常规溶陷实验在三联中压固结仪中进行,考虑到此仪器竖向排水较为不便,该次实验对仪器进行改装,如图2所示. 改进后的固结仪,加压上盖和底板均带若干直径一致的小孔,通过控制阀调节固结盒内水量的供给,挡板可维持液面水平,同时底板的孔洞可保证水的竖向排出,能较好地实现试样的浸水溶滤,使盐分充分溶解,测定不同轴压下土样竖向变形量.

图2 溶陷实验装置示意图
Fig.2 The collapsibility test device

为模拟实际交通荷载作用,采用空心圆柱扭剪仪循环加载模块. 该仪器可独立控制轴向力、轴向/径向位移和围压等,实现等向/偏向固结; 同时,其加载波形有正弦波、三角波和用户自定义等波形,能实现循环往复加载条件.

采用压缩实验双线法,分别做静载条件下和循环荷载作用下的溶陷实验. 静载作用下溶陷实验试样组号如表1所示. 其中, w(H₂O)和w(盐)分别为土样中水和盐的质量分数(含水率和含盐量); ρ_d为土样的干密度.

表1 溶陷实验试样分组
Table 1 The samples of collapsibility test

静载作用下的溶陷实验试样按如下工艺制备.先按目标含水量添加无离子水,充分拌和,置入塑料袋内润湿12 h,再采用控制密度法单层击实,环刀取样,试样尺寸D×H=60 mm×20 mm.循环振动实验试样采用同样工艺制备,试样尺寸D×H=70 mm×140 mm,循环荷载作用后,用环刀取样做溶陷实验,试样组号如表2所示. 其中, N为循环加载次数.

表2 循环振动实验试样分组
Table 2 The samples of Cyclic vibration test

各试样中不同浓度的含盐量均按照滨海新区易溶性盐粒子含量配制. 循环振动实验采用围压为50 kPa,循环实验前进先行时长2 h的等压固结,循环荷载幅值均选定为50 kPa,频率1 Hz,半正弦波^[18-19]加载方式.

基于GCTS循环振动实验,采用组号3、8、9、10、11和12六组试样研究不同循环次数下盐渍土的溶陷特性. 不同循环次数下,氯盐渍土溶陷系数随溶陷荷载的变化曲线如图3所示. 不同循环次数下,随荷载的增大,溶陷系数表现为先增大后小幅度减小,存在峰值溶陷系数; 循环次数越多,同级荷载下的溶陷系数越小,试样的溶陷性越小.

图3 不同循环次数下溶陷系数与荷载关系曲线
Fig.3 Collapsibility coefficient versus the load in different cycles

氯盐渍土在不同溶陷荷载下溶陷系数与循环次数的关系曲线如图4所示. 各级荷载下的溶陷系数均随循环次数的增加而不断减小,且呈现上陡下缓的减小趋势,荷载越大,溶陷系数的变化量越大. 表明同级荷载作用下,循环次数的增加可以减小盐渍土的溶陷变形,但随着循环次数的增加,这种减小程度削弱. 同时,相同次数的循环荷载作用下,荷载越大,盐渍土的溶陷程度越大.

图4 不同荷载下溶陷系数与循环次数关系曲线
Fig.4 Collapsibility coefficient versus cyclic times in different load

采用组号10、13、14和15四组试样探究一定循环次数下,不同初始含水率对盐渍土溶陷特性的影响. 不同初始含水率下,溶陷系数与溶陷荷载的关系曲线如图5所示.

由图5可知,溶陷系数随荷载的增大而增大,当超过一定压力后,存在小幅度减小,在相同荷载作用下,溶陷系数随初始含水率的增加而减小,即初始含水率越大,盐渍土的溶陷性越小.

