第27卷第5期 2015年1O月 甘肃科学学报 Journal of Gansu Sciences V01.27 NO.5 Oct.2O15 引用格式:Wang Guoshang,Liu Zhiyi,Yang Peng,et a1.Experiment and Discussion on the Boundary and Depth of Salt Expansion of Coarse—Grain Sulfuric Acid Saline Soil[J].Journal of Gansu Sciences,2015,27(5):90—94.[王国 尚,刘志义,杨鹏,等.粗颗粒硫酸盐渍土盐胀界限深度的试验探讨[J].甘肃科学学报,2o15,27(5):9O一94.] doi:10.16468/j.cnki.issnl004—0366.2015.05.019. 粗颗粒硫酸盐渍土盐胀界限深度的试验探讨 王国尚 ,刘志义 ,杨 鹏 ,米海珍 (1.中国能建集团甘肃省电力设计院,甘肃兰州 730050;2.兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州 730050) 摘 要 为了研究河西粗颗粒盐渍土地基中盐分富集层的赋存形态对地表盐胀量的影响规律,通过现 场调研并配合一系列的室内试验,探讨了盐分富集层的含盐量、厚度及埋深等因素诱发地表盐胀的界 限值,并探讨了盐分富集层在粗颗粒硫酸盐渍土地基中埋深的敏感区间。研究表明:只有当盐分富集 层含盐量大于5.3 ,厚度大于38 mm时,才可能诱发地表盐胀。且通过现场调研发现,在敦煌等地的 盐渍土场地中,盐分富集层的埋深在1.25~2.0 m深度范围内时,其对地表盐胀的影响较为显著。 关键词 盐分富集层;厚度;埋深;含盐量;盐胀 中图分类号:U491.5 文献标志码:A 文章编号:1004—0366(2O15)05—090—05 河西地区广泛分布着粗颗粒硫酸盐渍土,其特殊 的工程性质(如盐胀性、溶陷性、腐蚀性等)对建筑物 地基的稳定性存在挑战I1 ]。尤其是盐渍土的盐胀特 表盐胀量之间的关系,考察盐分富集层在不同埋深、 不同含盐量及不同厚度条件下对地面盐胀量的影 响,明确其对盐胀量的影响规律,找出有盐分富集层 性对地基的影响较为显著_3]。含盐地层会随着冻融 循环的作用周而复始的起胀,要彻底消除其盐胀变形 几乎不可能。已有的研究成果显示[4],未形成盐分富 存在的地基发生盐胀变形的临界条件。 1.2试验设备 试验设备包括三部分:装样桶、降温装置和测量 装置。装样桶内径15.9 cm,高30 cm,内壁光滑,桶 壁为空腔水槽,用循环制冷液对土样降温,样桶外包 集层的地基土,其盐胀量一般较小,温度敏感区间为 7~0℃;形成盐分富集层的地基土,其盐胀量较显 著,温度敏感区问为3~7℃和12~15℃。通过在敦 煌、瓜州等地实地开挖探井观测发现,该地区地层中 往往存在有多个盐分富集层,其深度一般小于2 m。 如要对地基土的盐胀性进行科学的评价,就需要区分 盐分富集层与一般含盐土层对地基盐胀量的贡献,并 保温材料以减少温度损失,样桶盖为厚1.0 cm的不 锈钢圆盖;降温装置为DI 2010型低温槽,变温幅度 为一2O~100℃;温控精度为0.1℃;测量装置分为 变形测量和温度测量两部分,测量变形所用的仪器 且明确盐分富集层在地基中位置与厚度的改变会对 盐胀量造成什么样的影响等。试验通过室内模拟试 验方法,以土样的盐胀量为指标,以盐分富集层埋深、 厚度、含盐量为变量,研究了盐分富集层不同富集方 式下地基的盐胀变形量的变化规律。有望可以为问 为百分表,每个样桶安装3支百分表,等距离安装在 样桶顶端,通过测量顶盖的抬升来测量土体胀量,三 只表的平均值为土样的盐胀量,温度测量采用 YH5000系列温度测量仪,测量范围为一40~100℃, 精度为0.1℃。温度探头布置在土样15 cm高度处, 题的研究提供试验数据和思路。 通过读数仪测量土核温度。试验装置见图1。 1.3试样制备 1 试验目的与方法 1.1试验目的 对在野外采集的土样进行清洗(直至清洗液滴 定BaC1:溶液无显色反应为止),烘干,筛分,按粒组 分盘待用。试验选取了八个典型级配,各级配土样 试验主要为了讨论盐分富集层的赋存状态与地 收稿日期:2014—07—03;修回日期:2014—09—17. 作者简介:王国尚(1961-),男,甘肃兰州人,博士,研究方向为环境工程地质.E-mail:wgsl23@sohu.corn. 