CN108693333B - 一种确定粗颗粒硫酸钠盐渍土盐胀系数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工程地质技术领域，公开了一种确定粗颗粒硫酸钠盐渍土盐胀系数的方法，包括以下步骤：S01：采集粗颗粒硫酸钠盐渍土区域土壤样本的粒径分布数据、含水量、硫酸钠质量含量和地温数据；S02：根据步骤S01中粒径分布数据计算该区域土壤样本的级配粒径指标；S03：根据步骤S02中土壤样本的级配粒径指标、步骤S01中硫酸钠含量数据和含水量数据计算土壤样本的盐胀系数。本发明通过将不同级配粒径指标、硫酸钠含量、地温和含水率的土样进行二次正交回归试验，得出粗颗粒硫酸钠盐渍土盐胀系数的确定方法，并得出土样的盐胀系数预测值，达到了为铁路设计提供简易的盐渍土盐胀系数判别方式、并降低成本的目的。因此，适合推广使用。

Description

一种确定粗颗粒硫酸钠盐渍土盐胀系数的方法
技术领域
本发明属于工程地质技术领域，具体涉及一种确定粗颗粒硫酸钠盐渍土盐胀系数的方法。
背景技术
盐渍土分布北美的加拿大，美国南美的阿根廷、巴西、秘鲁等11个国家；非洲的阿尔及利亚，尼日利亚等33个国家和地区；亚洲的中国、印度、巴基斯坦、伊朗等29个国家和地区；澳洲的澳大利亚；欧洲的法国等10个国家。世界盐渍土面积约897.0万平方公里,约占世界陆地总面积的6.5％。
工程中，一般把易溶盐大于或等于0.3％且小于20％且具有溶陷或盐胀特性的土定义为盐渍土，一般认为是岩石在风化作用下，水流将土体中易溶盐溶解后，随水渗透到地下水中，然后在土体孔隙的毛细作用下上升至地层表面或表层附近，经蒸发后水中易溶盐与土中水结晶析出滞留在地层表面而形成的。
目前对盐渍土盐胀机理的研究，只考虑了硫酸钠含量、含水量、土体温度及压实度对粗颗粒盐渍土盐胀量的影响，且压实度对盐胀影响并不显著。并未考虑盐渍土自身构造特征及硫酸钠含量、含水量、温度等其他相关因素共同作用条件下对盐胀特性的影响。也没有一个硫酸钠盐渍土盐胀系数确定方式及其最不利条件下的盐胀系数确定方式，为高速铁路设计提供一个简便易行的判别方法，因此本领域急需提出解决方案。
发明内容
本发明目的在于提供一种确定粗颗粒硫酸钠盐渍土盐胀系数的方法，旨在解决实现对硫酸钠盐渍土盐胀系数的预测，为高速铁路设计提供一个简便易行的判别方法，降低设计成本。
本发明所采用的技术方案为：
一种确定粗颗粒硫酸钠盐渍土盐胀系数的方法，具体包括以下步骤：
S01：采集粗颗粒硫酸钠盐渍土区域土壤样本的粒径分布数据、含水量、硫酸钠质量含量和地温数据；
S02：根据步骤S01中粒径分布数据计算该区域土壤样本的级配粒径指标；
S03：根据步骤S02中土壤样本的级配粒径指标、步骤S01中硫酸钠含量数据和含水量数据计算土壤样本的盐胀系数。
采集粗颗粒硫酸钠盐渍土区域土壤样本，通过筛分的方法确定盐渍土级配分布曲线。盐渍土中的含盐量采用重量法或者电导法测定。采集原状土，根据击实试验测定其最佳含水率。通过户外测量或者查询当地气象信息才确定温度。
进一步的，级配粒径指标等于A与B的比值，A为土壤样本中粒径d＞5mm 的粗颗粒硫酸钠质量含量百分比，B为土壤样本中粒径d＜5mm的粗颗粒硫酸钠质量含量百分比，所述步骤S02中级配粒径指标即为粗颗粒硫酸钠中级配粗、细料比。
再进一步，所述的级配粒径指标包括五个优选值，优选值分别为0.25、 0.429、1、2.33和4。
再进一步，所述步骤S03根据下列方式计算盐胀系数：
Figure BDA0001696231910000021
Figure BDA0001696231910000031
Figure BDA0001696231910000041
