硫酸鹽漬土鹽凍脹機(jī)理研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

王景輝 張衛(wèi)兵，2

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川 750021 2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏銀川 750021）

0 引言

鹽漬土是鹽土和堿土以及各種鹽化、堿化土的統(tǒng)稱，當(dāng)巖土中易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性時(shí)，應(yīng)判斷為鹽漬土[1]。我國(guó)鹽漬土廣泛分布在新疆、青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、吉林等地[2-3]。含氯鹽、硫酸鹽或碳酸鹽的不同粒徑的鹽漬土在不同外界條件下（溫度、水分運(yùn)移等）對(duì)工程建筑造成不同程度的危害。隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，修筑渠道、公路、鐵路、橋梁和飛機(jī)跑道等工程建筑的需求進(jìn)一步增加，鹽漬土引起的土體鹽脹和凍脹造成工程破壞問題越來(lái)越明顯，因此深入研究鹽漬土鹽凍脹機(jī)理對(duì)保證工程建筑的安全尤為重要。本文分別從微觀結(jié)構(gòu)、單次降溫、凍融循環(huán)、水鹽運(yùn)移和構(gòu)建機(jī)理模型等幾個(gè)方面，對(duì)國(guó)內(nèi)外近年來(lái)關(guān)于鹽漬土中鹽脹和凍脹機(jī)理的研究進(jìn)行了全面的回顧和總結(jié)，并對(duì)今后相關(guān)研究進(jìn)行了展望，以期待能夠?qū)}漬土鹽凍脹的機(jī)理與實(shí)踐研究提供一點(diǎn)參考。

1 鹽凍脹影響因素

鹽脹主要受兩個(gè)因素的影響：其一，土的微觀結(jié)構(gòu)，即土的基本物理性質(zhì)；其二，介質(zhì)的運(yùn)移。介質(zhì)的運(yùn)移包括土壤中的水、鹽、熱等相體的傳輸和運(yùn)動(dòng)，以及鹽分結(jié)晶機(jī)理的應(yīng)用和考慮上覆荷載作用下的鹽脹規(guī)律。

凍脹也受兩個(gè)因素的影響：其一，土的基本物理性質(zhì)，包括滲透系數(shù)等，而影響滲透系數(shù)的因素有土級(jí)配、礦物組成、干密度等。這些物理性質(zhì)影響土水分的遷移以及鹽分的遷移；其二，外界條件，比如溫度梯度和外界荷載等?，F(xiàn)實(shí)生活中遇到凍脹融陷、汽車、火車、飛機(jī)荷載下的路面變形等都是外界條件作用下土的凍脹的實(shí)例。

負(fù)溫下，鹽脹的產(chǎn)生往往伴隨著凍脹的產(chǎn)生，它們相輔相成，相互促進(jìn)。本文從它們的共性中出發(fā)，探究鹽凍脹機(jī)理研究進(jìn)展。

2 鹽凍脹機(jī)理研究現(xiàn)狀

2.1 基于微觀結(jié)構(gòu)方面考慮鹽漬土鹽凍脹

洪明海等（2017）[4]為了探明鹽漬土鹽分對(duì)土的微觀特征的影響，采用CT 掃描技術(shù)獲取了土分層剖面圖像，并結(jié)合Image J軟件提取分析了土的微觀數(shù)目、微觀面積等參數(shù)在土的剖面上的分布特征，同時(shí)采用楊培嶺模型計(jì)算了土的分形維數(shù)。馬君澤等（2018）[5]、文 桃等（2016）[6]通過掃描電子顯微鏡（SEM）等室內(nèi)試驗(yàn)開展硫酸鹽漬土的微觀結(jié)構(gòu)的研究。另外Jianhong Fang等（2018）[7]用商用OLS 4100掃描顯微鏡觀察了鹽漬土樣品的結(jié)構(gòu)，用掃描電子顯微鏡（日立S-3000 N）觀察鹽漬土樣品結(jié)晶前后的表面。高江平等（1997）[8]、曹亞鵬等（2018）[9]通過含水率單次遞減下的鹽脹試驗(yàn)，探究在含水率遞減下硫酸鹽漬土的微觀結(jié)構(gòu)。Xusheng Wan（2017）[10]在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)鹽漬土鹽晶體的位置和形態(tài)變化進(jìn)行了分析，闡明了鹽結(jié)晶與冰水相變之間的相互作用，最后給出了鹽膨脹力和凍脹力的計(jì)算公式。Yuanming Lai等（2017）[11]建立了鹽漬土中分子擴(kuò)散和晶體生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)模型。然后根據(jù)結(jié)晶壓力和沉淀晶體的量，提出了宏觀結(jié)晶應(yīng)力（MCS）的簡(jiǎn)單表達(dá)，以研究鹽漬土變形。

