（地质工程专业论文）环境因素变化对格尔木地区盐渍土抗剪强度参数的影响研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本论文以格尔木市郊盐渍土为样品，从研究基本工程性质入手，通过易溶 盐测定了土体中的离子成分，并进行了盐胀试验分析盐渍土的盐胀特点；在不 同含水量、含盐量及含盐类别情况下，研究了改变这些环境因素和不同因素组 合下土体抗剪强度性质的变化，并就这些因素的影响进行了机理解释；以扫描 电镜图片为基础，从微观结构解释了冻融循环作用下土体的强度参数变化机理； 根据试验测试的数据和结果，对含水量、含盐量及两因素交互对抗剪参数影响 进行了灵敏度分析。 经过大量的试验研究及理论分析，结果表明：试验所取的土样为颗粒较细 的粉质粘土；而易溶盐分析得到c 1 一s o , = 3 1 6 2 ，根据规范该土可定名为氯盐 渍土，故盐渍土样为含氯盐的粉质粘土；相同含水量情况下，n a c l 的含量对盐 胀有抑制作用，而n a 。s o 情况相反；n a 。s o 。含量在2 6 之间时，盐胀发生明 显，但其含量超过6 时，盐胀率增加较缓慢：在含水量小于1 6 时，盐胀率 呈增大的趋势，且当含水量为1 6 时盐胀率达最大，此时的含水量约等于土体 的最优含水量1 5 5 6 ：而含水量大于1 6 时，盐胀率呈减小趋势；n a ：s 0 。盐渍 土在1 5 左右开始有盐胀产生，到一6 附近时盐胀量达到最大。 粘聚力、内摩擦角均随含水量的增加而减小，但内摩擦角的变化趋势较缓； 当含水量一定时，强度参数随含盐量的增大先减小后增大，当掺加c a c l ：后全盐 量约1 0 3 6 时强度参数达到最小值，而掺加n a ：s 0 4 后全盐量约8 3 6 就出现 最小值，但当含水量较低时，这种趋势并不明显；冻融循环后粘聚力和内摩擦 角都随着冻融次数的增加而减小，且主要减小阶段在第l 、2 次循环，曲线的变 化趋势也随着冻融次数的增加而逐渐平缓；用s e m 图片建立了土体强度与其微 观结构之问的联系；通过灵敏度分析得出交互作用在显著水平a = 0 0 5 时对粘 聚力及内摩擦角有显著性影响，而含水量、含盐量在显著水平a = o 0 1 对强度 参数的影响是高度显著的。 关键词粉质粘土易溶盐扫描电镜冻融循环盐渍土抗剪强度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t s o i ls a m p l e si n t h i sp a p e rc o m ef r o ms u b u r bo fg e e r m u ，s t a r t i n gw i t h f u n d a m e n t a le n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s ，t h es a l th e a v i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs a l i n e s o i li sa n a l y z e db ym e a s u r i n gi o nc o m p o n e n to ff r e e l ys o l u b l es a l ta n ds a l t h e a v i n ge x p e r i m e n t ；f r o md i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t ，s a l tc o n t e n ta n ds a l ts t y l e ， t h ec h a n g e so f s h e a r i n gs t r e n g t hp r o p e r t i e su n d e rp a r t i a le n v i r o n m e n t a lf a c t o r s a n dd i f f e r e n ts o i lc o m b i n a t i o ni ss t u d i e d a n dm e c h a n i s me x p l a n a t i o no ft h e s e f a c t o r s e f f e c t si sm a d e ；o nb a s i so fs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) p i c t u r e s ，t h ec h a n g e m e c h a n i s mo fs o i l sm e c h a n i c s p a r a m e t e r u n d e r a l t e r n a t i o no ff r e e z i n ga n dt h a w i n gi nv i e wo fm i c r o s t r u c t u r ei s m a d e ； s e n s i t i v i t ya n a l y s i so fs h e a r i n gs t r e n g t hp a r a m e t e ri sm a d ef r o mw a t e rc o n t e n t ， s a l tc