劉夢瑤,馮懷平

(石家莊鐵道大學土木工程學院,石家莊 050043)

1 概述

近年來，中國將重建橫貫歐亞大陸的“絲綢之路經(jīng)濟帶”，作為“一帶一路”的核心內(nèi)容之一，以高鐵為主的鐵路建設變得愈加重要。然而在西北地區(qū)的高速鐵路建設過程中遇到了大量鹽漬土地基[1]，鹽漬土是指地表以下1 m以內(nèi)易溶鹽含量大于0.5%的土，西北地區(qū)是我國主要鹽漬土分布地區(qū)，約占全國鹽漬土總面積的60%左右[2]，分布面積日趨增大。鹽漬土在干燥狀態(tài)下，土中易溶鹽顆粒以結晶形式與土顆粒膠結在一起，土體的強度和變形模量很高。因此，常規(guī)地基的處理方法，如強夯、灌漿法等對地基處理效果不太明顯[3]；鹽漬土地基浸水后，易溶鹽與土顆粒形成的膠結晶體溶解[4]，在上部壓力作用下會產(chǎn)生較大的溶陷變形?？梢钥闯?，鹽漬土的變形問題嚴重危害著對工后沉降等級要求極高的高速鐵路[5]。

關于鹽漬土溶陷問題，國外學者Kazi[6]、Li[7]、Stipho[8]、Dhowian等[9]先后針對中東地區(qū)(特別是沙特阿拉伯地區(qū))的含鹽砂土和黏土的物理力學性質(zhì)以及含鹽土與水的關系進行了大量的試驗探究；Nixon和Lem[10]研究了凍土地區(qū)的鹽漬土溶陷變形和蠕變特性。國內(nèi)學者程東幸等[11]通過現(xiàn)場浸水溶陷試驗，發(fā)現(xiàn)含鹽量和含水量會影響溶陷特性，粗顆粒的含量、密實度及滲透系數(shù)也是影響溶陷性的重要因素；馮忠居等[12-17]通過室內(nèi)溶陷試驗發(fā)現(xiàn)鹽漬土溶陷與初始含水量，含鹽量，干密度，外加荷載，浸水時間，顆粒大小等有關，且受地域的影響較大，即不同地區(qū)的鹽漬土的工程特性不盡相同；楊曉華等[18]對鹽漬土地基的溶陷性進行了離心模擬試驗，試驗模擬了在最佳含水量的情況下，向天然鹽漬土中人為加入氯鹽，研究其溶陷變形在不同含鹽量情況下的變化。但是，在多因素影響下對鹽漬土溶陷變形的客觀經(jīng)驗性判定公式以及影響溶陷變形的因素敏感性方面研究相對較少。

本文針對蘭新鐵路第二雙線路基鹽漬土，使用基于普通固結儀工作原理基礎上改進的測試儀器，在單因素溶陷試驗結果的基礎上，采用正交設計方法進行多因素溶陷試驗，建立發(fā)生病害地段鹽漬土的溶陷變形預測模型，并探究影響此地區(qū)鹽漬土地基溶陷的敏感參數(shù)。

2 試驗概況

2.1 試樣基本性質(zhì)及土樣制備

圖1 試驗用土粒徑級配曲線

試驗用土的易溶鹽含量見表1，病害發(fā)生處的鹽漬土屬于強氯鹽漬土，且氯鹽極易溶于水，有很強的吸濕性，是造成鹽漬土溶陷變形的主要易溶鹽成分。但由于取樣樣本的針對性較強，無法準確判斷該地區(qū)鹽漬土的鹽漬化程度。為了擴大研究的應用范圍，本文采用室內(nèi)配置鹽漬土的方式研究NaCl含量對溶陷特性的影響規(guī)律。

表1 天然鹽漬土試樣中易溶鹽各離子含量

制備土樣：依據(jù)設計的初始含水率、壓實度、含鹽量進行配置烘干后的土；置于土樣制樣器中，制成高度為40 mm，直徑為61.8 mm的圓柱試樣；隨后將制備好的試樣放置在保濕器中，靜置48 h以上，每隔12 h翻轉一次，保證試樣中水分均勻，同時也為鹽漬土的結晶鹽產(chǎn)生膠結作用提供必要的時間。配置不同含鹽量的鹽漬土的具體步驟如下：