其中：x1为硫酸钠的质量含量(％)，x2为含水率(％)，Y为盐胀系数。
若地温数值在-10～-5℃、-5～0℃、0～5℃，则对应的盐胀系数根据该地温数值所在的温度范围，采用内插法确定。
进一步的，地温数据中包含最不利温度条件，含水量数据中包括最不利含水率条件，在最不利温度条件和最不利含水率条件下，按照下述方式确定盐胀系数：
Figure BDA0001696231910000042
其中：X为硫酸钠的质量含量(％)，Y为盐胀系数。
当级配粒径指标为优选值时，直接将硫酸钠的质量含量带入计算式求取盐胀系数。
再进一步，为了确定更大范围级配粒径指标对应的盐胀系数，若级配粒径指标属于0.25～0.429、0.429～1、1～2.33、2.33～4，则对应的盐胀系数根据该级配粒径指标所在指标范围，采用内插法确定得出。一般情况采用线性内插的方式确定。
本发明的有益效果为：
本发明通过将不同级配粒径指标、硫酸钠含量、地温和含水率的土样进行二次正交回归试验，得出粗颗粒硫酸钠盐渍土盐胀系数的确定方法，并得出土样的盐胀系数预测值，达到了为铁路设计提供简易的盐渍土盐胀系数判别方式、并降低成本的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
图1是本发明实施例所述的硫酸钠盐渍土区域硫酸钠盐渍土盐胀系数计算方法的流程图。
图2是本发明所述的粗颗粒盐渍土二次正交回归试验设计因素水平表。
图3是本发明所述的粗颗粒盐渍土在最不利温度和最优含水率条件下的盐胀系数图。
图4是伊朗德黑兰至伊斯法罕地区粗颗粒盐渍土盐胀系数计算值与实测值的比较。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
实施例：
如图1～图4所示，本实施例公开了一种确定粗颗粒硫酸钠盐渍土盐胀系数的方法，具体包括以下步骤：
S01：采集粗颗粒硫酸钠盐渍土区域土壤样本的粒径分布数据、含水量、硫酸钠质量含量和地温数据；
S02：根据步骤S01中粒径分布数据计算该区域土壤样本的级配粒径指标；
S03：根据步骤S02中土壤样本的级配粒径指标、步骤S01中硫酸钠含量数据和含水量数据计算土壤样本的盐胀系数。
级配粒径指标等于A与B的比值，A为土壤样本中粒径d＞5mm的粗颗粒硫酸钠质量含量百分比，B为土壤样本中粒径d＜5mm的粗颗粒硫酸钠质量含量百分比，所述步骤S02中级配粒径指标即为粗颗粒硫酸钠中级配粗、细料比。
本方法中确定盐胀系数主要考虑四个因素，级配类型、硫酸钠含量、含水率和地温，含水率通过含水量确定，地温通过检测确定。级配类型采用级配粒径指标表示，由于不能用连续数字表示所有的级配类型，所以给定五种级配类型，对应五个级配粒径指标的优选值，分五种工况确定计算式。
所述的级配粒径指标包括五个优选值，优选值分别为0.25、0.429、1、2.33 和4。
为了更好的保证判别公式的精确度，在每种级配类型下，以温度为基准，又分4种温度情况，即在每种级配类型下，只考虑硫酸钠含量和含水率变化作用，有4种不同温度情况下的盐胀特性判别方式。
为了在因素的试验范围内选择适当的试验点，用较少的试验建立一个统计性质好的方程，所以采用二次正交回归试验，进而为实际工程提供简单的判别标准。
所述步骤S03中根据下列方式计算盐胀系数：
Figure BDA0001696231910000061
Figure BDA0001696231910000071
Figure BDA0001696231910000081
其中：x1为硫酸钠的质量含量(％)，x2为含水率(％)，Y为盐胀系数。
