胡爭(zhēng)，陳克政，黃帥，柳艷杰，叢宇婷，丁琳,*

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；2.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；3.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引言

鹽漬土是鹽土和堿土及各種鹽化、堿化土的總稱，我國(guó)公路領(lǐng)域中對(duì)鹽漬土的定義為：巖土中易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹和腐蝕等工程特性的土[1]。在鹽漬土地區(qū)工程建設(shè)過(guò)程中遇到的問(wèn)題引發(fā)人們關(guān)注[2]。王燕儒[3]研究指出，鹽漬土給公路工程造成的危害主要有：路基溶陷與潛蝕、路基次生鹽漬化、路面翻漿、路面變形、瀝青面層起皮、網(wǎng)裂以及脫落等；蔡云波[4]研究指出，在公路工程中，鹽漬土的存在易導(dǎo)致路基出現(xiàn)軟土病害，從而造成路面出現(xiàn)鹽脹、翻漿和溶陷現(xiàn)象；賀廣明[5]研究提出，鹽漬土鹽脹是鹽漬土地區(qū)道路主要病害之一，其對(duì)道路的破壞形式主要表現(xiàn)為：路肩及邊坡松散剝蝕,路面產(chǎn)生不均勻變形,形成波浪、鼓包,使得路面的平整度嚴(yán)重下降。此外，劉端鋒等[6]提到漬土的巖土工程問(wèn)題必須因地制宜處理。另外，對(duì)于一些土壤鹽漬化熱點(diǎn)地區(qū)，東北松嫩平原鹽漬化的發(fā)生受到重視[7]。我國(guó)十四五期間推動(dòng)實(shí)現(xiàn)東北地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施振興，為避免在建設(shè)過(guò)程中工程受到鹽漬土問(wèn)題的影響，因此，東北地區(qū)的鹽漬土問(wèn)題成為巖土研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

在研究重塑鹽漬土的物理性能過(guò)程中，往往需要對(duì)鹽漬土進(jìn)行一定的處理以改變鹽漬土中易溶鹽含量，常見(jiàn)的重塑鹽漬土制分為2種方法，即洗鹽法和摻鹽法。

洗鹽法是利用去離子水反復(fù)浸泡使得土中鹽分溶于去離子水中并隨水分排出。例如，朱杰[8]通過(guò)向其所取土樣中加入蒸餾水，進(jìn)行洗鹽處理，以得到非鹽漬土；又如，Sastre-Conde等[9]用2%的CaCl2清洗鹽漬土。

摻鹽法是取得非鹽漬土土樣進(jìn)行摻鹽處理，以控制土中含鹽量。例如，周琦等[10]以非鹽漬土作為原料土，稱取一定質(zhì)量的粗鹽溶于水中，拌和均勻以制備出人工鹽漬土。LV等[11]在平原土壤中加入無(wú)水硫酸鈉以得到不同含量的鹽漬土。

使用摻鹽法開(kāi)展重塑鹽漬土研究其代表性較差，不能反映研究區(qū)鹽漬土真實(shí)情況。而對(duì)于洗鹽法，由于洗鹽過(guò)程中土樣往往會(huì)發(fā)生一系列的物理化學(xué)性能變化，同樣不能代表研究區(qū)鹽漬土真實(shí)性能。文桃[12]將硫酸鈉溶于水后拌入干土中以得到仿制天然黃土狀硫酸鹽漬土，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黃土狀硫酸鹽漬土的擊實(shí)性能會(huì)受到含鹽量的影響。

為了還原某研究區(qū)鹽漬土真實(shí)性能，開(kāi)展鹽漬土洗鹽前后物理性能變化試驗(yàn)研究，量化洗鹽對(duì)鹽漬土工程性能的影響顯得十分重要。本文開(kāi)展大慶鹽漬土洗鹽前后物理力學(xué)性能相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試，綜合分析洗鹽對(duì)其力學(xué)性能的影響，為重塑鹽漬土試樣配置以及建設(shè)工程實(shí)踐提供理論參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