(1)洗土，用蒸餾水對試驗用土反復淋洗和濾除，測試洗土完畢之后的土體電阻率，電阻率極大，說明土中易溶鹽離子基本洗凈；

(2)過篩，將上述洗土、風干后的土樣進行過5 mm篩(過大的顆粒對溶陷變形影響很小)；

(3)NaCl處理，將純NaCl顆粒進行再研磨；

(4)按照試驗方案，進行土樣配置(土樣與NaCl充分混合，靜置7 d)。

2.2 溶陷試驗儀器

鹽漬土在豎向荷載下，可溶解鹽溶解，土體承載力降低，產(chǎn)生較大的溶陷變形。側限壓縮試驗(固結試驗)通常在普通固結儀完成。然而，普通固結儀通常采用20 mm高的環(huán)刀樣。試樣高度限制溶陷變形的范圍，為增加研究較大的溶陷變形，需要加高試樣高度。此外，固結試驗通常為土樣排氣排水，而針對鹽漬土浸水為相反的過程，所以有必要對補水測量裝置進行一定改進。

本研究基于普通固結儀原理針對上面兩點不足進行修正設計(圖2，圖3)。保證試驗能準確反映鹽漬土壓縮特性以及溶陷特性的基礎上，滿足結構簡單，可靠性高的要求。綜上，本裝置需要6個重要的部分：(1)足夠高的土樣盛放裝置同時保證剛度非常高；(2)盛放土樣裝置下方應當帶有透水的底座，雙向保持通暢；(3)進水裝置；(4)豎向加載裝置；(5)保留空間，安裝電子數(shù)據(jù)采集裝置；(6)配套人工度數(shù)裝置，與電子自動采集裝置相互驗證。

圖2 溶陷測試儀器結構示意

圖3 溶陷測試儀器實物

3 單因素試驗方案及結果分析

3.1 單因素試驗方案

本試驗是運用正交回歸的分析方法，預測鹽漬土在3個因素(軸向壓力p、含鹽量s、壓實度k)的影響下的溶陷性的簡化模型。通常用溶陷系數(shù)來評價鹽漬土的溶陷性，溶陷系數(shù)越大，鹽漬土的溶陷性越大，溶陷系數(shù)的具體計算表達式為

式中δ——溶陷系數(shù)；

hP——浸水前，土樣加至最后一級壓力，下沉穩(wěn)定后的高度，mm；

h0——試樣的初始高度，mm。

為了確定正交試驗中各因素中的具體水平參數(shù)，需要對鹽漬土在單因素作用下的溶陷系數(shù)進行分析，因此設計的單因素的試驗方案如下：(1)土樣的壓實度k設定為0.89，軸向壓力F設定為150 kPa，研究鹽漬土含鹽量s分別為0%，2%，4%，6%，8%的情況下，溶陷系數(shù)的變化情況；(2)僅變化壓實度k(0.85，0.87，0.89，0.91，0.93)，觀察土樣溶陷系數(shù)在含鹽量s為6%，軸向壓力p為150 kPa時的變化情況；(3)研究軸向壓力p(50，100，150，200，250 kPa)對溶陷系數(shù)影響，土樣含鹽量s設定為6%，壓實度k設定為0.89。

3.2 試驗結果分析

根據(jù)3.1中所設定的試驗方案進行試驗，分別得到鹽漬土溶陷系數(shù)與壓實度、含鹽量、軸向壓力的關系曲線，如圖4～圖6所示。

圖4 溶陷系數(shù)-壓實度關系曲線

圖5 溶陷系數(shù)-含鹽量關系曲線

由圖4可知，鹽漬土溶陷系數(shù)隨壓實度的增加而減小。壓實度越小，試樣的孔隙比越大，孔隙數(shù)量越多，試樣內(nèi)部可形成多條連續(xù)的孔隙通道，浸水后，孔隙通道塌陷，試樣產(chǎn)生的變形越明顯。

