氯盐盐渍土路基中毛细水上升规律试验研究

付黎明，张淑朝

（天津城建大学a.土木工程学院；b.天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津300384）

我国沿海地区广泛分布有多种类型的盐渍土，盐渍土具有溶陷、盐胀、腐蚀等工程特性[1-3].盐渍土地区的铁路路基由于其特殊的岩土特性或施工处理不当，容易发生盐渍化，使路基土产生多种病害，严重影响其稳定性和耐久性[4-5].同时，盐渍土层中毛细水的上升可直接造成上覆土层吸水软化及次生盐渍化，更促使路基病害加剧. 因此，在盐渍土地区进行路基施工时，非常有必要查明土中毛细水上升的高度及影响毛细水上升的诸多因素，为盐渍土地区路基工程设计施工提供依据.

近年来，诸多学者从各种角度探讨了毛细水上升问题及其上升规律[6-8].张平通过对不同颗粒级配毛细水上升试验分析，研究了颗粒级配和土的构造对毛细水上升的影响[9]；何克瑾通过Green-Ampt 模型，进行了室内土柱模拟试验，研究了均质土壤毛管水上升特性[10]；康世飞通过室内试验，改变硫酸盐渍土中的砂含量、黏土粒含量、水浓度等因素，研究了硫酸盐渍土中的毛细水上升高度规律[11]；王兴照通过改变土壤中的表面活性剂含量与类别，研究了表面活性剂对毛细水上升特性的影响[12].

盐渍土地区铁路路基工程一般为填方施工，盐渍土地基需经过一定的隔水或夯实甚至改性处理，即便如此，盐渍土路基中季节性含盐量变化、填方高度变化、改性施工材料等不同，均会影响盐渍土路基工程稳定性甚至仍会发生次生病害.本文以黄大铁路盐渍土路基实际工程为背景，现场取土，基于毛细管水上升高度试验，通过观测毛细水上升高度和速度，探讨了盐渍土中毛细水上升影响因素及其变化规律.该研究成果对盐渍土路基设计施工具有一定的参考价值.

1 试验设计

1.1 试验仪器

为了探讨盐渍土路基在不同含盐量、不同路基填方高度以及不同改性材料下的毛细水上升特性，由于现有的标准毛细管试验仪口径较小，不能较好地模拟实际工程中影响毛细水上升的诸多因素，故本试验自制了毛细管试验仪，主要由较粗口径的有机玻璃管及其试验支架组成，见图1. 有机玻璃管内径为70 mm，壁厚5 mm，高度为120 cm，玻璃管外侧标有刻度；试验支架由钢管制成.有机玻璃管悬挂于支架上，保持垂直，试验时将土样装于管内，试验管放在水槽中.试验期间水槽水位始终一致.该自制毛细管试验仪能模拟实际工况条件，且易于试验控制与操作.

图1 毛细水管上升试验仪

1.2 试样制备

试验土样取自渤海湾近岸盐渍土，深度1～2 m.试验前对土样进行自然风干，进行标准击实实验，测定其最优含水率和最大干密度分别为21.4%、1.72 g/cm3，土样的颗粒级配曲线如图2 所示，以此参数制备试验土样.

为研究不同影响因素下盐渍土中毛细水上升特性，本试验制备了4 组不同试验土样. 第1 组配制3种不同含盐量的氯盐盐渍土；第2 组制备了同一含盐量的盐渍土，以备进行不同上覆荷载下毛细水上升高度试验；第3 组制备了5 种不同改性材料的盐渍土；第4 组是在盐渍土中上覆设置25 cm 的级配碎石层.

1.3 试验方法与观测

考虑毛细水上升不同的影响因素，参照《铁路工程土工试验规程》[13]试验方法分别进行试验. 查阅相关资料，由于盐渍土毛细水上升高度在24 h 内变化相对较大，其后变化平稳，基于此，本试验观测时间设定为24 h.

图2 土颗粒级配曲线

2 试验结果与分析

2.1 不同含盐量下盐渍土毛细水上升特征

表1 为不同含盐量下盐渍土毛细水上升高度.图3 为不同含盐量时毛细水上升高度与时间的关系曲线.

表1 不同含盐量下盐渍土毛细水上升高度

图3 毛细水随时间上升高度变化曲线

由图3 可知，盐渍土毛细水上升趋势基本与天然土样类似，毛细水上升的最终高度低于天然土.同时发现，盐渍土中的含盐量越高，毛细水上升高度越低.前2 h 内上升速度很快，2～20 h 阶段上升呈线性变化，持续上升，20 h 后上升速度明显减缓，最终上升速度趋于平稳.