若地温数值在-10～-5℃、-5～0℃、0～5℃，则对应的盐胀系数根据该地温数值所在的温度范围，采用内插法确定。
地温数据中包含最不利温度条件，含水量数据中包括最不利含水率条件，在最不利温度条件和最不利含水率条件下，按照下述方式确定盐胀系数：
Figure BDA0001696231910000082
其中：X为硫酸钠的质量含量(％)，Y为盐胀系数。
当级配粒径指标为优选值时，直接将硫酸钠的质量含量带入计算式求取盐胀系数。为了确定更大范围级配粒径指标对应的盐胀系数，对于所计算的土样没有对应的已知级配粒径指标时，将土样的级配粒径指标通过内插的方法计算出要求的盐胀系数。若级配粒径指标属于0.25～0.429、0.429～1、1～2.33、 2.33～4，则对应的盐胀系数根据该级配粒径指标所在指标范围进行确定得出，一般情况采用线性内插的方式确定。
此处列举实例说明本方法的具体应用：
表1给出了粗颗粒粒径分布、温度-2℃、硫酸钠含量3％、含水率14％的土壤样本数据，现计算该条件下的盐胀系数。由于级配粒径指标和温度分段表示了，所以需要内插求解其他值，而硫酸钠含量和含水率直接带入本发明计算。
表1粗颗粒粒径大小分布表
Figure BDA0001696231910000091
第一步，根据表1中数据计算级配粒径指标：
Figure BDA0001696231910000092
A为粗颗粒粒径d＞5mm的粗颗粒硫酸钠质量含量百分比；
B为土壤样本中粒径d＜5mm的粗颗粒硫酸钠质量含量百分比。
第二步，根据级配粒径指标找到对应的级配类型：级配粒径指标为0.54，由于0.54在1与0.429之间，所以选择级配类型3(级配粒径指标为1)和级配类型4(级配粒径指标为0.429)作为界限级配类型，求解盐胀系数，作为界值盐胀系数。
第三步，确定界限盐胀系数：由于温度为-2℃，在0℃与-5℃之间。所以确定级配类型3(级配粒径指标为1)在该条件下的盐胀系数选择的方式为：
Y＝-0.0000853+0.00496348x1+0.00007393x2+0.00000387x1x2
-0.0002461x1 2-0.0000023x2 2
Y＝0.00012552+0.0070455x1+0.00009527x2+0.00000129x1x2
-0.0005261x1 2-0.0000029x2 2
得0℃时Y＝0.132％，-5℃时Y＝0.16％，内插得-2℃时Y＝0.1432％。
确定级配类型4(级配粒径指标为0.429)在该条件下的盐胀系数选择的方式为：
Y＝0.00028079+0.00582981x1+0.00010979x2-0.0000026x1x2
-0.000044x1 2-0.0000022x2 2
Y＝0.00068862+0.0081181x1+0.00009058x2+0.00000129x1x2
-0.0003585x1 2-0.0000017x2 2
得0℃时Y＝0.196％，-5℃时Y＝0.248％，内插得-2℃时Y＝0.217％
根据上文计算可知级配粒径指标为1时Y＝0.1432％，级配粒径指标为0.429 时Y＝0.217％。而资料中给出的盐渍土级配粒径指标为0.54。则设y＝ax+b为此三点确定的盐胀系数y与级配粒径指标x的方程，则：
Figure BDA0001696231910000101
带入的b＝0.272
即y＝-0.129x+0.272
则x＝0.54带入求得y＝0.203％。
根据内插法得粗颗粒、温度-2℃、硫酸钠含量3％、含水率14％的盐胀系数为Y＝0.203％。
细颗粒为统一级配，所以只需要考虑温度的内插即可，方法同粗颗粒。