通讯作者:杨鹏.E-mail:y491016333@163.corn. 92 甘肃科学学报 2Ol5年第5期 富集层的含盐量为5 时,土样在单次冻融循环下 的胀量为负值,这是因为试验过程中在土样顶端加 盖了一个1 cm厚的不锈钢桶盖,通过百分表测量桶 盖的升降来测量土样胀量,桶盖的质量抑制了部分 因土体降温引起的颗粒架空现象。胀量出现负值说 明该含盐量尚不能启动盐胀变形。从图2可以看 出,盐胀变形量为零对应的盐分富集层的含盐量为 5.3 9/6,即当盐分富集层的含盐量大于5.3%时,才 足以诱发土样表面的盐胀变形;而当盐分富集层的 含盐量小于此值时,其对盐胀变形几乎没有贡献。 表2盐分富集层的含盐量与土样平均盐胀量的关系 Table 2 Relationship between the salt content of salinity- enriched layer and average salt expansion of soil samples 含盐量 图2含盐量与土样平均盐胀量的关系 Fig.2 The changing curve of soil content and soil 在敦煌地区开挖探井,对地层中可见的数个白色 盐分富集层进行了取样并测试其含盐量,发现其平均 含盐量在0.6 ~1.3 范围内,含盐量最大的盐分富 集层也未超过4 。结合室内试验结果可以判定,该 含盐量情况下的盐分富集层虽然存在于近地表,但其 对于地表盐胀变形的贡献并不显著。究其原因可以 发现,盐分富集层的盐胀量被其相邻土层所吸收,对 相邻土层形成了挤密作用,尤其是多个盐分富集层的 存在会使得一定深度范围内的土层趋于密实,间接地 增加了地基土的密实度,使深部含盐土层的盐胀量更 容易直接传递到地表层。所以当含盐量小于5.3 时,盐分富集层的存在很少直接贡献盐胀量,而是通 过挤密相邻土层的方式间接地增加了地表盐胀量。 2.2盐分富集层厚度对盐胀量的影响 将表l中不同盐分富集层厚度情况下的盐胀量 gⅢ/啷 求平均值,可以得出层厚与土样平均盐胀量之间的 O 0 0 O 0 O O 关系(见表3)及其变化曲线(见图3)。由图3可以 ㈣ ∞ 0 看出,当盐分富集层的厚度小于38 mlTl时,土样的 平均盐胀量均小于零。造成此现象的原因在上文中 已作了说明。这表明要诱发土样表面的盐胀量,盐 分富集层的厚度必须大于38 inm,小于此值时,盐 分虽然富集成层,但是并不会引发盐胀,这是因为它 的胀量会被上下土层消化吸收,尚不足以对土样表 面的盐胀量产生影响。 表3盐分富集层的厚度与土样平均盐胀量的关系 Table 3 Relationship between the thickness of salinity- enriched layer and average salt expansion of soil samples 0.10 ()t)8 006 o 04 删 拦().O2 鼎 霜0 O.O2 ()04 一O.O6 盐分富集层厚度/mm 图3 盐分富集层厚度与土样平均盐胀量的关系 Fig.3 Changing curve of the thickness of salinity—enriched layer and and soil sample average salt expansion degree 根据《盐渍土地区公路设计与施工指南》 上对 盐渍土成因的划分,河西地区的粗颗粒硫酸盐渍土 多属于“残余盐渍土”,其特征为地层中多分布可见 的盐分富集层。盐分富集层所在深度为原来高矿化 度的地下水曾经停留过的位置。我们在现场也发 现,许多地层剖面上均可发现或薄或厚的盐分富集 层,且多数盐分富集层厚度均超过38 mm。在瓜州 数个地层剖面观察到的盐分富集层,其厚度均超过 l5O mm。而该地区地表土层踩踏感觉坚硬,并未有 如敦煌机场附近地表土明显松胀的表现。直观感觉 此处地基土的盐胀变形不如敦煌机场附近处显著。 这说明盐分富集层的厚度对盐胀量的影响不如含盐 量显著。虽然盐分富集层比较厚,但当其含盐量小 于5.4 时,其对地表处的盐胀变形亦未有直接 影响。 第27卷 王国尚等:粗颗粒硫酸盐渍土盐胀界限深度的试验探讨 93 2.3 盐分富集层埋深对盐胀量的影响 将表1中不同盐分富集层埋深情况下的盐胀 量求平均值,可以得出埋深与土样平均盐胀量之间 的关系(见表4)及其变化曲线(见图4)。由图4可 以看出,当盐分富集层位于土样表层时,并不会引 发土样的盐胀变形,这是因为盐分富集层在降温过 程中因盐分晶体的结晶析出造成了颗粒架空现象, 这种现象使得土体变得松软膨胀,很容易通过加载 来抑制。试验过程中,装样桶的顶盖具有一定重 量,其对土样表层的“颗粒架空”现象进行了抑制。 盐胀量为零所对应的埋深约为5 mm,即土样高度 的约1/6。说明此处应该为盐分富集层引发盐胀 的界限埋深,当盐分富集层埋深超过土样高度1/6 时才会引发土样表面的盐胀变形,而当其埋深浅于 此值时,不会引发土样表面的盐胀量。