粗粒土具有压实性能好、透水性能强、抗剪强度高、沉降变形小等优良的工程特性[1]。由于西北地区的自然气候条件和地质因素使得当地土体矿化程度较高,形成了大面积的盐渍化砂土,盐渍土的盐胀和溶陷对路基填筑产生了不可忽视的影响[2]。而综合技术经济因素和生态环保要求,高速铁路或公路等构筑物穿越粗粒盐渍土地区时,使用当地的粗粒盐渍土作为路基填料成了首要选择。因此,进一步开展粗粒盐渍土相关研究十分必要。
粗粒盐渍土的盐冻胀性质受到颗粒级配、含盐性质[3]、温度[4]、含盐量、含水率和上覆荷载[5]等的影响,且影响因素之间存在一定的交互作用[6]。细粒土粒径较小、比表面积大,对水的吸附能力强,会降低土体的冻结温度[7],但随着含水率的增加,粒径对冻结温度的影响逐渐降低[8],同时,冻结温度还受孔隙溶液及孔隙结构的影响,会随着含盐量的增加、孔隙半径的减小而降低[9]。由于粗粒盐渍土的孔隙率较大,与细粒土相比盐冻胀敏感性较弱,但其盐冻胀敏感性会随细粒土掺量的增加而急剧增加,因此常将细粒土含量作为其盐冻胀敏感性的分类指标[10]。细粒土粒度越小、黏粒含量越多,土的强度越大[11-12],破坏孔隙结构所需的结晶应力也将随之增大[13]。盐渍土冻结过程中会产生盐溶冰,强度将大幅提高,且温度越低强度越高[14]。低围压下,冻结粗粒盐渍土的剪切强度会随围压的增加而增大,剪切强度随围压的增大而减小,还会表现出应变硬化的延性行为[15-17]。冻结含盐粉砂的抗剪强度和初始阶段的弹性模量会随着硫酸钠含量的变化而变化[18]。
现有研究和规范中大多表明,粗粒土中细粒土含量越低,其盐冻胀敏感性越低,然而细粒土含量不足却会导致路基基床不易压实[19],同时,也有学者认为含水率对盐冻胀的影响要远大于细粒土含量[20]。为了探究含泥量对砂类硫酸盐渍土盐冻胀的影响以及结晶盐相变带来的力学性质的差异,针对不同细粒土含量的砂类土,在1%和3%(质量分数,下同)含盐量单向冻结盐胀试验的基础上,选取了细粒土含量为5%、15%、30%和40%的砂样进行了常温、低温三轴试验,得到了含泥量对砂类硫酸盐渍土盐冻胀和力学特性的影响规律,结合微观试验结果分析了其影响机制,并根据试验结果为路基填料的选择提供了一些参考建议。
1 试验砂样及基本工程特性
试验用土有砂土和黄土,砂土为西安沣河河沙,其主要矿物为石英和长石;细粒土为西安长安区的天然黄土,主要矿物成分为石英、长石和云母。对砂样进行清洗、烘干和筛分,除去无机盐、腐殖质等杂质后装袋备用,然后依据TB 10001—2016《铁路路基设计规范》中A、B、C这3组填料配土并命名,细粒土含量分别设置为0、1%、3%、5%、10%、15%、30%、40%、50%,依次编号为T-0、T-1、T-3、T-5、T-10、T-15、T-30、T-40、T-50,具体的砂样粒径级配曲线如图1所示。
图1 砂样粒径级配曲线
Figure 1 Grain size grading curve of sand
对不同级配的砂样进行重型击实试验,获取其最佳含水率和最大干密度,试验结果见表1。随着细粒土含量的增大,砂样的最佳含水率先增大,然后持续大幅减小,当细粒土含量大于30%后再次缓慢增大;随着细粒土含量的增大,试验砂样的最大干密度先显著上升而后缓慢降低。
表1 试验砂样压实指标
Table 1 Test sand compaction index
砂样编号最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)T-012.2861.696T-112.5761.703T-313.5841.784T-512.6751.817T-1011.1621.881T-1510.6831.947T-307.1062.103T-408.4442.109T-508.7232.105
2 试验方案设计
2.1 室内盐胀试验
本试验为单向冻结室内盐胀试验。试验采用自制的低温试验箱,箱体侧面和顶面环绕有制冷管,制冷管与低温恒温槽连接,通过管内液体循环实现温度控制,温度可调控范围为35～-30 ℃,自制低温试验箱示意图如图2所示。低温试验箱内安放盛装砂样的无盖圆柱形钢筒,钢筒内径为150 mm,可盛装砂样高250 mm,能有效避免尺寸效应的影响。当钢筒中填土高度达到125 mm时在截面中心埋入温度传感器,通过数据采集仪实时监测砂样内部温度。
