付黎明，張淑朝

（天津城建大學(xué)a.土木工程學(xué)院；b.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津300384）

我國沿海地區(qū)廣泛分布有多種類型的鹽漬土，鹽漬土具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性[1-3].鹽漬土地區(qū)的鐵路路基由于其特殊的巖土特性或施工處理不當(dāng)，容易發(fā)生鹽漬化，使路基土產(chǎn)生多種病害，嚴(yán)重影響其穩(wěn)定性和耐久性[4-5].同時，鹽漬土層中毛細水的上升可直接造成上覆土層吸水軟化及次生鹽漬化，更促使路基病害加劇. 因此，在鹽漬土地區(qū)進行路基施工時，非常有必要查明土中毛細水上升的高度及影響毛細水上升的諸多因素，為鹽漬土地區(qū)路基工程設(shè)計施工提供依據(jù).

近年來，諸多學(xué)者從各種角度探討了毛細水上升問題及其上升規(guī)律[6-8].張平通過對不同顆粒級配毛細水上升試驗分析，研究了顆粒級配和土的構(gòu)造對毛細水上升的影響[9]；何克瑾通過Green-Ampt 模型，進行了室內(nèi)土柱模擬試驗，研究了均質(zhì)土壤毛管水上升特性[10]；康世飛通過室內(nèi)試驗，改變硫酸鹽漬土中的砂含量、黏土粒含量、水濃度等因素，研究了硫酸鹽漬土中的毛細水上升高度規(guī)律[11]；王興照通過改變土壤中的表面活性劑含量與類別，研究了表面活性劑對毛細水上升特性的影響[12].

鹽漬土地區(qū)鐵路路基工程一般為填方施工，鹽漬土地基需經(jīng)過一定的隔水或夯實甚至改性處理，即便如此，鹽漬土路基中季節(jié)性含鹽量變化、填方高度變化、改性施工材料等不同，均會影響鹽漬土路基工程穩(wěn)定性甚至仍會發(fā)生次生病害.本文以黃大鐵路鹽漬土路基實際工程為背景，現(xiàn)場取土，基于毛細管水上升高度試驗，通過觀測毛細水上升高度和速度，探討了鹽漬土中毛細水上升影響因素及其變化規(guī)律.該研究成果對鹽漬土路基設(shè)計施工具有一定的參考價值.

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗儀器

為了探討鹽漬土路基在不同含鹽量、不同路基填方高度以及不同改性材料下的毛細水上升特性，由于現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)毛細管試驗儀口徑較小，不能較好地模擬實際工程中影響毛細水上升的諸多因素，故本試驗自制了毛細管試驗儀，主要由較粗口徑的有機玻璃管及其試驗支架組成，見圖1. 有機玻璃管內(nèi)徑為70 mm，壁厚5 mm，高度為120 cm，玻璃管外側(cè)標(biāo)有刻度；試驗支架由鋼管制成.有機玻璃管懸掛于支架上，保持垂直，試驗時將土樣裝于管內(nèi)，試驗管放在水槽中.試驗期間水槽水位始終一致.該自制毛細管試驗儀能模擬實際工況條件，且易于試驗控制與操作.

圖1 毛細水管上升試驗儀

1.2 試樣制備

試驗土樣取自渤海灣近岸鹽漬土，深度1～2 m.試驗前對土樣進行自然風(fēng)干，進行標(biāo)準(zhǔn)擊實實驗，測定其最優(yōu)含水率和最大干密度分別為21.4%、1.72 g/cm3，土樣的顆粒級配曲線如圖2 所示，以此參數(shù)制備試驗土樣.

為研究不同影響因素下鹽漬土中毛細水上升特性，本試驗制備了4 組不同試驗土樣. 第1 組配制3種不同含鹽量的氯鹽鹽漬土；第2 組制備了同一含鹽量的鹽漬土，以備進行不同上覆荷載下毛細水上升高度試驗；第3 組制備了5 種不同改性材料的鹽漬土；第4 組是在鹽漬土中上覆設(shè)置25 cm 的級配碎石層.

1.3 試驗方法與觀測

考慮毛細水上升不同的影響因素，參照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》[13]試驗方法分別進行試驗. 查閱相關(guān)資料，由于鹽漬土毛細水上升高度在24 h 內(nèi)變化相對較大，其后變化平穩(wěn)，基于此，本試驗觀測時間設(shè)定為24 h.

圖2 土顆粒級配曲線

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同含鹽量下鹽漬土毛細水上升特征

表1 為不同含鹽量下鹽漬土毛細水上升高度.圖3 為不同含鹽量時毛細水上升高度與時間的關(guān)系曲線.

表1 不同含鹽量下鹽漬土毛細水上升高度

圖3 毛細水隨時間上升高度變化曲線

由圖3 可知，鹽漬土毛細水上升趨勢基本與天然土樣類似，毛細水上升的最終高度低于天然土.同時發(fā)現(xiàn)，鹽漬土中的含鹽量越高，毛細水上升高度越低.前2 h 內(nèi)上升速度很快，2～20 h 階段上升呈線性變化，持續(xù)上升，20 h 后上升速度明顯減緩，最終上升速度趨于平穩(wěn).

