内蒙古河套灌区路基盐分积聚机理与隔断技术研究

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内蒙古河套平原地区地下水位较高,毛细作用剧烈,水分与盐分在赋存气候环境条件下的相互作用常引发路基盐渍化等路基路面病害,影响该地区路基路面整体强度与稳定性。为此,利用土柱试验与缩尺路基实体模型以及数值模拟技术分析研究了路基内部水分场、盐分场的时空分布特征。基于此,提出河套灌区防治盐渍化的工程措施,主要结论如下:(1)通过调查研究区的赋存环境条件,并从典型路段路基不同深度(10 cm、30 cm、50 cm、70 cm、90 cm)处分别取样分析,结果表明:未发生病害的路段的土样含盐量低,为非盐渍土;发生病害的路段地表以下深一米范围内盐渍土中的易溶盐含量介于0.26%~0.87%之间,成分主要为可溶性氯盐,不论基层还是路基试样盐分含量普遍高于0.3%,在地表以下20 cm范围内易溶盐含量占测量范围土体易溶盐总量的59.04%,随深度的增加,易溶盐总量明显减少。说明病害路段路基存在明显的盐渍化现象,这是引起内蒙古河套灌区道路出现路面翻浆等病害的重要原因之一。(2)均质土柱试验水盐迁移试验研究结果表明:河套灌区粉质黏土路基浅层区域盐分的积聚高度取决于毛细水补充强度与蒸发强度的平衡位置;路基深层区域盐分的迁入是优质填土与含盐地基间的水分梯度、盐分浓度梯度为其提供了原始动力。在整个盐渍化过程中填料种类、地下水盐分浓度、路基顶面相对地下水位的高度、外界环境温度、地表蒸发条件、时间等因素均对粉质黏土路基盐渍化存在影响。(3)根据土柱试验和缩尺路基模型水盐迁移试验研究成果,路基内部水分作为载体以饱和流与非饱和流接力的形式携带盐分向上迁移。试验结果表明,在不同的区域风积砂层对毛细水上升的影响有很大区别:将土柱底部0~40 cm范围内的土层置换为风积砂层后饱和区上界上升至100 cm左右,说明位于饱和区的风积砂层会提高毛细水位高度;将土柱80~120 cm范围内的土层置换为风积砂层后,砂层上部的区域含水量明显低于相同高度处均质土柱的含水量,说明位于非饱和区的风积砂层可有效延缓毛细水的上升,降低毛细补水效率,进而降低毛细水位高度。(4)采用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟了土壤的水盐运移过程。进一步研究了河套灌区路基内部水分、盐分的迁移规律,并以此预估粉质黏土路基盐渍化(以含盐量超过0.3%为临界判别条件)的高度。根据模拟90 d的结果表明,路基盐渍化速率随相对高度的增加而减小,随地下水盐浓度的增加而增大。(5)根据粉质黏土路基土盐渍化的机理,提出内蒙古河套灌区公路防止路基土盐渍化的措施:针对河套灌区路基水分的迁移方式主要为地下毛细水的上升,在新建公路路基中铺设风积砂隔层,风积砂层的铺设时不仅应考虑地表水位和地下水毛细上升高度,同时应保证隔断层布设高度在毛细水的饱和区最大高度之上;隔断层最佳厚度应接近且小于80 cm。此外还应保证隔断层之上留有足够的填土高度以保证路基具有足够的强度和稳定性。
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