随着盐分富 集层的埋深继续增加,可以发现土样顶面的盐胀量 出现了先增后减的趋势。盐胀量最大值所对应的埋 深约为18O ITirn,约为土样高度的1/2,之后土样顶 面的盐胀量会随着埋深的继续增加出现下降。以上 现象说明,盐分富集层位于土样高度1/2处对土样 顶面的盐胀量影响最为显著。这是因为当盐分富集 层位于此位置时,其盐胀量会同时向上下传递,盐分 富集层下部土体在自重荷载作用下本身较为密实, 吸纳盐胀变形量较少,多数盐胀量会向上部传递,故 盐分富集层位于该深度时,土样表面的盐胀量最显 表4盐分富集层的埋深与土样平均盐胀量的关系 Table 4 Relationship between the burial depth of salinity- enriched layer and average salt expansion of soil samples 宣 删 到 蜘E -o.1)6-0.IJ4-0.02 0 【).02(J.04().06().08 0 1()0.12 平均盐胀量/mm 图4盐分富集层的埋深与土样平均盐胀量的关系 Fig.4 Changing curve of the burial depth of salinity-enriched layer and and soil sample average salt expansion degree 著;而随着盐分富集层埋深的继续增加,盐分富集层 以上土层较为松散,吸收盐胀变形的能力也会相应 增加,会有更多的胀量被盐分富集层以上土层吸纳, 故土样表面的盐胀量会降低。 文献[5]中表明,河西地区粗颗粒硫酸盐渍土场 地的年变化深度大约为7.5 m。按本次试验研究的 结果,当盐分富集层分布在距离地表1/6年变化深度 范围内,即O~1.25 m深度范围内时,其对地表盐胀 量几乎无影响;当盐分富集层位于1/6~1/2年变化 深度范围内,即1.25~3.75 m深度范围内时,地表盐 胀量会随着盐分富集层埋深的增加而增加,并趋近于 最大值;当盐分富集层埋深大于1/2年变化深度时, 地表的盐胀量会随着其埋深的增加而减小。 通过查阅相关资料l_6 发现,河西地区的粗颗粒硫 酸盐渍土场地中同时存在多个盐分富集层,并且多分 布于2.0 m深度以浅的位置。在敦煌、瓜州等地的实 地勘察也证实了这种说法。在多个场地的探井中同 时发现,当深度大于2.0 m时,地层中未发现可见的 盐分富集层,这说明河西地区的现场条件下盐分富集 层分布的最大埋深即为2.0 m。结合上述分析可以 得出:当盐分富集层埋深浅于1.25 m时,其对地表盐 胀量无影响,盐分富集层在该深度的存在只会对相邻 土层起到挤密作用,使近地表的土层形成坚硬的“壳” 状结构;当盐分富集层分布于1.25~2.0 m深度范同 内时,其对地表盐胀量的影响最为显著,应给予该深 度范围内的盐分富集层足够的重视。而此深度以深 地层中几乎无盐分富集层的存在,故忽略盐分富集层 在这些深度上对地表盐胀量的影响。由此可以划分 出盐分富集层分布对地表盐胀量影响最为显著的深 度区间,即一1.25~0 m深度为盐分富集层影响不显 著区间;一1.25~一2.0 m深度为盐分富集层影响显 著区间;一2.0 m以下深度为无盐分富集层区间。其 划分示意图如图5所示。 3 结论 研究以河西地区粗颗粒硫酸盐渍土场地中广泛 分布的盐分富集层为研究对象,以盐胀量为判定指 标,综合分析了场地中盐分富集层的分布对近地表 坚硬的“壳”状结构的形成作用及其对地表盐胀量的 影响。通过研究分析可以发现:若盐分富集层对地 表盐胀量产生影响,其含盐量至少需要大于5.3 , 而当盐分富集层的含盐量小于此值时,其对盐胀变 形几乎没有贡献。河西地区硫酸盐渍土场地中分布 的盐分富集层,其含盐量多数小于4 ,该含盐量情 94 甘肃科学学报 2O15年第5期 O 在敦煌等地的现场勘查中发现,虽然很多盐分富集 盐分富集层影响不显著区问 l 25 m 层厚度超过150 mm,但因其含盐量较低,故其对地 表的盐胀变形影响甚微,说明盐分富集层厚度对盐 2.()【)m 盐分富集层影响显著区间 胀量的影响不如含盐量显著。同时,通过分析获知, 盐分富集层的埋深对盐胀量的影响较为直接,因为 3 75 m 无盐分富集层分布区间 其在河西地区的盐渍土场地中多存在于2.0 m以 浅的深度,所以1.25~2.0 m应该为该地区盐分富 集层分布的危险区域,即当盐分富集层分布于此区 间内,将对地表的盐胀量影响显著。 7 50 m 参考文献 年变化深度 图5 场地盐分富集层分布对地表盐胀量影响程度 Fig・5 sch咖atic djagrdm 0f the innuence|lf saJinity-enrich即 [ ] 包卫星,杨晓华,谢永利.