由圖5可知，鹽漬土溶陷系數(shù)是隨含鹽量的增加而增加。土顆粒與結晶鹽構成了土體的骨架，而浸水過程基本上破壞了試樣中土顆粒與易溶鹽晶體的膠結作用，使試樣內(nèi)部原來占據(jù)結晶鹽的位置都變?yōu)榭紫叮趬毫Φ淖饔孟?，土粒重新排列，并被壓縮。含鹽量越大，被水分破壞的膠結點數(shù)量越多，試樣中形成的孔隙也就越多，試樣的溶陷變形也更為顯著。

圖6 溶陷系數(shù)-軸向壓力關系曲線

由圖6可知，鹽漬土溶陷系數(shù)是隨軸向壓力的增加而增加。軸向壓力的作用，使得土顆粒在水分的潤滑下更易于滑落和重新排列，密實度提高。軸向壓力越大，這種作用愈加明顯，但隨著壓力的不斷增大，試樣內(nèi)的孔隙也在不斷減小，土顆粒滑落的阻礙增大，使得溶陷系數(shù)的增幅逐漸減小。

通過上述3個單因素試驗可以看出，在含鹽量，壓實度，軸向壓力的影響下，溶陷系數(shù)呈良好的線性變化。這樣的試驗結果有利于溶陷系數(shù)的正交回歸分析中參數(shù)的選擇。

4 鹽漬土溶陷變形預測模型

4.1 正交試驗設計與結果

為了給鹽漬土地區(qū)溶陷性提供參考，根據(jù)單因素試驗結果，設計正交回歸試驗[19-20]，由于下星號臂值低于下水平，所以下水平選定含鹽量為2%，三個因素的水平選擇見表2。

表2 試驗因素水平

4.2 溶陷變形預測模型

根據(jù)正交回歸原理得出溶陷系數(shù)的二次正交回歸設計計算(表3)。

表3 二次正交回歸試驗設計

Y=0.057+0.029x1-0.045x2+0.022x3-

(1)

根據(jù)正交試驗的設計原理可知，式(1)中各因素之間存在正交性，所以單純刪除其中的某項并不會影響其他因素系數(shù)的變化。將不顯著因素的偏回歸平方和歸入到殘差平方和之中，對簡化之后的方程再進行一次方差分析得表5。

表4 試驗方差分析I

表5 試驗方差分析Ⅱ

簡化之后的方程為

Y=0.057+0.029x1-0.045x2+0.022x3-

0.023x1x2-0.017x2x3

取顯著性水平α=0.05，F(xiàn)0.05(5，9)=3.48，F(xiàn)0.05(1，9)=5.12。表5分析結果F0.05(5，9)=3.48< 19.06可知，回歸方程達到顯著性水平，方程有意義。但是，在此回歸式中壓實度與含鹽量的交互作用x2x3所得回歸系數(shù)的顯著性水平小于F0.05(1，9)=5.12，回歸系數(shù)未達到顯著性水平。因此，將x2x3項的偏回歸平方和歸入到殘差平方和中，重新對所得的方程進行一次方差分析得表6，得到新的回歸方程：

Y=0.057+0.029x1-0.045x2+0.022x3-0.023x1x2

R2=0.867

(2)

取顯著性水平α=0.05，F(xiàn)0.05(4，10)=3.48，F(xiàn)0.05(1，10)=4.96。由分析F0.05(4，10)=3.48<13.70回歸方程達到顯著性水平，方程具有意義，x1，x2，x3，x1x2的回歸系數(shù)均大于F0.05(1，10)=4.96，則這4個因素均達到顯著性水平。

表6 試驗方差分析Ⅲ

構造新的F值統(tǒng)計量，即

式中，R1與R2分別為式(1)與式(2)的復相關系數(shù)；k1與k2分別為式(1)與式(2)的自變量個數(shù)；F值服從k1-k2和n-k1-1個自由度的F分布。計算可得F=5.045

