐水重分布和盐冻胀变形研究^[12]，以达到控制盐分迁移的目的，如设置隔断层^[13]和盐渍土固化改良等路基处理方法。盐渍土的固化改良方法主要是提高路用盐渍土的CBR、回弹模量、抗冻性、抗盐胀变形、水稳定性、抗干缩和温缩性能^[14]。其中改良方法常见的有^[15]有机高分子材料SH改良、水泥固化、石灰+水泥改良、粉煤灰、石灰以及钢渣-石灰等废渣改良和M固化剂改良等。采用水泥基、钙基固化剂固化改良水稳层土体或路基土体，会导致二次盐胀问题，具有强烈的破坏作用，因此，国外目前多数已经不再采用这种土体改良技术。同时，工程实践中也发现城

市道路中土工膜隔断层由于隔断了路基的水气迁移路径，导致水分和盐胀在土工膜隔断层附近聚集，从而引起新的盐胀且同时加剧冻胀-溶沉作用。按照相关规范^[14]，采用透水隔断层可导致路基高度过高，显著增加路基修筑成本。为此，本文作者在西部盐渍土地区路基破坏实例研究的基础上，提出一种“上隔断，下疏排”的新型硫酸盐渍土路基结构以期改善路基的温湿状况从而有效减小盐胀，对其盐胀控制机理进行室内物理模型研究。

1  硫酸盐渍土道路现场调查

以西部新疆阿拉尔市新建投入使用不到2年的城市破坏道路为实例进行调查分析。阿拉尔市道路破坏时间主要集中在春季，主要表现为路面鼓包、坑洼、沿道路纵向的裂缝(见图1)。采用HZ-20A混凝土钻芯机对破坏道路路基进行钻芯取样并进行盐分测定。结果表明路基水泥稳定层、砂砾层和风积沙是相应绿化带相应深度土体含盐量的3~7倍(表1)，同时，SEM微观试验结果表明该市路面路基中存在硫酸钠晶体和硫酸钙晶体等多种膨胀性结晶盐(图2)，由此可推测该市道路破坏主要原因是多次季节性温度变化导致硫酸盐和氯化盐在水泥稳定层、路基中富集并且产生多次盐-冻胀和溶沉作用，导致损失累计最终诱发道路破坏。

表1  阿拉尔大道含盐量分析

Table 1  Salinity analysis of sample in Alar Avenue

图1  阿拉尔大道路面鼓包、纵向开裂

Fig.1  Drum kits and longitudinal cracking on Alar Avenue

图2  盐渍土路基取样SEM微观结构

Fig. 2  SEM microstructures of saline soil subgrade sample

2  路基模型试验

2.1  试验原理

饱和硫酸钠溶液的主要特性：在32.4 ℃以下会结晶析出Na₂SO₄·10H₂O晶体(俗称芒硝)，硫酸钠晶体和十水硫酸钠晶体摩尔质量分别为142 g/mol和322g/mol，密度分别为2.68 g/cm³和1.48 g/cm³，因此，结晶析出后硫酸钠晶体体积约为原来体积的3.44倍。当温度高于32.4 ℃时，芒硝晶体容易失去结晶水分子，体积膨胀消失，产生明显的体积收缩。根据这一特性分析，影响硫酸钠盐胀的直接主要因素是温度变化和水分的供给。从这2个角度出发，对路基结构进行保温和隔水排水处理。保温层紧贴路基表面，当外部气温较高时，减缓保温层以下路基温度升高而抑制蒸发作用引起的盐水向上迁移；当温度较低时，减缓路基内部热量散失，减小下路基温度变化幅度和影响深度。疏排水层设置于下路基层，在高温时，隔断蒸腾作用引起的盐水上升通道；低温时，隔断地下水向盐胀锋面的汇集通道；同时该层含水量达到一定程度后，孔隙水在微水压力差作用下向排水沟(管)汇集并排出路基。