2.2 不同上覆荷载下毛细水上升高度特征

本工程盐渍土铁路路基为填方工程，为了更好地模拟填筑高度的影响，笔者进行了不同荷载作用下的盐渍土毛细水上升高度试验.配制统一标准的盐渍土装入3 个玻璃管中，其上施加不同质量的荷载，分别为a 管0 g、b 管926 g、c 管1 852 g. 图4 为在不同荷载强度下盐渍土毛细水上升高度与时间的关系曲线.

图4 不同荷载下盐渍土毛细水上升高度与时间关系

由图4 可以看出，a 管上升高度最高，b 管其次，c管最低. 这说明不同荷载对盐渍土毛细上升高度有着直接的影响，上覆荷载越大，盐渍土的毛细水上升高度越低，在实际工程设计时，应考虑到这一因素的影响.

2.3 不同改性盐渍土毛细水上升特征

对于盐渍土路基而言，盐渍化程度越高，盐渍土路基的灾变性越大.为了降低盐渍土的灾变性，实际工程中一般对盐渍土路基进行改性处理.本试验配制了5 种不同改性材料的盐渍土，分别为3%的石灰盐渍土、5%的石灰盐渍土、7%的石灰盐渍土、3%的水泥盐渍土、5%的水泥盐渍土.表2 为不同改性盐渍土在24 h 内的毛细水上升高度，图5 为在不同改性盐渍土的毛细水上升高度特征曲线.

由图5 可知，无论是石灰还是水泥都能大幅度地改善盐渍土中毛细水上升趋势.分析认为，水泥和石灰，其水化反应会使改性土中的毛细水上升受到抑制，随着改性剂含量的増加，吸水反应的效果随之增大；相比较而言，水泥改性盐渍土的作用最好，石灰含量的増加对于抑制毛细水上升的高度作用并不十分明显.

表2 不同改性盐渍土毛细水上升高度

图5 不同改性盐渍土毛细水上升高度特征曲线

2.4 级配碎石对盐渍土毛细水上升高度的影响

毛细水上升高度与其土体颗粒级配有很大关系.为了降低其毛细水上升高度，实际路基工程中一般采用设置级配碎石垫层隔开其下方盐渍土地基，在垫层上再进行填方. 本试验模拟实际工程，在天然盐渍土上方设置25 cm 高度的级配碎石垫层.碎石设置级配根据相关规范要求进行选取. 设置顺序为10 cm土→25 cm 级配碎石→100 cm 土.表3 为级配碎石盐渍土与天然盐渍土在14 d 内毛细水上升高度；图6 为天然盐渍土与设置级配碎石盐渍土毛细水上升特征曲线.

表3 级配碎石盐渍土与天然盐渍土毛细水上升高度

图6 天然盐渍土与级配碎石盐渍土毛细水上升特征曲线

由图6 可知，由于土颗粒与碎石颗粒结构的不同，天然盐渍土毛细水上升明显，而级配碎石垫层的设置很好地抑制了毛细水上升.试验发现毛细水在碎石垫层中上升了22 cm，而碎石垫层的厚度为25 cm，毛细水并没有到达垫层以上. 同时发现，毛细水在装有级配碎石的土柱中初期上升速度快，至4 d 以后，上升速度逐渐减小，至11 d 趋于稳定.设置级配碎石的盐渍土毛细水上升高度和速度明显低于天然盐渍土.分析认为，直径较小的土体颗粒之间存在着较强的基质吸力，使土体空隙较易吸持水分，基质吸力越大，则吸持水分的能力越强；而碎石的粒径大，碎石靠细集料之间的细小空隙和大粒径碎石表面对水的“浸润”来实现对水分的吸持作用，不存在基质吸力，因此碎石垫层有很好地抑制毛细水上升的效果.

3 结 论

（1）氯盐渍土毛细水上升趋势基本与天然土类似；其含盐量越高毛细水上升高度越低.

（2）不同上覆荷载作用下毛细水上升速度不同，上覆荷载越大其上升速度越慢.荷载作用下的盐渍土毛细水上升高度低于天然土样. 实际工程中，可以通过增高路基填土高度来抑制毛细上升高度.

（3）通过填加石灰和水泥等改性材料能够大幅度地改善盐渍土中毛细水上升情况，其中水泥改性剂的效果对抑制毛细水上升效果明显.实际工程中，可通过对盐渍土水泥改性来抑制其盐渍化程度.

（4）设置级配碎石垫层能很好地抑制盐渍土毛细水上升高度.实际工程中可通过设置一定高度级配碎石垫层的方式来提高路基抗盐渍化能力.