2.2 不同上覆荷載下毛細水上升高度特征

本工程鹽漬土鐵路路基為填方工程，為了更好地模擬填筑高度的影響，筆者進行了不同荷載作用下的鹽漬土毛細水上升高度試驗.配制統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的鹽漬土裝入3 個玻璃管中，其上施加不同質(zhì)量的荷載，分別為a 管0 g、b 管926 g、c 管1 852 g. 圖4 為在不同荷載強度下鹽漬土毛細水上升高度與時間的關(guān)系曲線.

圖4 不同荷載下鹽漬土毛細水上升高度與時間關(guān)系

由圖4 可以看出，a 管上升高度最高，b 管其次，c管最低. 這說明不同荷載對鹽漬土毛細上升高度有著直接的影響，上覆荷載越大，鹽漬土的毛細水上升高度越低，在實際工程設(shè)計時，應(yīng)考慮到這一因素的影響.

2.3 不同改性鹽漬土毛細水上升特征

對于鹽漬土路基而言，鹽漬化程度越高，鹽漬土路基的災(zāi)變性越大.為了降低鹽漬土的災(zāi)變性，實際工程中一般對鹽漬土路基進行改性處理.本試驗配制了5 種不同改性材料的鹽漬土，分別為3%的石灰鹽漬土、5%的石灰鹽漬土、7%的石灰鹽漬土、3%的水泥鹽漬土、5%的水泥鹽漬土.表2 為不同改性鹽漬土在24 h 內(nèi)的毛細水上升高度，圖5 為在不同改性鹽漬土的毛細水上升高度特征曲線.

由圖5 可知，無論是石灰還是水泥都能大幅度地改善鹽漬土中毛細水上升趨勢.分析認(rèn)為，水泥和石灰，其水化反應(yīng)會使改性土中的毛細水上升受到抑制，隨著改性劑含量的増加，吸水反應(yīng)的效果隨之增大；相比較而言，水泥改性鹽漬土的作用最好，石灰含量的増加對于抑制毛細水上升的高度作用并不十分明顯.

表2 不同改性鹽漬土毛細水上升高度

圖5 不同改性鹽漬土毛細水上升高度特征曲線

2.4 級配碎石對鹽漬土毛細水上升高度的影響

毛細水上升高度與其土體顆粒級配有很大關(guān)系.為了降低其毛細水上升高度，實際路基工程中一般采用設(shè)置級配碎石墊層隔開其下方鹽漬土地基，在墊層上再進行填方. 本試驗?zāi)M實際工程，在天然鹽漬土上方設(shè)置25 cm 高度的級配碎石墊層.碎石設(shè)置級配根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求進行選取. 設(shè)置順序為10 cm土→25 cm 級配碎石→100 cm 土.表3 為級配碎石鹽漬土與天然鹽漬土在14 d 內(nèi)毛細水上升高度；圖6 為天然鹽漬土與設(shè)置級配碎石鹽漬土毛細水上升特征曲線.

表3 級配碎石鹽漬土與天然鹽漬土毛細水上升高度

圖6 天然鹽漬土與級配碎石鹽漬土毛細水上升特征曲線

由圖6 可知，由于土顆粒與碎石顆粒結(jié)構(gòu)的不同，天然鹽漬土毛細水上升明顯，而級配碎石墊層的設(shè)置很好地抑制了毛細水上升.試驗發(fā)現(xiàn)毛細水在碎石墊層中上升了22 cm，而碎石墊層的厚度為25 cm，毛細水并沒有到達墊層以上. 同時發(fā)現(xiàn)，毛細水在裝有級配碎石的土柱中初期上升速度快，至4 d 以后，上升速度逐漸減小，至11 d 趨于穩(wěn)定.設(shè)置級配碎石的鹽漬土毛細水上升高度和速度明顯低于天然鹽漬土.分析認(rèn)為，直徑較小的土體顆粒之間存在著較強的基質(zhì)吸力，使土體空隙較易吸持水分，基質(zhì)吸力越大，則吸持水分的能力越強；而碎石的粒徑大，碎石靠細集料之間的細小空隙和大粒徑碎石表面對水的“浸潤”來實現(xiàn)對水分的吸持作用，不存在基質(zhì)吸力，因此碎石墊層有很好地抑制毛細水上升的效果.

3 結(jié) 論

（1）氯鹽漬土毛細水上升趨勢基本與天然土類似；其含鹽量越高毛細水上升高度越低.

（2）不同上覆荷載作用下毛細水上升速度不同，上覆荷載越大其上升速度越慢.荷載作用下的鹽漬土毛細水上升高度低于天然土樣. 實際工程中，可以通過增高路基填土高度來抑制毛細上升高度.

（3）通過填加石灰和水泥等改性材料能夠大幅度地改善鹽漬土中毛細水上升情況，其中水泥改性劑的效果對抑制毛細水上升效果明顯.實際工程中，可通過對鹽漬土水泥改性來抑制其鹽漬化程度.

（4）設(shè)置級配碎石墊層能很好地抑制鹽漬土毛細水上升高度.實際工程中可通過設(shè)置一定高度級配碎石墊層的方式來提高路基抗鹽漬化能力.