2.2 基于單次降溫方面考慮鹽漬土鹽凍脹

錢曉明等（2017）[12]采用WZ-2型膨脹儀研究單側(cè)降溫條件下干密度、含水率、含鹽量對(duì)硫酸鹽漬土鹽凍脹特性的影響。米合熱古麗·塔什卜拉提等（2018）[13]以于田綠洲為研究區(qū)，借助ENVI 5.1、Arc Map 10.2、Origin 8.5、SPSS 20.0，同時(shí)結(jié)合野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)鹽漬土不同土層的含水量、溫度、電導(dǎo)率的變化規(guī)律及相關(guān)性進(jìn)行了研究。張沛然等（2018）[14]通過使用溫度等傳感器，對(duì)坑內(nèi)不同深度土層的溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)和鹽脹變形隨季節(jié)性變化狀況進(jìn)行了為期1年的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和分析研究，得到了西北干旱地區(qū)鹽漬土在自然氣候條件下的水-熱場(chǎng)變化特征與鹽脹變形規(guī)律。張 彧等（2012）[15]進(jìn)行了氣溫、地溫和現(xiàn)場(chǎng)土體不同深度位置含水率和含鹽量試驗(yàn)和研究。張莎莎（2015）[16]基于過5 mm篩法的易溶鹽含量配制方法，首先針對(duì)粗粒硫酸鹽漬土、粗粒氯鹽漬土開展溫度改變下的鹽脹規(guī)律試驗(yàn)，其次針對(duì)粗粒硫酸鹽漬土、粗粒亞硫酸鹽漬土開展鹽分、土類、水及上覆荷載等條件改變下的鹽脹規(guī)律研究。萬(wàn)旭升等（2013—2018）[17-21]通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了鹽漬土中硭硝的析出規(guī)律及各自的凍結(jié)溫度，溫度對(duì)未相變含水率的影響，降溫速率對(duì)晶體初始析出溫度的影響，以及建立了負(fù)溫下未凍含水量與溫度的關(guān)系。邴 慧（2011.10）[22]通過采用不同土體添加不同的鹽分，對(duì)不同含水量和含鹽量土體進(jìn)行鹽漬土的凍結(jié)溫度試驗(yàn)，考慮了不同因素對(duì)土體凍結(jié)溫度的影響。張 磊（2018）[23]探究伊朗德黑蘭至伊斯法罕高速鐵路沿線鹽漬土的鹽脹臨界溫度及其相對(duì)應(yīng)的鹽脹量。