图2 自制低温试验箱
Figure 2 Self-made low temperature test chamber
试验选用T-0、T-1、T-3、T-5、T-10、T-15、T-30、T-40、T-50共9组级配砂样,依据GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》选取中盐渍土(0.3%～2.0%含盐量)和强盐渍土(2.0%～5.0%含盐量)含盐范围进行试验,每组级配分别配制含盐量1%和3%两个试样,共18个试样。控制每组砂样的含水率为最佳含水率,闷料后分层压实,其压实度为93%。有研究表明,硫酸盐渍土的主要盐胀温度为13 ℃～-4 ℃[21]。因此将试验的降温梯度设置为25 ℃→20 ℃→15 ℃→10 ℃→5 ℃→0 ℃→-5 ℃→-10 ℃→-15 ℃,降温至每级温度梯度后稳定1 h,温度降至-15 ℃后,恒温保持8 h至变形稳定。
2.2 常温、低温三轴试验
细粒土的掺入会对砂土的土体结构产生影响,此外,盐胀过程中生成的盐晶会对土体强度产生显著的影响。为了探究细粒土含量对砂类硫酸盐渍土力学特性的影响规律,选取了T-5、T-15、T-30和T-40级配砂样开展了常温、低温三轴剪切试验,具体的试验方案如表2所示。为避免尺寸效应影响,试样尺寸选择50 mm(d)×100 mm(h)。参考MT/T 593—2011《人工冻土物理力学性能试验》等规范要求,低温三轴剪切试验的试验温度取-10 ℃,剪切速率取1 mm/min,常温三轴试验的剪切速率取0.012 mm/min。
表2 三轴试验方案
Table 2 Triaxial test scheme
试验类型砂样级配含盐量/%温度围压/kPa常温三轴试验低温三轴试验T-51,3室温100,200,300T-151,3室温100,200,300T-301,3室温100,200,300T-50,1,3-10 ℃300,400,500T-150-10 ℃300,400,500T-300-10 ℃300,400,500T-400-10 ℃300,400,500
试验中首先将烘干后的各粒组按相应的级配混合,按最优含水率配制成试验砂样,然后将配制好的砂样在密封袋中闷料24 h后分3层压制试样。常温三轴试样需采用水头饱和法进行饱和,进行低温三轴试验的试样成样后直接进行快速冻结,然后装入密封袋中在-10 ℃下恒温养护24～48 h后用于试验加载。
3 盐胀特性分析
3.1 温度变化特征分析
根据试验结果绘制不同含盐量砂样冻结过程的温度时程曲线,如图3所示。该单向冻结过程可分为4个阶段：快速降温段、过冷段、稳定段和继续下降段。 ①快速降温段,随着砂样与外界环境的热交换,砂样温度随时间逐渐降低。 ②过冷段,水结冰分为成核和生长两个过程：水过冷时可以形成小冰核,当某个小冰核偶然达到临界尺寸,形成临界冰核;然后临界冰核会自发快速生长致水成冰。冰水相变过程中伴随着潜热的释放,试样温度开始逐步回升。 ③稳定段,冰水相变放热与砂样向环境中散发的热量形成动态平衡,温度维持在恒定状态。 ④继续下降段,当砂样中大部分的自由水结冰后,动态平衡被打破,砂样继续向环境释放热量,温度继续降低。
由图3可知,1%、3%含盐量砂样均存在着过冷段,但3%含盐量砂样的过冷度(过冷温度与冻结温度的差值)较小。这是由于含盐量较高时,前期降温过程中生成了大量结晶盐分布于土颗粒表面,使得土颗粒与冰晶的接触角减小[22]。结合图4可知,试验砂样的冻结温度在-0.7～-0.1 ℃之内,冻结温度的变化总体上较小。这是由于所有砂样计算孔隙溶液浓度均高于硫酸盐溶液0 ℃时的饱和浓度,在0 ℃之上均会由于过饱和而产生盐结晶,冻结时各砂样孔隙溶液浓度接近该温度下的饱和浓度,故本试验中冻结温度受孔隙溶液初始浓度的影响较小。含盐量较高时,快速降温段生成的盐结晶量越多,结晶消耗的水分越多;同时细粒土含量较高时,含水率较低且束缚水含量增多,含水率较低时,砂类土的冻结温度随含水率的降低而降低[8],故3%含盐量砂样的冻结温度变化相对1%的较大,且细粒土含量较高时,冻结温度相对较低。
图3 温度时程曲线
Figure 3 Temperature-time history curve