Y1=0.125 2+0.180 3z1-0.167z2+

0.000 176z3-0.192z1z2

式中，Y1表示鹽漬土實際溶陷系數(shù)；z1表示因素實際含鹽量；z2表示因素實際壓實度；z3表示因素實際所受軸向壓力；z1z2表示實際含鹽量與壓實度的交互作用。

4.3 鹽漬土的溶陷性敏感因素分析

運用SPSS分析軟件，采用逐步回歸方法對所剩4個顯著性因素進行分析，構建顯著性模型，具體見表7。

表7 模型匯總

注：模型1預測變量為常量、壓實度；模型2預測變量為常量、壓實度， 軸向壓力；模型3預測變量為常量、壓實度、軸向壓力，含鹽量；模型4預測變量為常量、壓實度、軸向壓力、含鹽量、含鹽量與壓實度的交互作用。

R2為決定系數(shù)，所表示的是所預測的溶陷系數(shù)模型能夠解釋因變量所占比重。由表7可知，模型1是由常數(shù)項與壓實度所構建的模型，R2=0.463，調(diào)整之后的R2=0.422，可知壓實度是影響鹽漬土溶陷系數(shù)的最主要因素。由R2更改量可知，影響鹽漬土溶陷系數(shù)的敏感性因素由高到低依次為：壓實度、軸向壓力、含鹽量以及軸向壓力與壓實度的相互作用，影響所占比重分別為0.463，0.172，0.140，0.092。軸向壓力與壓實度的相互作用在這里出現(xiàn)的原因是軸向壓力對測試土的壓實度產(chǎn)生了影響，從而影響到了鹽漬土溶陷情況。

4.4 對比分析

為了驗證此模型在鹽漬土地區(qū)的實用性，將文獻[21]的羅布泊強氯鹽漬土中的數(shù)據(jù)提取并代入公式中進行驗證。

首先采用氯鹽漬土的含鹽量，壓實度為定值，溶陷系數(shù)隨軸向壓力變化而變化。本試驗鹽漬土的含水率為8%，文獻[21]中鹽漬土含水率為13%。由于含水率的不同，在試驗的初始階段以結晶體的形式存在的易溶鹽晶體的溶解的量不同，對土體結構破壞情況也不同，所以造成的初始溶解系數(shù)不同，且張洪萍等[13-14]研究表明初始含水量較小時，溶陷系數(shù)更大。因此，在對比分析過程中將2組數(shù)據(jù)初始溶陷系數(shù)設定為相同值，即將預測模型所得直線截距降低，向下平移，再進行對比。根據(jù)圖7的觀察可以發(fā)現(xiàn)，預測模型中溶陷速率變化與文獻[21]的試驗數(shù)據(jù)所得溶陷速率較為相似，且預測模型所得結果與參考的試驗數(shù)據(jù)也相差不大，可為工程實踐提供參考。

圖7 數(shù)據(jù)對比

5 結論

基于普通固結儀原理，優(yōu)化設計一種新的測試儀器，能更充分、直觀地測試鹽漬土試樣溶陷變形；以蘭新鐵路第二雙線出現(xiàn)的鹽漬土溶陷病害為背景，運用SPSS分析軟件，采用正交回歸設計原理，得出了在多因素交互作用下的鹽漬土溶陷變形規(guī)律及鹽漬土地基溶陷變形公式，分析了高速鐵路鹽漬土地基溶陷變形控制的敏感因素。所得結論如下。

(1)試驗所得公式具有較高的計算精度，不僅為長期宏觀預測蘭新鐵路第二雙線鹽漬土地基溶陷變形發(fā)展規(guī)律提供了便利，且對其他高速鐵路鹽漬土地基工程具有一定參考價值。

(2)針對壓實度、軸向壓力與含鹽量進行回歸分析得到預測模型，并分析這三個因素的敏感性。試驗結果表明影響鹽漬土的溶陷系數(shù)的敏感性因素由高到低依次為壓實度、軸向壓力、含鹽量以及軸向壓力與壓實度的相互作用。

(3)試驗結果所得溶陷變形預測模型是基于氯鹽的高速鐵路鹽漬土地基，對于鹽漬土地區(qū)高速鐵路地基施工方案的設計、病害的預防及處治等均具有參考意義。