o n t e n ta n db o t hi n t e r a c t i o n a c c o r d i n gt ob u l ko fe x p e r i m e n ts t u d i e sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h e r e s u l ts h o w st h a tt h es o i ls a m p l e si ne x p e r i m e n ti ss i l t yc l a y ；c 1 - s 0 4 + i s3 1 6 2 f r o ms o l u b l es a l ta n a l y s i s ，t h es o i lc a nb en a m e ds a l t b e a r i n g s o i lb yn o r m ，s o s a m p l e si n t h i se x p e r i m e n ti sc h l o r i d ec l a y ；i nt h es a m eo fw a t e rc o n t e n t ， s o d i u mc h l o r i d er e s t r a i n ss a l th e a v i n g ，b u tc o n t r a r yt os o d i u ms u l f a t e ；t h e c o n t e n to fs o d i u ms u l f a t ei sb e t w e e n2p e r c e n tt o6p e r c e n t ，s a l th e a v i n gi s o b v i o u s ，h o w e v e r ，t h es a l th e a v i n gr a t es l o w l yi n c r e a s e sw h e ns a l tc o n t e n ti s m o r et h a n6p e r c e n t ；w h e nw a t e rc o n t e n ti sl e s st h a n16p e r c e n t ，s a l th e a v i n g r a t ei n c r e a s e sa n di t g e t sm a x i m u mw h e nw a t e rc o n t e n ti s 16p e r c e n to rs o ， w h i c hi so p t i m u mw a t e rc o n t e n to fs o i l ，t h a ti st os a yi s15 5 6p e r c e n t ；w h e n w a t e rc o n t e n to v e r r u n s1 6 p e r c e n t ，t h es a l th e a v i n gr a t e i s c o n t r a r y ；s a l t h e a v i n g i n c r e a s e sw h e nt e m p e r a t u r ed e c r e a s e su n t i lt oe x t r e m e ，s o d i u m s u l f a t e b e a r i n g s o i ls t a r t ss a l th e a v i n gw h e nt e m p e r a t u r ei s 15c e n t i g r a d e ，s a l t h e a v i n gi sm a x i m u m i nc o n d i t i o no fb e l o wz e r o6c e n t i g r a d e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 c o h e s i o na n di n n e rf r i c t i o n a n g l ed e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n go fw a t e r c o n t e n t ，b u tt h ei n c r e a s i n gc u r r e n to fi n n e rf r i c t i o na n g l ei sc o r r e s p o n d i n g l y s l o w , i fw a t e rc o n t e n ti sf i x e d ，s t r e n g t hp a r a m e t e rm i n i s h e si n i t i a l l ya n d i n c r e a s e ss u b s e q u e n t l y 。