2.3 基于凍融循環(huán)方面考慮鹽漬土鹽凍脹

文 桃等（2018）[24]完成了不同含鹽量下硫酸鹽漬土的多次凍融循環(huán)鹽—凍脹試驗(yàn)，得到了硫酸鹽漬土多次凍融循環(huán)下的峰值鹽一凍脹量計(jì)算表達(dá)式。劉 凱等（2018）[25]對(duì)羅布泊地區(qū)天然亞氯鹽漬土進(jìn)行多次凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究成果可為分析含硫酸鹽亞氯鹽漬土的鹽脹機(jī)理和治理鹽脹病害提供參考。董曉明等（2011）[26]采用室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)，在不同含水率、不同溫度條件下，對(duì)硫酸鹽漬土的鹽脹性進(jìn)行分析研究。張莎莎等（2010）[27]研究了經(jīng)多次凍融循環(huán)后天然粗粒鹽漬土的鹽脹特性及鹽脹機(jī)制。李國(guó)玉等（2009）[28]選取幾種典型的鹽漬土進(jìn)行室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)來(lái)研究它們?cè)谥芷诓▌?dòng)溫度條件下凍脹、鹽脹和融沉特性，進(jìn)一步探討鹽漬土地區(qū)道路病害產(chǎn)生的機(jī)制。肖澤岸等（2017）[29]以青藏高原粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象，對(duì)洗鹽后的素土分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、1%、2%、3%的Na2SO4鹽，研究了封閉系統(tǒng)下Na2SO4鹽漬土在凍融循環(huán)作用下的變形規(guī)律。邴 慧等（2011.08）[30]選擇土樣底端溫度相同情況下的單向凍結(jié)、正弦波曲線凍融循環(huán)和負(fù)溫循環(huán)凍結(jié)3種凍結(jié)作用模式，對(duì)青藏高原鐵路沿線紅色粉質(zhì)黏土進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了3種凍結(jié)模式下土體的凍脹量的變化、水分和鹽分的重分布狀況以及土體干密度的變化規(guī)律。馬君澤等（2017）[31]通過查閱了鹽漬土的相關(guān)研究，尤其是凍融循環(huán)條件下鹽漬土工程特性的研究并予以綜述，為解決鹽漬土問題提供參考與借鑒。錢曉明等（2018）[32]為研究?jī)鋈跅l件下硫酸鹽漬土的強(qiáng)度特性，采用正交試驗(yàn)方案，對(duì)不同壓實(shí)度、含水率、含鹽量及凍融循環(huán)次數(shù)的硫酸鹽漬土試樣進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，分析各因素對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響。Sarsembayeva Assel等（2017）[33]提供了一種易實(shí)現(xiàn)的研究鹽漬土的實(shí)驗(yàn)方法，可以模擬寒冷環(huán)境中公路土可能遇到的緩慢凍結(jié)等條件，用于評(píng)估潛在的凍融影響，以及除冰劑對(duì)道路下方土的影響。Chong Wang等（2018）[34]基于Pitzer離子模型和熱力學(xué)機(jī)理，提出了估算鹽漬土凍結(jié)點(diǎn)和熔點(diǎn)的機(jī)理模型，討論了相變溫度滯后和未凍結(jié)水含量的機(jī)制。肖澤岸等（2018）[35]通過單向凍結(jié)試驗(yàn)研究鹽分在土體凍結(jié)過程中對(duì)水分重分布與變形的影響，并結(jié)合模型試驗(yàn)分析凍融、蒸發(fā)、輻射和降水過程中的水鹽遷移規(guī)律。潘 蕾等（2018）[36]為研究羅布泊地區(qū)天然亞硫酸鹽漬土鹽-凍脹各凍融循環(huán)周期內(nèi)的變化規(guī)律及影響因素，采用控制初始含水率和干密度的方法進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。劉 偉等（2017）[37]開展單次降溫鹽脹試驗(yàn)和多次凍融循環(huán)鹽脹試驗(yàn)及結(jié)果分析，研究現(xiàn)行粗粒鹽漬土易溶鹽試驗(yàn)方法的合理性。

2.4 基于水鹽運(yùn)移方面考慮鹽漬土鹽凍脹

楊帆等（2015）[38]以蘇打鹽化草甸土和蘇打堿土2種土類型為研究對(duì)象，研究蘇打鹽漬土水分特征，并對(duì)土的水分特征曲線進(jìn)行模擬。羅金明等（2010）[39]運(yùn)用小波變換和室內(nèi)化學(xué)分析分析了微域尺度蘇打鹽漬土水鹽空間和時(shí)間變化特征。羅金明等（2009）[40]通過野外定位觀測(cè)和室內(nèi)分析，分別探討了蘇打鹽漬土微域特征（32 m 長(zhǎng)的橫截面）及其水分和地下水之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律；探討了蘇打鹽漬土的水分和鹽分的變化規(guī)律；探討了凍融季節(jié)蘇打鹽漬土的熱力構(gòu)型及對(duì)蘇打鹽漬土的水鹽變化的影響。高玉佳等（2010）[41]通過地溫測(cè)試儀對(duì)野外不同深度處的土層溫度進(jìn)行測(cè)量，并在不同時(shí)間相應(yīng)深度取土樣，測(cè)其含水率，通過比較不同時(shí)間不同深度處的含水率的變化情況來(lái)分析溫度變化對(duì)水分遷移現(xiàn)象的影響。張浩等（2011）[42]從水鹽運(yùn)移的角度揭示鹽漬土發(fā)生的機(jī)理及學(xué)科前沿進(jìn)展。肖澤岸等（2017）[43]通過單向凍結(jié)試驗(yàn)，研究了凍結(jié)過程中的水鹽運(yùn)移過程及土體變形。