2.2  路基模型设计

模型参照阿拉尔市阿拉尔大道道路结构，纵向和横向按照12:1，结构层按照2:1制作路基模型。模型箱由模板外框，内贴50 mm泡沫板保温层和薄膜隔水层组成，净空尺寸的长×宽×高为300 cm×200 cm×55 cm，路基模型的长×宽×高为300 cm×200 cm×48 cm。路基模型分成试验模型Ⅰ(图3)和对比模型Ⅱ(图4)，试验模型路基内部包含有砂砾构成的疏排水层，而对比模型则不含疏排水层。每个模型根据有无保温层分成A区(含保温层)和B区(无保温层)(见图5)，编号为Ⅰ-A，Ⅰ-B，Ⅱ-A和Ⅱ-B。

位移、温度监测：采用百分表分别量测表层和-15 cm处位移。为方便读数，在模型箱上架设钢管作为百分表坐的支点，监测点布置见图5，其中每个监测点均有1个表面点和-15 cm点，总计18个监测点。同时按照对称原则，在中心和两对称轴距边框50 cm处总计布置5个点，沿深度10，20和30 cm布置温度传感器，总计30个温度监测点。

图3  路基试验模型Ⅰ

Fig. 3  Roadbed test model Ⅰ

图4  对比路基试验模型Ⅱ

Fig. 4  Contrast roadbed test model Ⅱ

图5  温度、位移监测点布置

Fig. 5  Arrangement of temperature and displacement monitoring point

2.3  试验过程

路基盐渍土采用天然细河砂，颗粒级配见图6，按照含水量为6%(质量分数)，含盐量为3.6%加入无水Na₂SO₄和自来水经充分搅拌后闷料12 h；疏水层填料为洗净的干燥无盐1~60 mm砂砾，不均匀系数为15；保温层为50 mm厚聚苯乙烯泡沫板(EPS)。路基Ⅰ-A从下至上依次为盐渍土、排水沟、9 cm厚砂砾层、盐渍土回填层、薄膜隔断层、1 cm厚砂浆层、5 cm泡沫保温层。路基I-B结构与Ⅰ-A类似，不包含最顶层的保温层。对比路基Ⅱ-A为均匀填筑48 cm盐渍土并覆盖有薄膜隔断层、1 cm厚砂浆层和5 cm泡沫保温层；Ⅱ-B为48 cm盐渍土并覆盖有薄膜隔断层和1 cm厚砂浆层。

通过大气环境模拟系统来控制实验室内温度。2012-04-14T18:40开始进行升温试验，设定室内温度为50 ℃，升温历时68 h 10 min，试验期间在2012-04-16T14:15(升温试验进行44 h)对试验路基两侧补充10 kg质量分数为23%的硫酸钠溶液。

图6  风积沙和试验河砂颗粒级配

Fig. 6  Grain size distribution of aeolian sand and experimental sand

图7  路基盐渍土制样

Fig. 7  Preparation of roadbed saline soil

2012-04-18T09:00开始降温至2012-04-23T18:50结束试验，设定温度为-15 ℃，降温历时100 h。

3  试验结果分析

3.1  路基温度变化趋势分析

土体温度是影响硫酸盐渍土盐胀的直接因素。图8和图9所示分别为试验模型I和对比模型II中A区(含保温层)和B区(不含保温层)不同深度的温度变化曲线，A区温度为第5号监测点不同埋深温度，B区温度为第4号监测点不同埋深温度。

室内升温时，热量通过路基表面与空气之间的热交换而使路基温度升高。从图8(a)和9(a)可见：A区和B区各深度温度变化速率基本一致，路基内温度梯度随时间增大，路基温度升高量随深度的增加而减少，各层总的温度升高量相差较大：试验路基A区从上往下温度依次升高20.5，19.7和15.7 ℃，而B区升高为22.5，20.1和16.3 ℃；对比路基A区从上往下温度依次升高19.8 ℃和16.2 ℃，B区升高为22 ℃和19 ℃。保温层的导热系数远小于水泥砂浆和盐渍土的导热系数，因此，能减少热量的向下传递，从而导致A区表层的温度升高量比B区的小；两区域深层温度升高量接近说明保温层的保温效果有一定范围。