s t r e n g t hp a r a m e t e rg e t sm i n i m u mw h e ns a l tc o n t e n to f a d d i n gc a c l 2i s1 0 3 6p e r c e n t ，b u tt h em i n i m u ma p p e a r sa t8 3 6p e r c e n tw h i l e a d d i n gn a 2 s o d i fw a t e rc o n t e n ti sl o w e r , t h i sc u r r e n ti s n o te v i d e n t a f t e r a l t e r n a t i o no ff r e e z i n ga n dt h a w i n g ，c o h e s i o na n da n g l eo fi n t e r n a lf r i c t i o n d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n go fp e r i o d so ff r e e z i n ga n dt h a w i n g ，a n dd e c r e a s i n g s t a g ei sf i r s ta n ds e c o n dc y c l e ，t h et r e n do f c u r v et u r n ss m o o t hw i t hi n c r e a s i n g o fp e r i o d so f f r e e z i n g a n d t h a w i n g ；t h er e l a t i o n s h i p o fs v e n g t ha n d m i c r o s t r u c t u r ei ss e tu pb ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) p i c t u r e s ；b y i n g e n u i t ya n a l y s i s ，i n t e r a c t i o ns i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e sc o h e s i o na n da n g l eo f i n t e r n a lf f i c t i o nw h e nn o t a b l el e v e l ( 口) i so 0 5 w a t e rc o n t e n ta n ds a l tc o n t e n t h a sp r o m i n e n te f f e c to nm e c h a n i c sp a r a m e t e r sw h e nn o t a b l el e v e l f 口) i so 0 1 k e y w o r d s ：s i l t yc l a y , s o l u b l es a l t ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，a l t e r n a t i o n o ff r e e z i n ga n dt h a w i n g ，s a l i n es o i l ，s h e a r i n gs t r e n g t h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1选题意义 我国铁路工程岩土分类标准规定，盐渍土是指地表以下l m 以内，易溶 盐含量大于o 5 的土。土中含盐量超过这个标准时，土的物理力学性质将发生 很大变化。1 9 8 6 年沙波尔斯估算出全世界盐渍土的总面积为9 5 4 8 3 2 万k m 2 ，其 中3 8 分布在中国，居全世界的第4 位0 1 。我国盐渍土分布区域很广，其中西 北地区盐渍土占全国盐渍土总面积的6 0 左右。 随着西部开发的进行，许多重大工程如青藏铁路、兰新铁路、兰新公路等 公路铁路网建设及城镇建设，都曾遇到过含盐地层。含盐地层( 盐岩或盐渍土) 的腐蚀性、盐胀性及力学特性的不稳定性会造成道路、渠道、机场跑道等建筑 物的盐胀、湿( 溶) 陷和腐蚀破坏，其中主要原因在于盐分在土体中的表现形 态。对于西北地区盐渍土，其处于早晚及年温差相对较大，地下水矿化度高且 降雨量小，而蒸发量大的自然环境下，它的工程力学性质也存有其独特的特点。 因此，它的工程性质除受到本身矿物成分影响外，更多的是受环境因素的影响 和控制。目前研究环境因素影响土体的工程性质一般都注重单因素上，很少有 学者考虑多重因素交互作用。即使考虑到多重因素，也主要在盐胀研究方面。 但是由于盐类相态在土体中的改变使得含盐土体力学性质比较复杂，它不仅与 土质、密度、含水量等因素有关，而且与地下水的矿化度、温度状况、盐性类 别和含盐量有关。 鉴于以上原因，本论文以格尔木市郊( 察尔汗盐湖边上) 盐渍土为样品， 从研究基本工程性质入手，并研究改变部分环境因素下其抗剪力学性质的变化， 通过方差分析对这些因素进行了敏感性分析，并且通过微观结构分析阐述这些 因素对抗剪强度的作用机理。这不仅可以为该地区建筑设计提供一些参数，对 发展盐渍土地区的工程病害治理也有重要意义。 1 2 国内外研究现状 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在赫渍土的工程特性及考虑环境因素对工程性质影响方面，到目前为止， 国内外都做了大量的研究，取得了不少的研究成果。 