图5 不同初始含水率下溶陷系数与荷载关系曲线
Fig.5 Collapsibility coefficient versus the load in different initial moisture content

经过4 000次循环振动荷载作用后,溶陷系数与初始含水率的关系曲线如图6所示. 当荷载为50、100和400 kPa时,曲线近似呈现自上而下的直线,荷载为200和300 kPa时曲线上凸. 在盐分开始溶解和溶解结束阶段,盐渍土溶陷的敏感性较弱,随着浸水时间增长,溶解速度加快,溶陷敏感性增强.

图6 不同荷载下溶陷系数与初始含水率关系曲线
Fig.6 Collapsibility coefficient versus initial moisture content in different load

采用组号10、16、17和18四组试样探究一定循环次数下,不同含盐量对盐渍土溶陷特性的影响. 不同含盐量下,溶陷系数与溶陷荷载的关系曲线如图7所示. 不同含盐量下,溶陷系数随荷载的增大先显著增大后逐渐平稳,含盐量较低时,存在峰值溶陷系数,当超过一定含盐量,峰值溶陷系数表现不明显.

图7 不同含盐量下溶陷系数与荷载关系曲线
Fig.7 Collapsibility coefficient versus the load in different salt content

不同荷载作用下,氯盐渍土溶陷系数随含盐量的变化曲线如图8所示. 可以看出溶陷系数随着含盐量的增加而增加,氯盐渍土溶陷系数对盐分的敏感性与对初始含水率相似,在盐分开始溶解和溶解结束阶段,溶陷的敏感性弱,而在中间阶段随着浸水时间的延长,敏感性加强.

图8 不同荷载下溶陷系数与含盐量关系曲线
Fig.8 Collapsibility coefficient versus salt content in different load

氯盐渍土三相组成中的固相除土颗粒外,还含有氯盐颗粒,液相为盐水溶液,一般情况下,土颗粒中的盐水溶液和易溶盐之间表现为随外界温度、降雨和荷载等因素变化的动态平衡,此种动态平衡是盐渍土溶陷产生的根本原因. 当讨论单一变量对土体溶陷性影响时,溶陷系数或溶陷量可直观描述其影响程度,但大多数时候盐渍土路基所承受的为循环次数、初始含水率、含盐量和荷载等多因素的耦合作用,为更好地反映耦合作用对溶陷性的影响,现引入可描述耦合作用对土体溶陷性影响的耦合溶陷敏感因子Φ_c(coupling collapsibility sensitive factor).

设定δ₀为某一级荷载作用下土样固结稳定后的溶陷系数, δ_a,b为一定循环次数后,因素a和b耦合作用时同级荷载下土样固结稳定后的溶陷系数.则δ₀和δ_a,b分别反映某一级荷载作用时,土体初始溶陷特性和耦合作用后的溶陷特性. 并设定δ₀和δ_a,b差的绝对值Δδ_c为耦合溶陷参数,则Δδ_c反映耦合作用对土体溶陷特性的影响量.

Δδ_c=|δ₀-δ_a,b|(1)

当Δδ_c越大,表示溶陷系数变化越多,则该耦合作用对土体的溶陷影响越大.

定义耦合溶陷敏感因子Φ_c为耦合溶陷参数Δδ_c与初始溶陷系数δ₀的比值,即

ΔΦ_c=(Δδ_c)/(δ_o)=(|δ_o-δ_a,b|)/(δ_o)(2)

土体溶陷是外因和内因共同作用的结果,耦合溶陷敏感因子Φ_c充分反映了耦合作用对土体初始溶陷特性的影响程度. Φ_c越大,表明此种耦合作用对土体溶陷性影响越大,土体溶陷越敏感,耦合作用产生的效应越大.

为更好地分析多因素耦合作用对氯盐渍土的溶陷特性的影响,基于前述实验结果,本研究对不同耦合状态下耦合溶陷敏感因子的变化规律进行分析.

3.2.1 溶陷荷载与循环次数藕合分析

不同溶陷荷载作用下,耦合溶陷敏感因子与循环次数的关系曲线如图9所示.