图8(b)和9(b)所示分别为降温过程路中基温度曲线，路基降温过程是从表面向下热量往表面传递，然后在表面与空气进行热交换，使得路基温度呈梯度下降。温度的降低与路基表面材料以及路基的导热性能有密切关系。由图8和图9可知：2种路基内温度与时间成线性关系且变化速率一致，其原因是路基内部材料相同，导热系数相同。不同的是2种路基结构总的温降量不同：A区的总温度下降量为17.0~18.7 ℃，B区的总温度下降量为21.0~24.2 ℃；总温度下降量随着深度的增加而减小，A区总温度下降量随埋深的变化要比B区的小。因为A区表层保温层的保温效果，能有效减小路基内部热量的散失，从而使得路基内温度下降量较小。

3.2  路基变形分析

根据路基温度监测，在试验过程中路基温度最低为0.3 ℃，说明在试验过程中路基监测范围内的水没有发生冻胀，路基变形以硫酸钠结晶析出芒硝而膨胀为主。图10所示为试验模型A区(含保温层)第3测点和B区(不含保温层)第1测点的纵向位移，图11所示为对比试验模型A区第5测点和B区第4测点表层和-15 cm处的纵向位移。从图10和图11可知：表层位移是-15 cm处变形量的3~11倍，因为-15 cm处位移受到上部土体自重的抑制，而且-15 cm处温度比表层路基温度高，发生盐胀的时间较短；图10中A区和B区的盐胀速率比较接近，且起胀时间一致，但路基A区表层盐胀变形量明显比B区的小，保温层能在同等时间内保持路基内部热量散失，从而使得盐胀要比B区的小；试验模型和对比模型A区内的表层以及-15 cm对应变形量不超过1.2 mm，但B区的-15 cm处变形量差达2.87 mm。说明在没有保温层作用时，路基内部的疏水层能阻断下路堤的地下水补充，起到一定的盐胀抑制作用。

3.3  路基排盐水效果分析

为检测路基疏排水层以及排水沟的排盐水效果，在升温试验过程中对路基进行盐水补充和盐水排出量收集和测试。04-16T14:15(升温试验进行44 h)分别对试验路基和对比试验路基两侧分别补充10 kg质量分数为23%的硫酸钠溶液，16:00便发现排水沟中开始有盐水排出，累计排盐水及含盐量见图12。结果表明：在路基疏水层和排水沟能有效排出路基内多余的水分。

图8  试验模型ⅠA/B区不同深度温度变化曲线

Fig. 8  Temperature change curves at different depths of test model Ⅰ A/B area

图9  对比模型ⅡA/B区不同深度温度变化曲线

Fig. 9  Temperature change curve at different depths of contrast model Ⅱ A/B area

图10  试验模型变形

Fig. 10  Deformation of test model

图11  对比试验模型变形

Fig. 11  Deformation of contrast test model

04-17T14:50(加水后累计时间23 h)停止升温试验，对比前后2个排盐水阶段可得：第Ⅰ阶段排水速率呈减小趋势，含盐量呈上升趋势；而第Ⅱ阶段排水速率随时间而增大，含盐量则急剧下降。这主要是因为随着温度的升高，硫酸钠的溶解度增加，盐水下渗过程中带走了一部分路基内的盐分，所以含盐量呈上升趋势；路基内部温度梯度增大，路基内毛细水强度较大，盐水的排出速率降低。第Ⅱ阶段停止升温试验，路基表面温度逐渐降低，温度梯度减小，排水速率增大，而排出的盐水的含盐量减小。

图12  排水沟排盐效果

Fig. 12  Drains row salt effect

4  结论

1) 保温层能有效减小保温层以下路基一定深度路基内部温度变化幅度，减少内部盐水迁移，从而缩短了路基盐胀时间，在一定程度上减小了表层和深层盐胀变形。

2) 疏排水层能隔断毛细水通道，阻断盐胀过程中盐水补给，防止盐分向表层富集，在路基含水量达到一定程度时能有效排出盐水，能有效减小深层盐胀变形。

3) 提出的“上隔下疏”型盐渍土路基结构能减少路基内部温度变化，减小路基内部硫酸盐结晶析出产生的盐胀变形，保温层和疏排水层的综合抑制盐胀作用的效果明显。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2014-03-12；修回日期：2014-05-27

基金项目(Foundation item)：科技支疆计划(2010ZJ05) (Project(2010ZJ05) supported by Science and Technology Program of Xinjiang, China)

通信作者：彭述权，博士后，讲师，从事岩土工程细观破坏以及城市地下空间研究；E-mail: pqr97linger@163.com