原苏联学者h i o n “针对盐渍土冻土做了大量研究，他在无侧限等应变条件 下研究温度、含盐度、未冻含水量对冻土强度的影响，研究表明，盐渍冻土的 强度取决于冰的存在和土颗粒，但土体中存在盐水或冻结水也严重影响到盐渍 冻土的特性。未冻结水的含量受初始孔隙流体盐渍度和温度的影响，未冻含水 量随温度和盐渍度的增加而增加，并导致强度的下降。 国外的一些学者如别兹露克对盐渍土工程性质的研究主要偏重于石膏土和 粘性盐渍土，而我国西北地区盐渍土主要以砂土类或粉质粘土为主。 早在上世纪五十年代铁道部科学研究院的卢肇钧院士对盐渍土的工程性质 进行了研究，取得了许多宝贵的资料，但涉及到考虑环境因素与盐渍土相互作 用影响到土体力学性质的学者还很少。上世纪八十年代，陈肖柏。1 通过对两种重 赫土( 粘土和壤土) 的温度变化过程的物理力学性质的改变进行了研究，提出 了盐胀的不可逆性和盐胀率随降温速率、上覆荷载值、土的初始干密度及土粒 闻的粘聚力的增大而降低，随土的含水量增大而提高等。 铁道第一勘查设计院的工程师以分析西北盐渍土的成因及特点入手，分别 研究了氯盐、硫酸盐、碳酸盐类盐渍土的工程性质“1 。对于氯盐渍土，以氯盐的 物理性质为基础，研究了不同含水量下盐渍砂粘土中含盐量对抗剪强度的影响， 研究表明同一试件在同一含水量条件下，随着含盐量的增加，土体的抗剪强度 下降：但超过一定含盐量时又开始逐渐增大，一直到接近或超过非盐渍土的抗 剪强度。尽管比较系统的分析了含盐量与抗剪强度之间的关系，但不足之处是 考虑的因素单一，没有涉及到含水量及两种因素相互影响方面，同时也没有阐 述该因素对抗剪强度参数的影响机理。 西南交通大学王鹰8 1 教授研究察尔汗含靛地层的力学性质表明，氯盐含盐地 层的含盐量与抗剪强度有密切的关系。在含盐量较小时，由于含枯地层的水分 能够将土体的盐全部溶解，此时含盐地层的抗剪强度低：当含盐量不断增大使 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 得土体中盐溶液达到饱和，盐类从土孔隙溶液中析出成为土骨架的一部分并起 到胶结的作用，从而提高抗剪强度。王鹰教授对察尔汗盐岩的抗压强度和弹性 模量研究指出，盐岩由于具有各向异性，垂直层理和平行层理方向，单轴抗压 强度相差很大，一般垂直于层理方向的单轴抗压强度为后者的1 5 倍，认为当 盐晶颗粒问的粘结力很强时，单轴抗压强度大于5 m p a ，弹性模量大于4 0 0m p a ， 破坏时出现晶内破断的现象。 学者雷华阳、张文殊等“1 以探讨超氯盐渍土的含盐量与工程性质指标问关系 为目的，采用室内土工试验与数学分析相结合的方法，深入研究了含盐量对抗 剪强度的影响，研究表明，超氯盐渍土抗剪强度随含盐量增加而增大。通过大 量的试验，得到了含盐量与粘聚力c 和内摩擦角中之间的回归方程： ( 1 )易溶盐含量d s 与天然状态下直剪试验内聚力c ( k p a ) 之间的关系： c = 2 5 3 d s9 2 6( n = 4 3 r = o 7 4 ) ( 2 ) 易溶赫含量d s 与天然状态下直剪试验内摩擦角巾( 。) 之间的关系： 巾一4 1 3 d s 一1 4 6 2( n = 4 3 r - o 7 9 ) ( 3 ) 易溶盐含量d s 与卤水饱和直剪试验内聚力c ( k p a ) 之间的关系： c = 2 2 5 d s 一1 7 1( n - 4 3 r = o 6 9 ) ( 4 ) 易溶赫含量d s 与卤水饱和直剪试验内摩擦角中( 。) 之间的关系： 中一2 3 0 d s + 1 6 2( n = 4 3 r = o 6 8 ) 原苏联学者对盐渍土抗剪强度的研究结果和我国的学者研究结果一样，都 表明盐渍土中含盐量较小和较大时，其抗剪强度都较大，但是却没有明显指出 界限值。 著名学者方晓阳”1 在上世纪8 0 年代就提出了粒子能场理论并强调了在些 如在土的干湿、胀缩和冻融循环等敏感性生态岩土工程方面的应用。最近兴起 的环境岩土工程认为当前工程地质的理论和方法是根据机械能确定，尽管机械 能对岩土体起着重要的作用，但是这种作用是短期的，随着时间的推移，环境 因素将改变土体颗粒的性质，所以它们能影响土体的工程性质，这种影响是氏 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 期的。 对于研究环境因素中温度影响土体的强度方面，国内外学者都做了很多工 作。原苏联学者h a 崔托维奇”3 对亚粘土和砂土在不同温度下进行了冻结试验， 得到了随温度的降低，冻结强度按照非线性规律增大并逐渐衰减，而且在不同 温度下，砂土和粘性土的强度具有不同的比值。我国学者吴紫江等”3 研究指出， 土体温度低于冻结温度之后，冻结强度是随着温度的降低而升高，它们直接有 着下列的关系： r ，一a + b l t f ” 式中，a ，肺，6 一取决于土的物理性质( 含水量，颗粒大小) 和基础材料性质( 粗 糙度等) 的参数，卜土的负温度，。西南交通大学土木工程学院王春雷3 结合课题对青藏铁路那曲地区赫渍冻土的冻结强度与温度、含水量的关系指出， 当土体含水量一定时，冻结温度对冻结强度有着重要的影响，冻结强度随着冻 结温度的降低而里非线性的增大，且冻结温度由o 。c 时一】o 时，冻结强度变化 十分明显，随着温度的降低，冻结强度的变化开始缓慢，趋于平缓；当含水量 增加时，土体内部的易溶盐逐步减少，盐溶液浓度增大，渗透到土体的孔隙溶 液中去，使得土的冻胀系数减小，土的冻结强度也随之减小。 