典型天然盐渍土多次冻融循环盐胀试 验研究岩[J].土木lT程学报,2006,28(11):234—239. r ] 严耿升,张虎元,王志硕,等.风电场盐渍土地基静载试验研究 layer distribution 0n surface salt expansion de [J].西北水电,201l,30(6):75—80. 况下的盐分富集层虽然存在于近地表,但其对地表 盐胀变形的贡献并不显著,盐分富集层的盐胀量被 .天然粗颗粒盐渍土多次冻融循环盐胀 L3J 张莎莎,杨晓华,戴志f试验[J].中同公路学报,2009,22(4):29—32. 其相邻土层所吸收,对相邻土层形成了挤密作用,尤 其是多个盐分富集层的存在会使得一定深度范围内 的土层趋于密实,使近地表土层形成坚硬的板状结 构。室内试验发现,只有当盐分富集层厚度大于 38 mm时,盐分富集层才会对地表胀量造成影响。 … 新疆公路学会.XJTJOl一2001盐渍土地区公路施工规范Is].北 京:人民交通出版社,2002. 吴青柏,孙涛,陶兆祥,等.恒温下含硫酸钠盐粗颗粒土盐胀特 征及过程研究[J].冰川冻土,2001,23(3):238 242. [6] 杨向荣,刘亚峰,杨鹏,等.河西砂类盐渍(硫酸盐)土地基中胶 结层形成原因初探[J].T程地质学报,2013,2l(4):534 539. Experiment and Discussion on the Boundary and Depth of Salt Expansion of Coarse—Grain Sulfuric Acid Saline Soil Wang Guoshang ,Liu Zhiyi ,Yang Peng。,Mi Haizhen (1.The EZ tric Power Design Institute of Gansu in China Energy Engineering Group Co.,Ltd,LanzhOU 730050,China 2.SoDool oy Civil Engineering,Lanzhou University of Tec’knology,Lanzhou 730050,China) Abstract In order to investigate the law of the influence of the occurrence mode of salinity—enriched layer in Hexi coarse—grain saline soil foundation on salt expansion on the earth S surface.The writer will probe into the salt content,thickness,burial depth and other factors of salinity—enriched layer which may induce boundary value of salt expansion on the surface,as well as the sensitive range of the burial depth of salinity enriched layer in coarse—grain saline soil foundation.It has discovered in the experiment that:only when in salinity—enriched layer and the thickness larger than 38mm can it the salt content is higher than 5.3 cause the happen of earth surface salt expansion;it has also discovered in field research that in the saline soil area in Dunhuang and other places。the burial depth of salinity—enriched layer varies from 1.25m to 2. Om,which has outstanding influence on earth—surface salt expansion. Key words Salinity—enriched layer;Thickness;Burial depth;Salt content;Salt expansion