图4 各级配砂样的冻结温度
Figure 4 Freezing temperature of sand samples at different gradation
据图3可知,含盐量相同时,低细粒土含量(<30%)砂样的稳定段维持时长明显高于高细粒土砂样。该差异与砂样中自由水的含量密切相关：一方面细粒土含量高于30%后砂样的试验含水率大幅降低;另一方面,细粒土较大的比表面积使得细粒土表面束缚水含量较高。细粒土含量相同时,1%含盐量砂样的稳定段维持时长高于3%含盐量砂样。这可能是由于3%含盐量砂样在冻结温度之上消耗了更多的自由水,冰水相变过程中砂样中剩余的自由水含量相对较少。上述差异表明,细粒土含量和含盐量可以通过影响不同阶段土体内部自由水相对含量来改变冻结过程中盐冻胀的占比。
3.2 变形特征分析
图5是不同含盐量的不同级配砂样的盐冻胀率随温度的变化曲线。含盐量为1%时,高细粒土含量(≥30%)砂样的起胀温度为4～9 ℃,而低细粒土含量砂样的起胀温度在0 ℃附近;3%含盐量砂样的起胀温度为20～23 ℃。对于1%含盐量的砂样,降温至较低温度时孔隙溶液浓度才能达到饱和,起胀温度相对3%含盐量砂样较低。此外,由于细粒土填充了粗颗粒之间的孔隙,减少了吸收盐胀变形的空间,使得高细粒土含量砂样起胀温度高于低细粒土含量砂样。
图5 盐胀率随温度的变化曲线
Figure 5 Curve of salt expansion rate with different temperature
根据起胀温度和冻结温度可以将砂样的盐冻胀过程划分为以下4个阶段：略微下陷段、逐步膨胀段、快速膨胀段和变形稳定段。结合图6可知,1%含盐量砂样在细粒土含量较低时,变形以快速膨胀段的盐冻胀为主,冻结温度之上生成的盐结晶被土骨架间的孔隙吸收,未能表现出宏观的盐胀;当细粒土含量大于30%时,大量的细粒土填充了土骨架间的大部分孔隙,使得砂样在前期的冻结过程中表现出了相对显著的盐胀变形。对于3%含盐量的砂样,逐步膨胀段的盐胀变形占了总变形的大部分,一方面是由于含盐量较高,冻结温度之上产生了较多的盐结晶,另一方面是初期盐胀快速发展消耗了过多的自由水,冰水相变过程中剩余的自由水有限;随着细粒土含量的增大,逐步膨胀段变形占比总体上呈增长趋势。
图6 不同级配砂样各阶段变形堆积图
Figure 6 Deformation accumulation diagram of different gradation sand samples at different stage
另外,由图6可知,高细粒土砂样的快速膨胀段变形占比较小,这与此时砂样较低的含水率有显著的关系;细粒土含量较高时,1%含盐量和3%含盐量砂样的总变形率差异较为显著,主要是冻结温度之上的盐胀变形差异大。这是由于较多的细粒土填充了土骨架间大部分孔隙,使得不同含盐量砂样的盐胀差异在宏观上充分表现出来。
如图7所示,随着细粒土含量的增加,不同含盐量砂样的总变形均表现出先增大后减少再增大的趋势,与砂样最优含水率的变化规律基本一致。另外,细粒土含量从0上升至30%时属于B组填料,细粒土含量在30%～50%时属于C组填料。各级配砂样变形率的离散程度较大,1%含盐量时,最大变形率为1.576%,最小变形率为0.292%,前者是后者的5.4倍;3%含盐量时,最大变形率为2.4%,最小变形率为1.0%,前者是后者的2.4倍。结合实际工程填料的选择,选用B组砂类硫酸盐渍土作为路基填料,当含盐量较高时,应当严格控制细粒土的掺量,细粒土的含量不宜超过5%,否则会产生较大的盐冻胀变形;当含盐量较低时,应当避免细粒土含量为5%～20%的级配,同时考虑到粗粒土中细粒含量越低越不易压实,为了获得较好的压实效果,可优先选择细粒土含量在30%附近的级配。含盐量较高地区,应当禁止使用细粒土含量大于30%的级配。本文试验结果仅对工程建设提供一定的参考和建议,实际工程建设中还需结合实际情况深入分析后选用。
图7 总变形率与最佳含水率的关系
Figure 7 Relationship between total deformation rate and optimum moisture content
3.3 微观孔隙结构特征分析