2.5 基于構(gòu)建機(jī)理模型方面考慮鹽漬土鹽凍脹

曾桂軍等（2015）[44]把水分遷移和凍脹速率當(dāng)作基本的未知量，模擬了與天然土體凍脹類似的底部無(wú)壓補(bǔ)水和頂部加壓的凍脹情況。張莎莎等（2016）[45]基于過5 mm 篩的易溶鹽試驗(yàn)方法，依據(jù)二次正交回歸設(shè)計(jì)原理安排試驗(yàn)和設(shè)置試驗(yàn)因素水平，通過25組鹽脹試驗(yàn)，建立細(xì)粒土質(zhì)砂亞硫酸鹽漬土鹽脹率回歸方程和砂類亞硫酸鹽漬土簡(jiǎn)化的鹽脹率預(yù)報(bào)模型。Dongyong Wang等（2016）[46]基于多孔介質(zhì)中的溶質(zhì)運(yùn)移機(jī)理，水流機(jī)理和熱傳導(dǎo)機(jī)理，建立了鹽結(jié)晶、鹽分傳輸和水流的耦合微分方程。Daoyong Wu（2017）[47]針對(duì)鹽漬土多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)、傳熱、結(jié)晶和變形之間的耦合效應(yīng)，提出了一種包含相變的飽和鹽水凍土的水-熱-鹽-應(yīng)力耦合模型。馮瑞玲等（2017）[48]針對(duì)硫酸鹽漬土鹽脹過程中較為欠缺的四場(chǎng)耦合機(jī)理，在已有的凍土三場(chǎng)耦合模型的基礎(chǔ)上，建立了鹽漬土水-鹽-熱-力四場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型。Yan Han等（2018）[49]通過對(duì)吉林省西部鹽漬土進(jìn)行固結(jié)-不排水（UU）三軸壓縮試驗(yàn)，研究了中國(guó)東北地區(qū)鹽漬土的應(yīng)力-應(yīng)變特性建立了高可靠性的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)方程。XiaoYin 等（2018）[50]在現(xiàn)有飽和凍土凍脹模型的基礎(chǔ)上，建立了水、蒸汽、應(yīng)力和熱運(yùn)動(dòng)耦合的數(shù)學(xué)模型，即不飽和凍土凍脹模型。

3 存在問題及不足

鹽漬土鹽凍脹機(jī)理自提出以來(lái)，在單因素作用下通過室內(nèi)試驗(yàn)開展了大量的研究，已經(jīng)取得了較豐碩的研究成果，但限于研究條件、地區(qū)土質(zhì)差異、實(shí)驗(yàn)方法等方面的不同，致使相關(guān)研究成果還不完善，具體如下：

（1）為研究鹽漬土微觀結(jié)構(gòu)特征，從使用儀器的角度考慮，大家基本采用CT 掃描儀和掃描電子顯微鏡兩種儀器進(jìn)行研究。在使用這兩種儀器之外，結(jié)合Image J軟件和楊培嶺模型進(jìn)行研究是該領(lǐng)域的第一大亮點(diǎn)；結(jié)合鹽凍脹機(jī)理，探究相應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算公式是該領(lǐng)域的第二大亮點(diǎn)。但是，僅用CT 掃描儀和電鏡這兩種儀器進(jìn)行研究，還不足以完全解釋清楚鹽漬土發(fā)生鹽凍脹后土壤孔隙結(jié)構(gòu)變化的所有機(jī)理。