含水量影响土体强度方面，学者章长江、管枫年”“在研究了土中含水量对 冻土冻结强度影响后指出，当土中含水量大于同温度条件下的未冻含水量时， 冻结强度随着土中含水量增大而升高，但当含水量增大到某个值后，冻结强度 随土中含水量继续增大而降低，最后趋于一个稳定值。作者还提出了在冻结强 度未达到最大值之前可用下式表示冻结强度和含水量之间的关系： r ，一口( w w o ) 式中w 一土体的初始含水量，；w 0 - 一临界含水量，。 对于盐渍土受环境的影响方面，国内也有很多的学者集中在盐胀方面。原 西安公路学院学者费雪良，李斌教授等“2 卜1 通过设计试验，将盐渍土在不同温 度下进行冻融循环试验，研究同一含水量不同干密度条件下硫酸盐渍土的盐胀 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 规律，通过研究表明，硫酸盐渍土的剧烈盐胀区间在+ 1 5 一一5 c 之内，大部分 盐胀在这个范围产生，每组试样在冻融循环时均随着温度的不断降低，盐胀量 不断增加；在升温过程中，随着温度的升高，盐胀量又逐渐减小，但是只能回 落一部分，在下一次冻融循环来到时，盐胀量又继续增加，表现出累加性。 我国学者袁红“”在研究了硫酸盐盐渍土时，考虑了较多的环境因素综合作 用，通过大量的试验数据得到了盐胀率与初始于密度、初始含水量及初始含盐 量的相关关系： y = 7 1 8 2 e 一0 2 一o 1 0 2 x 1 + o 0 3 5 x ；一o 0 4 9 x2 一o 0 6 3 x i + 1 ，4 9 x + 5 3 0 8 x ； 式中：y 为盐胀率：x 为初始干密度( g c m 3 ) ；x 。为初始含水量；x 。为初始含盐 量。 西北盐渍土与滨海盐渍土不同，具有厚度大( 可达2 0 m 以上) ，含盐量高， 渗透性强，遇水后溶陷量大的特点。我国冶金部建筑研究总院徐攸在“”通过对 同一地基土进行天然状态和浸水状态下的荷载试验，提出了盐渍土在天然状态 下承载力高，压缩变形小，可作为一般工业民用建筑地基，遇水后承载力降低， 产生湿陷变形。并且通过微观结构分析了盐渍土产生湿陷变形的原因。 土的微观结构是由其基本单元体构成的，通常称为结构单元体“”。结构单 元体的大小、形状、排列组合方式极其结构连结状况就是土的微观结构。土所 处环境中的任何一个因素发生变化都会引起土体的微结构变化，如颗粒的形状、 颗粒之问的排列方式、连接方式等，从而反映在土体的力学性质上。福9 、1 1 大学 资源工程系学者姚环1 就粘性土的微观结构与其力学性质的关系，微结构一组 份一时间的协同关系及其与粘性土力学性质的关系，组份一微结构力学性质 的协同效应关系的特征和规律等问题进行分析研究，研究指出：天然状态下的 粘性土，微结构类型及特征是控制其力学性质的重要因素；但在扰动重塑或天 然微结构被破坏状态下，粘性土的组份对其力学性质的影响效应是控制性的， 时问是调节或转化粘性土微结构类型及其力学性质之间关系特征的重要隐含因 素；即在一定的环境( 或) 和组份条件下，粘性土的微结构类型、特征和力学性 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 质是时间的线性函数。并指出采用微结构嫡指标对粘性土的微结构要素的总体 协调影响效应进行分析和定量评价研究是一重要的方向和途径。 关于土体的定量评价方面，俄国学者m t o l k a c h e v 及国内学者施斌、李生 林“”“”1 运用s e m 和图像处理系统( v i d e o l a b 分析系统) 连接起来进行分析，进 而获得微观结构单元特征和空间排列的定量信息。经计算机图像处理系统处理 后的定量描述数据和图表。国内学者王清、王凤艳、肖树芳等“2 卜”都同样在s e m 图像的定量评价方面做了很多的工作。 灵敏度分析是应用灵敏度分析原理找出影响结果的众多因素中最敏感因 素，即主要因素。这种分析除在粘性土中有研究较多以外，在边坡的稳定性中 研究也很多，从边坡稳定敏感性分析的相关文献可以看出其研究重点为岩石边 坡；对盐渍土，目前国内的研究主要集中在分析含盐量、含水量对盐胀的影响， 以西安公路交通大学学者高江平“”叫硼为代表，通过试验研究，提出了硫酸盐 渍土鼎胀率随含水量、氯化钠含量、硫酸钠含量、初始干容重和上覆荷载等五 因素变化的计算公式，分析了盐渍土盐胀率的单因素作用规律，并指出盐胀率 与各影响因素之间均呈二次抛物线规律，并就影响盐胀方面的因素进行了双因 素分析。但对抗剪墙度参数的影响还很少有报道。 1 3 研究思路 为了得到论文所考虑的环境因素中控制盐渍土抗剪强度参数的敏感因素及 研究的各因素与强度参数间的相互作用规律；研究盐渍土在冻融循环下的抗剪 参数变化规律以及其微结构的变化；根据所测得的数据，通过方差分析确定这 些因素对抗剪强度的敏感性。因此，本课题必须以试验为依托，在试验基础之 上加以理论分析。 由此，本论文的研究思路是： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 l 文献阅读及资料收集 试验场地选取 l j 试验场地i 程地质条件 场地土样采集 i 。 上 l 上上 常规土工试验冻融循环试班 地地气 上 理形候 l l l 上l 上 、 位地特 置貌征 颗天击易直盐各次 粒然实溶剪胀循环 i 弋弋 分含试 士h 试性 后直 析水验分验试剪试 奎 析验验 tt 一一t i 。 ， 上 i 理论分析 j llj l 影微灵 响观敏 机结度 王单 构分 分分析 析析 - 。_ _ 。- 。 弋t i 结论 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 4 本论文研究的主要内容 从国内外对盐渍土的研究来看，主要针对单一环境因素对盐渍土赫胀性的 影响较多，对抗剪强度参数影响方面仅有少量的研究成果，但都没有系统的对 各因素的影响机理加以阐述，同时也没有考虑到寻找影响因素中最敏感性因素。 因此，本课题在这种背景下产生，得到了地质灾害防治与地质环境保护国家专 业实验室开放基金资助。 本课题研究主要以青海省格尔木市郊的含盐粉质粘土( 取地表以下0 3 m ) 为试样：通过差热分析、易溶盐测定等试验手段分析土体中的矿物成分和离子 成分并取地下水做矿化度分析：在不同物理化学条件下( 改变盐渍土的环境) 利用土工试验测试该含盐粉质粘土的强度参数，寻求抗剪强度参数的变化规律； 在野外调查和室内分析的基础上，通过热力学数据的收集和含盐地层与盐类处 分相互作用的热力学机理分析：分析含盐地层一盐类矿物一水分体系的相互作 用的机理。本论文的研究内容仅为课题研究内容的一部分，主要侧重于研究不 同含水量、温度、盐类条件下对所取土样的抗剪强度影响：测试冻融循环下土 样的抗剪规律，同时利用扫描电镜对冻融循环下土样的微结构分析。 1 5 主要工作及时间安排 ( 1 ) 2 0 0 4 年l o 月一2 0 0 4 年1 2 月，在已有现场资料的基础上再收集资料， 如格尔木地区的气候资料、地理资料等；并到现场采集样品。 ( 2 ) 2 0 0 4 年1 2 月一2 0 0 5 年4 月，在课题以往试验的基础上进行土工试验， 如改变环境因素下的剪切试验，完成冻融循环下的剪切试验和微观结构 扫描试验，做好数据整理分析。 ( 3 ) 2 0 0 5 年5 月一2 0 0 5 年l o 月，完善并完成论文的试验研究工作，完成数 据分析工作，形成论文。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章格尔木地区盐渍土的基本工程性质室内试验 研究 盐渍土“”是指地表以下l m 阻内，易溶盐含量大于0 5 的士。盐渍土按照 地理位置的不同可以分为滨海盐渍士、冲积平原类型f 勺盐渍土及内陆盐渍土， 它们各自的形成成因及含盐类别都存在很大的差异。对于滨海盐渍士十层上下 台赫量差异小，盐分以氯盐为主；冲积平原类型的盐渍土由于形成的气候条件 及土体中矿化物不同，在含盐类别和含盐程度上都存在很大的差别，而内陆盐 渍土如西北盐渍土因气候的独特性土体表面出现明显的盐结晶。本章首先介绍 西北盐渍土的形成条件和格尔木地区的自然地理条件，然后通过室内试验测试 土体的一些工程性质。 2 1 西北盐渍土的形成条件 盐渍土的生成、发展与演变，是所在的地区自然条件( 地形、地质、水文 地质、气候等) 综合作用的产物。人类的活动也有着较大的影响。其中气候条 件是引起士质特渍化的主要井在因数，内在因素则是易溶盐的存在并通过地 形、土质、水文、水文地质等条件发生迁移和积聚。 西北地区属于荒漠生态环境，由于酶乏降水的淋浴作用，土中积累的易溶 盐较其它区域多；加上强烈的蒸发，不仅地表水蒸发浓缩，同时矿化的地下水 借助毛细作用上升到地表，所以盐渍化就成为西北地区的普遍而突出的特点。 西北地区绝大多数的内陆河、河流所携带的盐分均汇聚于下游低洼处，成为盐 沼或盐湖。地下径流与盆地低洼处接近地表，导致水分持续大量蒸发，因此， 各个盆地斜坡的中部或中下部都是盐渍土的分布地带，是水、热不平衡造成盐 水不平衡的结果。 2 1 1 西北盐渍土的形成的气候条件 我国西北深居内陆腹地，四周又有高山阻挡，来自海洋的潮湿气流很少能 我国西北深居内陆腹地，四周又有高r u 阻挡，来自海洋的潮湿气流很少能 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章格尔木地区盐渍土的基本工程性质室内试验 研究 盐渍土”1 1 是指地表以下1 m 以内，易溶盐含量大于0 5 的土。盐渍土按照 地理位置的不同可以分为滨海盐渍土、冲积平原类型的盐渍土及内陆盐渍土， 它们各自的形成成因及含赫类别都存在很大的差异。对于滨海盐渍土土层上下 含盐量差异小，盐分以氯盐为主；冲积平原类型的盐渍土由于形成的气候条件 及土体中矿化物不同，在含盐类别和含盐程度上都存在很大的差别，而内陆盐 渍土如西北盐渍土因气候的独特性土体表面出现明显的盐结晶。本章首先介绍 西北盐渍土的形成条件和格尔木地区的自然地理条件，然后通过室内试验测试 土体的一些工程性质。 2 1 西北盐渍土的形成条件 盐渍土的生成、发展与演变，是所在的地区自然条件( 地形、地质、水文 地质、气候等) 综合作用的产物。人类的活动也有着较大的影响。其中气候条 件是引起土质盐渍化的主要外在因数，内在因素则是易溶盐的存在，并通过地 形、土质、水文、水文地质等条件发生迁移和积聚。 西北地区属于荒漠生态环境，由于缺乏降水的淋浴作用，土中积累的易溶 盐较其它区域多；加上强烈的蒸发，不仅地表水蒸发浓缩，同时矿化的地下水 借助毛细作用上升到地表，所以盐渍化就成为西北地区的普遍而突出的特点。 