为了验证本发明的工程实用性及准确度，选取所有伊朗德黑兰至伊斯法罕高速铁路项目现场取样粗颗粒及细颗粒盐渍土的室内盐胀系数测试值进行对比分析，验证本研究所获方法的工程实用性。DK77+300、DK78+900试验点位盐渍土取样为粗颗粒盐渍土，经颗粒筛分试验分别获得其颗粒粒径指标，DZ-96-03、 DZ-90-00A为细颗粒盐渍土，其余指标可由前期基本土工试验获得，DK77+300、 DK78+900、DZ-96-03、DZ-90-00A点位盐渍土的试验参数如表2所示。
表2各点位盐渍土试验参数
Figure BDA0001696231910000102
Figure BDA0001696231910000111
上表所述盐胀系数基于德伊高铁德库段沿线秋冬季节交替时期昼夜温差较大的工况下测得，选取当地11月极端最低气温-7℃进行计算。该两点位粗颗粒盐渍土的粒径指标在0.25-0.429之间，温度区间在-5℃至-10℃，因此分别选取粒径指标0.25在-5℃至-10℃对应的计算式，粒径指标0.429在-5℃至-10℃对应的计算式，按算例的方法进行计算，细颗粒盐渍土因不考虑粒径指标，所以只需要考虑温度得内插即可，方法同粗颗粒。
表3各点位粗颗粒盐渍土盐胀系数对照表
Figure BDA0001696231910000112
可见，利用本方法确定的盐胀系数误差在5％以内，且计算值较实测值偏大，安全系数在1.04-1.05范围内，在一定程度上保证了工厂建设的安全性。结果证明本方法获得的盐渍土的盐胀系数的工程使用性较好。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (4)

1.一种确定粗颗粒硫酸钠盐渍土盐胀系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：采集粗颗粒硫酸钠盐渍土区域土壤样本的粒径分布数据、含水量、硫酸钠质量含量和地温数据；
S02：根据步骤S01中粒径分布数据计算该区域土壤样本的级配粒径指标；
S03：根据步骤S02中土壤样本的级配粒径指标、步骤S01中硫酸钠含量数据和含水量数据计算土壤样本的盐胀系数；
所述步骤S02中的级配粒径指标等于A与B的比值，A为土壤样本中粒径d＞5mm的粗颗粒土粒质量含量百分比，B为土壤样本中粒径d＜5mm的粗颗粒土粒质量含量百分比；
所述的级配粒径指标包括五个优选值，优选值分别为0.25、0.429、1、2.33和4；
所述步骤S03根据下列方式计算盐胀系数：
Figure FDA0002925045570000011
Figure FDA0002925045570000021
其中：x1为硫酸钠的质量含量(％)，x2为含水率(％)，Y为盐胀系数。
2.根据权利要求1所述的一种确定粗颗粒硫酸钠盐渍土盐胀系数的方法，其特征在于：若地温数值在-10～-5℃、-5～0℃、0～5℃，则对应的盐胀系数根据该地温数值所在的温度范围，采用内插法确定。
3.根据权利要求1所述的一种确定粗颗粒硫酸钠盐渍土盐胀系数的方法，其特征在于：地温数据中包含最不利温度条件，含水量数据中包括最不利含水率条件，在最不利温度条件和最不利含水率条件下，按照下述方式确定盐胀系数：
Figure FDA0002925045570000031
其中：X为硫酸钠的质量含量(％)，Y为盐胀系数。
4.根据权利要求1或3所述的一种确定粗颗粒硫酸钠盐渍土盐胀系数的方法，其特征在于：若级配粒径指标属于0.25～0.429、0.429～1、1～2.33、2.33～4，则对应的盐胀系数根据该级配粒径指标所在指标范围，采用内插法确定。
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