[实用新型]粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置

说明书

技术领域

本实用新型属于道路铺筑试验设备技术领域，具体涉及一种粗颗粒盐渍土盐胀和溶陷多功能试验装置。

背景技术

盐渍土是盐土和碱土以及各种盐化、碱化土壤的总称。全世界盐渍土面积约为897.0万平方公里，约占世界陆地总面积的6.5％，占干旱区总面积的39％。中国盐渍土面积约有20多万平方公里，约占国土总面积的2.1％。盐渍土主要分布在我国内陆干旱、半干旱地区，滨海地区也有分布。随着我国“一带一路”的不断推进和高铁技术的走出国门，不可避免的需要在盐渍土地区铺筑公路路基和铁路路基。在盐渍土地区铺筑公路路基和铁路路基时，为了避免因长距离运土而提高工程造价，铺筑路基时需要把当地大量的盐渍土作为路基填料来使用。作为路基填料的盐渍土内部不免含有大量的易溶盐，比如硫酸钠、硫酸镁、碳酸钠和氯化钠等。其中，硫酸钠在水中的溶解度随温度变化很大。在北方的寒冷季节，自然环境温度变低，路基的温度也会随之变低；待到来年春天时，自然环境温度升高，路基的温度也会随之升高。在某些日温差很大的地方，也会产生类似的情况。由于盐渍土内部所含有的硫酸钠的溶解度随温度变化比较大：溶液温度为30℃时，硫酸钠在水中的溶解度约为40.8g；溶液温度为0℃时，硫酸钠在水中的溶解度仅约为4.9g。所以，在路基温度降低时，盐渍土含有的硫酸钠会因为溶解度降低而结合水分子析出，生成芒硝。当土体内部形成大量的芒硝时，便会造成路基填土体积膨胀即盐胀现象。当温度升高时，芒硝又会因为自身自由能变大而融解，化作硫酸钠重新溶解于水中。这种冻融作用会破坏土颗粒原有的接触粘结方式，使路基填土内部形成大量的孔隙而变得疏松。在上覆荷载作用下，路基便会发生不均匀变形，使路面产生凹凸变形甚至呈波浪状、局部鼓包、路面裂缝等现象，严重影响到交通运输安全。同时，随着大量地表水入渗，土中的盐分和一些很小的土颗粒会随着入渗的水进入地下水。这样会使原本密实的路基中产生许多的孔隙，降低其强度，出现许多的溶陷孔洞，发生溶陷现象，还会出现翻浆等病害，严重影响到交通运输安全。但是，在某些特定的情况下，盐渍土路基的盐胀率和溶陷率很小，并不会出现以上所述的道路病害，不会对交通运输安全造成任何的影响。比如，当路基填料盐渍土的易溶盐含量比较小或者所含易溶盐种类对道路灾害无贡献作用的时候；在路基内部设置有效隔断层的时候；盐渍土通过化学试剂改良后再作为路基填料；在路基的含水率不大且无明显变化的时候；在路基内部设置一定厚度保温层的时候等特定情况。所以，在盐渍土路基铺筑之前需要对盐渍土填料进行易溶盐含量测试，并测试其在不同工况下的盐胀率、溶陷率以及毛细水上升高度等参数。根据目前的盐渍土盐胀和溶陷机制，发现盐胀和溶陷的核心是水分和盐分在盐渍土路基内部的不断迁移，即盐分和水分不断地从非盐胀区域往盐胀区迁移，从而使路基盐胀的体积远远超过理论计算值。同时盐渍土的盐胀具有累积性和不可逆性，即每次路基内部的芒硝融化时，都会残留部分芒硝，日积月累，便会形成含盐量极大的盐分富集层。而当盐分富集层遭遇大量入渗的地下水时，便会发生剧烈的体积膨胀，会造成路基膨胀路面开裂。因此，我们需要通过利用复杂的试验装置研究盐分富集层形成的时间点即在几个冻融循环周期之后形成，以及盐分富集层对路基的影响，同时还需要测试开放系统下不同工况下盐渍土路基盐胀率和溶陷率。比如，为了隔断水盐在路基内部的迁移，工程上往往设置隔断层。但是目前工程上设置隔断层还靠的是一些经验，并没有形成系统的理论，也没有相应的试验设备来验证隔断层设置的合理性。因此，无论是工程上还是室内试验都需要一个能够验证隔断层设置的合理性的试验设备。同时，工程上有时也会通过在盐渍土路基上部设置一定厚度的保温材料，使保温层下面的盐渍土路基的温度基本稳定，所含盐的溶解度基本不变，从而不会发生盐胀。与隔断层设置情况类似，工程上需要一个大型的试验设备提供可靠的试验数据来验证保温层设置的合理性。而以往的盐渍土试验设备尺寸小，大都针对的是细颗粒盐渍土。即便针对的是粗颗粒盐渍土，以往的盐渍土试验设备也是一个封闭系统，忽略了毛细水和降雨对盐渍土路基盐胀和溶陷的贡献作用，忽略了水盐迁移机制对盐渍土盐胀和溶陷的影响，不适合测试自然条件下的粗颗粒盐渍土盐胀率和溶陷率，与实际情况差别较大，并且以往的试验仪器没有办法直接测试冻融循环后的溶陷变形以及毛细水对溶陷的影响。以往的盐渍土试验设备主要是小尺寸、在高低温试验箱中进行。试验主体装置采用固结仪，固结仪内装有经过击实的盐渍土土样，冻融循环通过高低温试验箱来控制。这种设备存在较多缺点：盐渍土土样较小；不能监测冻融循环过程中不同深度土样温度变化、含水率的变化；不能实现一维传温；不能测定冻融循环后土体强度变化规律；试验设备是一个封闭系统，忽略了地下水的毛细补给作用；无法进行冻融循环后的溶陷试验等。所以，利用以往的试验设备得到的试验结果对工程建设的参考价值有限。