为了解不同级配砂类土的微观孔隙结构特征,选取T-15、T-40和T-50的试样进行了SEM试验,利用扫描电镜获取的图像来计算试样的表观孔隙率。灰度的SEM图像不能直接用于计算,需要利用Adobe Photoshop软件对图像进行预处理：对图像进行增强、除噪和二值化转化为黑白图像;孔隙和土颗粒分别用黑色和白色像素表示。砂样的表观孔隙率通过计算二值图中黑色像素个数与总像素个数之比得到。
利用SEM图像进行表观孔隙率计算时,阈值选择不当可能会带来较大的误差,参考文献[23],根据每个SEM图像特点选取3个阈值(80～100)进行计算,通过Python编程实现表观孔隙率计算,求3个阈值结果的平均值得到最终的表观孔隙率如表3所示。结果表明,随着细粒土含量的增多,土体中粗颗粒间的孔隙被大量填充导致表观孔隙率降低,但当细粒土含量增大到一定范围时,表观孔隙率开始回升。
表3 表观孔隙率计算表
Table 3 Apparent porosity calculation table
试样编号阈值表观孔隙率/%计算值平均值T-15T-40T-5010014.289513.139012.0710012.74958.84907.8910014.179011.27807.7213.169.8211.05
4 力学特性分析
4.1 常温下三轴试验结果分析
图8为不同级配砂样的应力-应变曲线,据图8可知,T-15试样的应力-应变曲线为典型的应变软化型,曲线的发展趋势大致可分为初始线弹性阶段、非线性硬化阶段和软化阶段;T-5和T-30试样的应力-应变曲线为应变硬化型,曲线的发展趋势可大致分为弹性变形阶段、塑性屈服阶段和塑性破坏阶段。
图8 不同级配砂样的应力-应变曲线
Figure 8 Stress-strain curves of sand samples with different gradation
根据图8确定各砂样的破坏应力,然后绘制破坏应力随细粒土含量变化曲线,如图9所示。在不同围压和含盐量条件下,随着细粒土掺量的增多破坏应力均表现出先增大后减小的趋势,细粒土含量15%时,砂样的破坏应力最大,另外,3%含盐量砂样的破坏应力高于1%含盐量的砂样。砂类土的抗剪强度主要依赖于砂粒间的咬合摩擦,当细粒土含量较低时,细粒土通过填充颗粒间的孔隙使得砂颗粒间的咬合嵌固作用更强,砂土的摩擦强度随之增加;当细粒土掺量超过界限值时,大量细粒土分布在粗颗粒之间,起到润滑作用,使得砂样的抗剪强度降低。
随着围压的增大,土颗粒被挤压得更加密实,颗粒之间产生的摩擦力更大。分析数据发现,随着围压的增大,破坏应力近似线性增长。采用线性莫尔-库伦准则求得各砂样的抗剪强度参数,计算结果见表4。由黏聚力和内摩擦角的范围可知,3种级配砂土的抗剪强度主要以颗粒间的摩擦为主,且随着细粒含量的增加,内摩擦角呈先增大后减小的趋势,细粒土含量15%砂样的内摩擦角最大。
图9 各砂样破坏应力随细粒土含量的变化
Figure 9 Failure stress of each sand sample with the increase of fine-grained soil content
表4 砂样的强度参数
Table 4 Strength parameter of soil sample
砂样含盐量/%内摩擦角φ/(°)黏聚力c/kPaT-5T-15T-30126.113.06327.28.57132.65.92335.212.06122.314.84326.58.24
4.2 冻结砂土的力学特性
图10展示了冻结砂土的典型破坏形态。由图10可见冻结砂土呈压剪破坏,根据剪切带的特点可分为以下3种典型破坏形态：①整体剪坏破坏,随着轴向应变的增加,试样逐渐被压缩并出现一定的鼓腰变形,同时伴随着裂纹的发展;轴向应变继续发展,剪切带大量裂纹开始贯通形成轴向贯穿的斜裂缝。②局部剪切破坏,在试样局部出现一条较长的斜裂纹带,随着斜裂纹的贯穿发生破坏。③鼓胀剪切破坏,试样首先会出现鼓胀变形,随着变形的发展,在鼓胀区域形成交错的斜裂纹将试样分割破坏形成许多小区域。
图10 冻结砂土的典型破坏形态
Figure 10 Typical failure pattern of frozen sand