图9 耦合溶陷敏感因子与循环次数关系曲线
Fig.9 Coupling collapsibility sensitive factor versus cycles

曲线采用高斯拟合,相关系数可达0.99以上,具有较好的相关性. 各级荷载下,Φ_c随循环次数的增加呈现下陡上缓的增长趋势,相同循环次数下, Φ_c随荷载的增大而减小,盐渍土溶陷敏感性减弱. 分析认为,一方面循环次数的增加,使土颗粒产生滑动重新排列形成新的结构,土体变得密实,孔隙率减小,土骨架承受能力加强,耦合溶陷参数Δδ_c增大,溶陷敏感性增强; 另一方面随着荷载的增大,土颗粒相对滑动位移增大,单位土体内土颗粒数量增加,土体向紧密程度发展,使土体孔隙不断减小.当荷载足够大时,试样孔隙率的减小速度十分缓慢,此时土体可近似视为固相土颗粒和液相的二相系,而溶陷源于孔隙的减小,因此荷载越大,溶陷敏感性反而变得越弱.

3.2.2 溶陷荷载与初始含水率的藕合分析

耦合溶陷敏感因子与初始含水率之间的关系曲线如图 10所示. 一定循环次数下,耦合溶陷敏感因子与初始含水率的关系曲线受荷载影响较大. 同级荷载作用下,随初始含水率的增大, Φ_c不断增大,荷载越大,增幅越小; 当初始含水率小于19%时,相同含水率下,耦合溶陷敏感因子随荷载的增大而增大,但在大于19%时,耦合溶陷敏感因子随荷载的增大而减小.

图 10 耦合溶陷敏感因子与初始含水率关系曲线
Fig.10 Coupling collapsibility sensitive factor versus initial moisture content

这是由于一方面,在相同含盐量条件下,盐渍土初始含水率的增大使试样中结晶盐的数量减小,土颗粒亲水性减弱,导致水的表面张力和湿吸力降低,同时使颗粒表面吸附水膜的厚度增大,使土体的胶结强度降低,可变性增强; 另一方面,在一定初始含水率范围内,土体中易溶盐颗粒含量一定,随着荷载的增大,土体的压缩变形增大,加之浸水时间的进一步增长,使易溶性盐颗粒溶解量不断增大,盐渍土的溶陷敏感性增强, Φ_c增大,荷载表现出促进溶陷的特性; 随着初始含水率的增大,土体中易溶性盐含量相对减小,荷载对溶陷的促进作用减缓,当超过一定范围时,其作用小于初始含水率变化产生的溶陷变化,耦合溶陷敏感因子即呈现出随荷载增大反而减小的特点.

3.2.3 溶陷荷载与含盐量的藕合分析

不同溶陷荷载作用下耦合溶陷敏感因子与含盐量的关系曲线如图 11所示.同级荷载作用下,随着含盐量的增加,耦合溶陷敏感因子 Φ_c随含盐量的增大表现为先增后减; 荷载越大, Φ_c越小,表明荷载和含盐量耦合作用时,荷载具有减小土体溶陷的特性.

图 11 耦合溶陷敏感因子与含盐量关系曲线
Fig.11 Coupling collapsibility sensitive factor versus salt content

分析认为,界限含盐量的存在表明盐渍土具有一定的抵抗侵蚀的能力,在该范围内,溶陷敏感性随着含盐量的增大而增强, Φ_c增大; 随着含盐量的进一步增大,试样中孔隙水离子浓度增大,由于吸附能力不同,土颗粒扩散层中阳离子发生更替,使双电层中高价离子浓度增大,扩散层变薄,颗粒表面吸附的结合水膜厚度减小,颗粒间发生相对位移的阻力增大,溶陷敏感性减弱, Φ_c减小; 荷载越大,水分浸入试样的时间越长,土中易溶盐的溶解速度越慢,孔隙率减小得越慢,由含盐量不同引起的溶陷差异逐渐减小,溶陷敏感性减弱, Φ_c随之越小.