西北地区绝大多数的内陆河、河流所携带的盐分均汇聚于下游低洼处，成为盐 沼或赫湖。地下径流与盆地低洼处接近地表，导致水分持续大量蒸发，因此， 各个笳地斜坡的中部或中下部都是盐渍土的分布地带，是水、热不平衡造成盐 水不平衡的结果。 2 1 1 西北盐渍土的形成的气候条件 我国西北深居内陆腹地，四周又有高山阻挡，来自海洋的潮湿气流很少能 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 够到达，故具有强烈的大陆性气候特点，降水稀少，蒸发量大，气温变化剧烈， 成为我国最干旱的地区。 ( 1 ) 、降水稀少，蒸发量大：本地区除北疆和高大山地之外，年降水量均在 2 0 0 r a m 以下，局部地区如河西走廊西部地区不足3 0 r a m ，但蒸发量极大，竟达 3 0 0 0 m m 以上，干燥度也高达8 0 m m 左右，相对湿度只有4 0 左右。极端干旱的气 候条件有利于盐分在土层中积聚。 ( 2 ) 、气温变幅大：本地区夏季酷热，冬季严寒，年较差、日较差都很大。 如据气象资料统计，年均气温4 3 c ，极端高温3 5 ，以察尔汗、格尔木为热 中心；极端最低温一3 3 6 。c ，以格尔木为冷中心，最冷月( 1 月) 平均气温- 2 2 3 ，最热月( 7 月) 平均气温2 4 9 。c 。剧烈的气温变化，不仅加速盐类的运移， 同时改变着赫类的熔点和冰点，影响土的工程性质。如硫酸盐渍土，随着温度 变化而发生相态的转变破坏着土的结构。 ( 3 ) 、风大、风多：由于西北地区有很大的风，所以使得地表蒸发和植物蒸 腾作用加剧，盐渍化临界深度加深，地下水矿化度间接增大。 2 1 2 西北盐渍土的形成的地貌、水文地质条件 地貌对干旱气候条件下盐渍土的形成有着深刻的影响。从大的地貌类型看， 我国西北盐渍土大部分在群山环抱的内陆盆地中。这些盆地多为封闭、半封闭 型，而且绝大数河流为内陆河流，与地下水一起溶解周围山区的易溶盐分，并 携带至盆地低洼处积聚沉积下来。从次一级地貌单元看，盐渍土只发育在河流 三角洲、河漫滩、低级阶地、滨湖平原及山前洪积、冲积平原上。其中尤以盐 湖周围积盐过程最强烈，滨湖盐壳分布广泛分布。如察尔汗盐湖南岸有宽达数 十公里的超氯盐渍土，地下水埋藏很浅，矿化度高大3 0 0 9 l ，并且具有良好毛 细水作用的细粒土层，如粘砂土、粉细砂等，气候极端干旱，地表积盐严重。 由于不同地貌单元直接影响到地下水的埋藏深度、矿化度以及矿化类型， 因此地形对盐分有重新分配的作用。柴达木盆地南缘盐渍土水平分带示意图“1 见( 图2 - 1 ) ，格尔木地区位于湖积平原区。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 1柴达木盆地南缘盐渍土水平分带示意图 2 2 土样的自然地理条件 孩土样取自格尔木西宁公路收费站前面2 k m ，距线路右侧l o o m 处，与 格尔木市中心大约1 0 k m ，位于察尔汗盐湖边上。该地区地势乎坦，地表有少量 的生长较浅的杂草，地表有明显盐结晶和坚硬的盐壳( 见图2 2 、2 3 ) 。该地区 格尔木属典型的高原大陆性气候，海拔2 8 0 0 米，年平均降雨量在2 3 6 6 8 0m 之间，年均蒸发量为2 3 8 6 - - 2 9 2 7 7 m m ，年平均湿度2 3 。极端最高气温3 5 5 。c ， 极端最低温度一2 8 4 。c ，曰温差在2 0 以上。 图2 - 2 地表明显的积盐 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 - 3 地表坚硬的盐壳 2 3 土样的基本物理力学性质 2 3 1 天然含水率 土中含水量的多少对土体的物理力学性质都有很大的影响，特别是对于含 盐地层，因为土体中水的多少直接影响到盐的相态变化，从而直接影响到土体 的强度和盐胀等，这些都将在后面的各章节详细的讨论，这里就不细述了。 本次试验仪器和步骤均按照g b t 5 0 1 2 3 - - 1 9 9 9 土工试验方法标准，测 得试样的天然含水率为8 3 。数据如表2 1 所示： 表2 一l 天然含水量试验 2 3 2 击实试验 击实试验是研究图的压实性能的室内试验方法。击实是指对土瞬时地重复 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 施加一定的机械功能使土体变密的过程。在击实过程中，由于击实功是瞬时的 作用于土，土中气体有所排出，使得土体体积减小，土中孔隙减小，而土中含 水量则基本不变。当土体达到最大干密度时，反映土体中孔隙最小，土颗粒达 到了最佳的团聚条件，这时土体密度便能保证水分迁移处于最有利条件。由于 影响盐渍土的抗剪强度参数的环境因素很多，故本论文对盐渍土的干密度均采 用最优干密度，然后再改变其他的条件进行测试。 为确定最优干密度，本试验选用g b 7 9 6 0 8 7 击实仪，按照g b t 5 0 1 2 3 一1 9 9 9 土工试验方法标准。根据试验测得土样的最优干密度为1 _ 7 4 9 c m 3 ，试验数 据及结果如表2 2 ，图2 3 所示： 表2 - 2 击实试验数据 当含水量较小时，土样以颗粒接触为主，由于颗粒形状等的不规则，要使 颗粒更紧密接触，必须克服颗粒之间较大的摩擦阻力，在相同的外力功作用下， 其压实效果将受到影响，因而最大干密度相对较小。