氣候條件是影響土壤鹽漬化的重要因素之一，試驗(yàn)土取自黑龍江省大慶市杜爾伯特地區(qū)，杜爾伯特蒙古族自治縣地處松嫩平原，位于溫帶半濕潤(rùn)氣候向溫帶半干旱氣候過(guò)渡帶，屬中溫帶大陸性氣候，年降水量350～550 mm，年蒸發(fā)量1 100～1 850 mm，蒸發(fā)量是降水量的3～4倍，在強(qiáng)烈蒸發(fā)作用下，低洼處潛水中的鹽分不斷地運(yùn)積地表，形成土壤鹽漬化。近20 a來(lái)氣溫逐年升高，平均升高了2～3 ℃。蒸發(fā)量增大，加速了土壤的鹽漬化進(jìn)程，而降水量有減少趨勢(shì)，造成一部分濕地退化成鹽堿地[13]。

松嫩平原在侏羅紀(jì)晚期至白堊紀(jì)初期形成，中生代的斷裂構(gòu)造促進(jìn)了松嫩平原的發(fā)育，使松嫩平原的規(guī)模不斷擴(kuò)大，又受到四周斷裂帶的活動(dòng)影響，使得地形長(zhǎng)期進(jìn)行升降活動(dòng)。之后地質(zhì)構(gòu)造以沉降為主，沉積物包含大量的可溶鹽和石灰[14]。

大慶地處深季節(jié)凍土區(qū)，位于松嫩平原北部，小興安嶺東部，大興安嶺南部，該區(qū)域廣泛分布著碳酸鹽漬土[15]。根據(jù)前期對(duì)該區(qū)域的勘察結(jié)果，最終選定大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣鹽漬化特別嚴(yán)重的鹽漬土作為研究對(duì)象。取回所需土樣后，按照本次試驗(yàn)要求，將土樣進(jìn)行6等分。

2 洗鹽前后試驗(yàn)方法及其結(jié)果

2.1 洗鹽方法

將前期所取土樣放入土樣桶內(nèi)，加入適量的去離子水，攪勻，靜置24 h后，若水依然渾濁，須繼續(xù)靜置24 h，直到其澄清，然后再用橡皮膠管吸取過(guò)濾掉上層清水，待其完全抽出，再向土樣桶內(nèi)加入相應(yīng)質(zhì)量去離子水，將上述步驟重復(fù)7 d[16]。

2.2 洗鹽前后含鹽量測(cè)定

含鹽量測(cè)定方法：本次試驗(yàn)采用烘干法。操作步驟：將風(fēng)干土樣過(guò)2 mm的土工篩，稱取土樣，加入蒸餾水進(jìn)行溶水，然后將瓶口塞緊，震蕩3 min后抽氣過(guò)濾，得到土壤提取液，再立即密封進(jìn)行土壤可溶性全鹽的測(cè)定。此次試驗(yàn)測(cè)試方法為烘干殘?jiān)?質(zhì)量法，吸取出一定量的土壤浸提液，將其烘干之后稱重，求得鹽的含量，并重復(fù)測(cè)定2次，將3次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平均[17]。

含鹽量計(jì)算公式為：

(1)

式中：S為易溶鹽總量，g；m1為蒸發(fā)皿和烘干殘?jiān)傎|(zhì)量，g；m2為蒸發(fā)皿質(zhì)量，g；Vw為制取浸出液所加純水量，mL；V1為吸取浸出液量，mL；md為烘干土質(zhì)量，g；m為風(fēng)干土質(zhì)量，g；w為風(fēng)干含水率，%。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，所取試驗(yàn)土的洗鹽前含鹽量1.12%，洗鹽后0.082%。

2.3 洗鹽前后鹽漬土粒度組成與比表面積

土的粒度成分指的是土粒的大小及其組成，通常用顆粒分析方法對(duì)其粒度成分進(jìn)行了分析[12]。有效粒徑(D10)是指粒徑分布曲線上小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的10%的粒徑；限制粒徑(D60)是指粒徑分布曲線上小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的60%的粒徑；不均勻系數(shù)是指反映土顆粒粒徑分布均勻性的系數(shù)，定義為限制粒徑(D60)和有效粒徑(D10)比值[18]。此次試驗(yàn)儀器為激光粒度分析儀(型號(hào)為MASTERSIZER 3000)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 洗鹽前后粒度組成對(duì)比圖