图11为不同围压条件下冻结砂土的应力-应变曲线。与常温条件下的试验结果相比,冻结后砂样的强度有了数量级的增长。这是由于在冻结过程中,随着砂样中盐溶液相变为盐溶冰,土体结构由之前的“土骨架结构”转化为了“土-盐-冰骨架结构”,这种复合骨架结构提高了砂样的整体性,更有利于承受荷载。在本试验围压条件下,冻结后砂样的应力-应变曲线整体上为应变软化型,轴向应力在达到峰值后随着应变的增大快速降低,表现出明显的脆性破坏特征。这是因为土颗粒间的盐溶冰在荷载作用下破碎,随后试样内裂缝快速发展导致土体强度迅速降低。随着围压的增大,冻结砂样的破坏应力随之增大。这是由于当围压增大后,试样变形受到的侧向约束增大,土体中微裂隙的发展受到限制,整体性增强,承受荷载能力得以提高。
图11 不同围压条件下冻结砂土的应力-应变曲线
Figure 11 Stress-strain curves of frozen sand under different confining pressures
根据图11应力-应变曲线确定各砂样的破坏应力,绘制冻结砂土的破坏应力随细粒土含量的变化曲线,如图12所示。冻结砂土的破坏应力随细粒土含量的变化趋势与常温下砂土破坏应力的变化趋势一致,均呈现先增大后减小的趋势。随着细粒土含量的增加,细粒土填充了颗粒间的孔隙,密实度更大,在盐溶冰的联结作用下土体骨架结构更加稳定;但当细粒土含量超过界限值时,大量细粒土分布在砂粒之间,其抗剪强度会减小。
图12 冻结砂土的破坏应力随细粒土含量的变化
Figure 12 Failure stress of frozen sand with the increase of fine-grained soil content
图13为细粒土含量5%砂样的破坏应力随含盐量的变化曲线。由图13可知,随着含盐量的增加,砂样的破坏应力呈先减小后增大的趋势,这种趋势与相对温度密切相关。相对温度即试验温度与冻结温度的差值,在一定范围内,随着砂样中含盐量的增加,冻结温度会降低,同一试验温度下,含盐量高的砂样盐溶冰强度相对较低,盐溶冰对土颗粒之间的相互联结作用较弱。因此,在含盐量较低时,随着含盐量的增大,砂样的抗剪强度变低。由于饱和浓度的存在,含盐量对冻结温度影响存在一定的局限性,当砂样在冻结温度以上达到过饱和状态时,硫酸钠晶体会先于冰晶生成,温度降低至冻结温度时,砂样的含盐浓度趋向于该温度下的饱和浓度,砂样的冻结温度便稳定在一定区间。3%含盐量砂样与1%含盐量砂样相比,冻结后硫酸钠晶体的含量高,盐晶与土颗粒的结合强度变高。因此,当含盐量超过一定范围时,含盐量越高,冻结盐渍土的抗剪强度越高。
图13 T-5砂样的破坏应力随含盐量的变化
Figure 13 Failure stress of T-5 sand sample with the increase of salt content
5 结论
本文通过控制细粒土含量和含盐量,对砂类硫酸盐渍土开展了单向冻结盐胀试验和常温、低温条件下的三轴试验,并结合微观试验结果对其盐胀和力学特性进行了探讨,得出了以下结论。
(1)本试验条件下,不同级配砂类硫酸盐渍土的冻结温度为-0.7～-0.1 ℃,当砂样孔隙溶液浓度在冻结温度之上达到饱和状态时,盐结晶将先于冰晶生成,当达到冻结温度时,孔隙溶液浓度将接近该温度下的饱和浓度。
(2)细粒土含量和含盐量对盐冻胀发展趋势有显著影响。含盐量1%时,低细粒土砂样的起胀温度在0 ℃附近;由于细粒土对粗颗粒间孔隙的填充作用,高细粒土砂样的起胀温度高于低细粒土砂样,其值为4～9 ℃。3%含盐量的砂样由于在较高温度下便达到过饱和状态,起胀温度在20～23 ℃之内。
(3)含盐量和细粒土含量会影响砂样中自由水相对含量和孔隙结构特征,从而对盐冻胀占比产生显著影响。3%含盐量砂样的前期盐胀变形占比远高于1%含盐量砂样;对于1%含盐量砂样,细粒土含量高于30%时盐胀占比较大。
(4)随着细粒土掺量的增加,砂类硫酸盐渍土的抗剪强度表现出先增大后减小的趋势。较低含量的细粒土能起到填充孔隙、增强摩擦的作用,而高于界限值后将起到润滑作用,本试验中细粒土含量在15%时砂样的抗剪强度最大。
(5)冻结后砂样由之前的“土骨架结构”转化为“土-盐-冰骨架结构”,抗剪强度大幅提高,并表现出明显的脆性破坏特征。此外,随着含盐量的增加,砂样的破坏应力呈先减小后增大的趋势。
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