随着含水量适当增加，水 可以起到润滑颗粒表面的作用，在同样的外力功作用下，颗粒问较易发生相对 运动，颗粒间易于达到紧密接触，因此，密实度增加。但随着含水量的继续增 大，水逐渐将颗粒包围，颗粒被自由水所分割，同时会在颗粒周围形成结合水 膜，增大了孔隙水压力，当外力作用于体系时，即遭到体系内孔隙水压力的反 作用。在试验中发现，当含水量超过1 5 5 6 时，即出现此类现象，因此干密度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 反而减小。 17 5 1 7 0 e 鼍16 5 、 蜊1 6 0 稍 h 一15 5 15 0 4 5 14 0 12131 41516 含水率 图2 4 击实曲线 最大干密度= 1 7 4 9 c 最优含水量= 1 5 5 6 2 3 3 颗粒分析 土是由各种大小和形状不同的颗粒组成，因此土颗粒的大小是描述土的最 直观和最简单的标准，目前常用的颗粒分析方法有：筛分法和沉降分析法。工 程上常把大小相近的土粒合并为组，称为粒组。“。 土的颗粒大小和各种粒组所占的比例与土的物理力学性质是有一定关系 的。通过试验测试土的颗粒大小，根据颗粒大小进行土的定名，还可以概略的 判断土的透水性、塑性和收缩膨胀性等物理力学性质。论文根据按照g b t 5 0 1 2 3 一1 9 9 9 土工试验方法标准要求对土样采用沉降分析法，同时测定了土的颗 粒比重，试验结果如表2 3 ： 颗粒分析结果显示，所取的土样为颗粒较细的粉质粘土，颗粒粒径基本小 于2 m m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 3 4 抗剪强度 土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。当土中 某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度，土体内发生了移动，便认为该 点发生了剪切破坏。通过抗剪强度试验可以得到土的粘聚力c 和内摩擦角由， 它是设计和施工中重要的指标。本试验采用g b 4 7 6 0 2 6 型应变式直剪仪，依照 g b t 5 0 1 2 3 1 9 9 9 土工试验方法标准要求进行，具体试验的结果见各章所示。 2 3 5 易溶盐分析 一般来说土体中或多或少的含有不同含量的盐分，包括难溶性盐易溶性 盐。对于难溶赫和中溶性盐一般都以颗粒的形式存在与土体中，不会发生相态 的改变，而易溶盐由于在不同的环境条件下有不同的溶解度，所以其在土体中 的表现形式不同，从而影响到土体的强度性质。 盐渍土的分类中以含盐类别划分时分为：氯盐盐渍土、硫酸盐盐渍土和碳 酸盐盐渍土三类，具体分类时现行规范主要依据c 1 一s 0 4 2 - 的比值来确定。因此测 定土中易溶盐的离子多少显得很重要，因为通过离子的多少可以判断土体中主 要含的易溶盐黼类，同时可以粗略的了解到土体的性质。如氯盐盐渍土一般遇 水容易产生淋浴现象；而硫酸盐盐渍土和碳酸盐渍土容易结晶膨胀使得土体变 形松胀。 本试验主要采用容量法测易溶盐含量和p h 一3 c 型仪器测p h 值，操作步骤按 g b t 5 0 1 2 3 1 9 9 9 土工试验方法标准要求进行，试验的结果如表2 - 4 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 表2 - 4 易溶盐分析试验 送样分析结果( ) 编号 p h c o 。 h c 0 3 一c 1 s o 。2 一c 矿 m g ” n a + + k + 格尔木8 6 1 0 0 2 40 1 0 63 3 3 31 0 5 40 4 8 50 4 1 01 9 4 7 盐渍土 全盐量 7 3 6 盐渍土的分类中，目前沿用的是将土中阴离子：氯根( c l 一) 、硫酸根( s o , 2 一) 、 碳酸根( c o 。2 。) 、重碳酸根( h c o ) 的含量比值，作为盐渍土的分类指标。试验 得到的c l 一s o 。”= 3 1 6 2 ，根据规范当c 1 一s o , - 2 时该土可定名为氯盐渍土，故 本次试验所取土样为含氯盐的粉质粘土。 2 4 土体盐胀性试验 盐渍土的盐胀性是指土体失水或因温度降低使得溶解度降低导致的盐结晶 膨胀。因此，路基等地基土盐胀的形成，是土体内硫酸钠迁移聚积、结晶体胀 和土体膨胀3 个过程的综合结果，是由于土体中的硫酸钠在外界条件变化时吸 水结晶而产生体积膨胀。根据研究“3 ，易溶盐的性质如表2 5 。本文通过室内模 拟试验，研究了含氯盐和硫酸盐盐渍土的盐胀受温度影响的规律和分析了影响 盐胀的部分规律。 表2 5 不同易溶盐的性质 盐类名称基本性质 氯盐 硫酸盐 碳酸盐 溶解度大，有明显的吸湿性；从溶液中析出时，体积不发生变化； 能使冰点显著降低。 没有吸湿性，但再结晶时有结合一定数量水分子的能力；硫酸钠 从溶液中沉淀重结晶时，可结合l o 个水分子形成芒硝( n a 2 sn 1 0 地0 ) 并且体积增大；硫酸镁结晶时结合7 个水分子体积增大。 水溶液有较大的碱性，能够分散粘土胶体颗粒。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 4 1 试验研究 2 4 1 1 试验设备及方案 试验冷源由高精度的l t 一5 0 型低温循环浴提供。环境