由圖1顆粒分析結(jié)果可知，大慶杜爾伯特地區(qū)洗鹽前鹽漬土的大粒徑土顆粒含量高于洗鹽后的大粒徑土顆粒含量，同時(shí)相較于洗鹽前，洗鹽后小粒徑土顆粒含量增加。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)洗鹽前后各粒組含量占比，得到表1。

表1 洗鹽前后各粒組含量

從表1可以看出，洗鹽后土樣的比表面積低于洗鹽前的比表面積，各粒組百分含量也有一定的變化，且土體性質(zhì)發(fā)生改變，由粉質(zhì)黏土變?yōu)榉弁痢?/p>

2.4 洗鹽前后液塑限試驗(yàn)

本次試驗(yàn)所采取的試驗(yàn)方法是液、塑限聯(lián)合測(cè)定法。

試驗(yàn)步驟：取烘干土樣過(guò)0.5 mm篩，稱取篩下土,分為3份，對(duì)各土樣依次加入適量蒸餾水，分別測(cè)定塑限、液限；然后，將加水土樣攪拌均勻密封放置24 h，采用烘干法測(cè)量其含水量。液塑限聯(lián)合測(cè)定取點(diǎn)為3點(diǎn)[19]。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，洗鹽前2 mm處塑限為15.6%，17 mm處液限為30.1%，洗鹽后2 mm處塑限為11.3%,17 mm處液限為20.2%。洗鹽后的液、塑限較洗鹽前都有不同程度的降低。

圖2 洗鹽前后液、塑限值

2.5 洗鹽前后擊實(shí)試驗(yàn)

最大干密度ρdmax是擊實(shí)曲線上峰值的一點(diǎn)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的土體含水量為最優(yōu)含水率ωopt，此物理量表示在一定的擊實(shí)荷載下，土達(dá)到最大干密度時(shí)的含水量。

試驗(yàn)步驟：此次試驗(yàn)采用輕型擊實(shí)儀，在擊實(shí)筒內(nèi)涂一薄層凡士林，然后將擊實(shí)筒放在堅(jiān)實(shí)水平地面上，裝好護(hù)筒，對(duì)試驗(yàn)土分3層擊實(shí)。如圖3所示。

由圖3可知，洗鹽后土體最大干密度增大，最優(yōu)含水率減小，擊實(shí)曲線向左上方移動(dòng)。

圖3 洗鹽前后擊實(shí)曲線

2.6 洗鹽前后三軸試驗(yàn)

土體的抗剪強(qiáng)度是代表土體的一項(xiàng)重要力學(xué)性質(zhì)，體現(xiàn)土體性質(zhì)與特征，而土體的抗剪強(qiáng)度取決于土的內(nèi)聚力c與內(nèi)摩擦角φ[20-21]。因此，通常用這2個(gè)值來(lái)研究鹽漬土強(qiáng)度參數(shù)變化。

本次試驗(yàn)采用的是高級(jí)凍土動(dòng)靜態(tài)三軸測(cè)試系統(tǒng)(型號(hào)為DYNTTS)將土樣制作成標(biāo)準(zhǔn)三軸試樣(試樣高度為80 mm，直徑為39.1 mm)。采用不固結(jié)不排水剪切(UU)試驗(yàn)，對(duì)洗鹽前后2組土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，對(duì)洗鹽前后土樣在不同圍壓下抗剪強(qiáng)度的變化進(jìn)行對(duì)比分析，三軸試驗(yàn)圍壓分別為100、200、300 kPa；剪切速率為0.08 mm/s，三軸試驗(yàn)結(jié)束條件為應(yīng)變達(dá)到20%。測(cè)定洗鹽前后土樣試驗(yàn)結(jié)果如圖4—圖5所示。

圖4 洗鹽前試樣三軸試驗(yàn)曲線

圖5 洗鹽后試樣三軸試驗(yàn)曲線

由圖4和圖5可知，在三軸試驗(yàn)中，應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)，應(yīng)力也隨著增加，其中，圍壓為100、200、300 kPa時(shí)，曲線一直增加且無(wú)峰值，應(yīng)變曲線呈硬化型。將15%的軸向應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力取做破壞點(diǎn)，隨圍壓增大，表現(xiàn)出明顯的壓硬性，即土樣的變形模型或剛度隨圍壓的增大而增大，測(cè)出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 洗鹽前、洗鹽后試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

從表2可得知，洗鹽后的土體黏聚力低于洗鹽前土樣，內(nèi)摩擦角高于洗鹽前土樣。

3 討論

(1)經(jīng)過(guò)洗鹽處理，土樣中的含鹽量會(huì)降低，同時(shí)，土樣中的大粒徑土顆粒含量減小，小粒徑土顆粒含量增加，這說(shuō)明，洗鹽作用使得大粒徑的土顆粒分離為小粒徑的土顆粒，這就使得原狀土的級(jí)配屬性發(fā)生了改變。并且，在洗鹽之后，土樣比表面積降低，這就會(huì)造成土顆粒之間的接觸面積減小，導(dǎo)致土體的黏聚力減小，而洗鹽之后的黏粒所占比例增加了，這就使得土顆粒之間的空隙變小，導(dǎo)致土體的內(nèi)摩擦角增大。

(2)通過(guò)液塑限試驗(yàn)可以看到，在洗鹽之后，土樣的液、塑限均有不同程度的降低，吸附結(jié)合水的能力是土的黏性大小的標(biāo)志，同時(shí)，弱結(jié)合水是使土有可塑性的原因。塑限是判別強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水的分界線，土樣含水率達(dá)到液限值，土樣則由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)(流態(tài))，土樣中留存的自由水可起到潤(rùn)滑作用。塑性指數(shù)的降低表現(xiàn)為土體黏稠度的降低，這也造成土體的黏聚力降低，且防水性能也有所降低。所以，在擊實(shí)作用下，隨著含水率的增大，土樣更容易擊實(shí)，因此，擊實(shí)曲線才會(huì)向左上方移動(dòng)。

(3)鹽顆粒在密實(shí)與松散的土骨架結(jié)構(gòu)中的存在形式有密實(shí)結(jié)構(gòu)和松散結(jié)構(gòu)[22-24]。根據(jù)三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到：由于洗鹽作用，土體性質(zhì)發(fā)生變化，土樣從粉質(zhì)黏土轉(zhuǎn)變?yōu)榉弁?，這使得土體的黏聚力減小，內(nèi)摩擦角增大。

4 結(jié)論

(1)東北地區(qū)碳酸鹽漬土中的含鹽量較高，在經(jīng)過(guò)洗鹽試驗(yàn)之后，鹽漬土含鹽量減小，由鹽漬土變?yōu)榉躯}漬土。

(2)土體的大粒徑土顆粒含量減小，小粒徑土顆粒含量增加，顆粒百分含量小于0.005 mm的變化尤為明顯，增加了約5%，且洗鹽后土樣的比表面積降低，降低約8%，洗鹽造成土樣的液塑限也有所降低，其中，液限降低最為明顯，由30.1%降為20.2%。最大干密度增加了0.075g/cm3，最優(yōu)含水率降低了1.96%，土體級(jí)配屬性發(fā)生改變，土體性質(zhì)發(fā)生改變，由粉質(zhì)黏土變?yōu)榉弁痢?/p>

(3)同時(shí)，由于洗鹽造成的土體中比表面積降低，黏粒所占比例增加，使得洗鹽后的土體黏聚力降低，但內(nèi)摩擦角增大。通過(guò)三軸試驗(yàn)可以知道，洗鹽后黏聚力損失近40%，內(nèi)摩擦角增加約28%。而在工程實(shí)踐當(dāng)中，對(duì)于經(jīng)過(guò)洗鹽處理后的鹽漬土，往往高估了鹽漬土的黏聚力，同時(shí)，也低估了內(nèi)摩擦角的增大。所以，在今后的工程實(shí)踐中，應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎考慮鹽漬土黏聚力及其內(nèi)摩擦角的變化情況。

(4)另外，本次研究只是洗鹽之后所做的物理特性的初步研究成果，對(duì)于鹽漬土洗鹽前后的微觀指標(biāo)以及其他物理力學(xué)特性還需要做進(jìn)一步的深入研究。