（2）基于單次降溫條件下鹽漬土鹽凍脹的研究，采用細(xì)粒和粗粒兩種土體和不同類型的傳感器，在室內(nèi)試驗(yàn)中研究了干密度、含水率和含鹽量等因素對(duì)鹽凍脹的影響；在室外試驗(yàn)中研究了含水量、溫度和電導(dǎo)率等因素對(duì)鹽凍脹的影響。值得注意的是為期一年的自然溫度循環(huán)下的室外試驗(yàn)研究，對(duì)試驗(yàn)儀器的穩(wěn)定性和試驗(yàn)員的考驗(yàn)非常大，可為今后做室外試驗(yàn)研究提供參考。雖然已有學(xué)者做了自然溫度循環(huán)下的室外試驗(yàn)研究，但是單次升溫過程中各因素對(duì)鹽漬土鹽凍脹的影響還從未有人做過，值得重點(diǎn)關(guān)注。關(guān)于硭硝的析出規(guī)律、溫度與未相變含水率和應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系、鹽脹臨界溫度、凍脹溫度以及鹽凍脹量已經(jīng)有了深入的研究，并就相關(guān)研究，已經(jīng)給出的相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，但對(duì)于鹽脹量和凍脹量的數(shù)學(xué)公式研究正在進(jìn)行中，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）不同粒徑（細(xì)顆粒和粗顆粒），不同含鹽成分（氯鹽、硫酸鹽、碳酸鹽）和不同含鹽量的鹽漬土，通過凍融循環(huán)試驗(yàn)，得到了鹽脹量規(guī)律及計(jì)算表達(dá)式、水分和鹽分重分布規(guī)律、土體干密度規(guī)律以及土體受力影響，并為治理鹽脹病害提供參考。該方面的研究頗具地域性，即一般只適應(yīng)于特定區(qū)域，不具有代表性。土體的凍結(jié)特征曲線和融土的土水特征曲線的機(jī)理研究已取得一定成果，但仍需要大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，同時(shí)這兩者的區(qū)別研究還需進(jìn)一步深化。另外總結(jié)了以后研究值得關(guān)注的點(diǎn)：①對(duì)于不同凍結(jié)模式下，鹽脹機(jī)理有一定的差異；②凍結(jié)和融化過程中的滯后效應(yīng)；③水鹽運(yùn)移作用和多場(chǎng)耦合作用下土體凍融特征。

（4）基于水鹽運(yùn)移在單因素作用下，通過室內(nèi)外試驗(yàn)研究鹽漬土土體的力學(xué)性質(zhì)、發(fā)生機(jī)理以及水熱耦合作用下的鹽凍脹機(jī)理。所以對(duì)在單因素作用下鹽分遷移過程通過大量實(shí)驗(yàn)在不同程度取得了研究成果。但是限于實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)手段，多因素耦合作用下，考慮水鹽運(yùn)移對(duì)鹽漬土的研究做的還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

（5）關(guān)于鹽漬土鹽凍脹數(shù)學(xué)計(jì)算模型的構(gòu)建，已經(jīng)建立了水-鹽-熱-力四場(chǎng)耦合機(jī)理模型、砂類亞硫酸鹽漬土鹽脹率預(yù)報(bào)模型、考慮水鹽運(yùn)移作用下的凍脹模型以及不飽和凍土凍脹模型，但是這遠(yuǎn)遠(yuǎn)還不能完全描述鹽漬土的鹽凍脹過程，因此建立多重物理場(chǎng)的耦合模型仍然是鹽漬土領(lǐng)域的焦點(diǎn)。

4 展望

本文主要闡述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鹽漬土鹽凍脹的研究，總結(jié)歸納了鹽漬土研究的現(xiàn)狀和目前存在的問題，鑒于對(duì)鹽漬土研究中所存在的問題，筆者認(rèn)為應(yīng)開展的相關(guān)研究工作進(jìn)行闡述：

（1）土體微觀結(jié)構(gòu)的定量改變可以解釋土體宏觀物理力學(xué)性質(zhì)的表現(xiàn)，所以時(shí)刻關(guān)注科技前沿，不斷改進(jìn)試驗(yàn)儀器設(shè)備（如X射線等），更加詳細(xì)的了解認(rèn)識(shí)鹽漬土微觀結(jié)構(gòu)，是今后對(duì)該領(lǐng)域研究的必然趨勢(shì)。在借助試驗(yàn)器材的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)最新的機(jī)理和技術(shù)進(jìn)行研究，可得到意想不到的驚喜。

（2）單次降溫條件下對(duì)鹽漬土鹽凍脹的機(jī)理研究已趨于完整，但是對(duì)于鹽脹和凍脹沒有特定物理量來(lái)劃分它們的區(qū)別，它們之間的相互影響還不是非常明確，需要進(jìn)一步探究。對(duì)于單次升溫條件下鹽漬土鹽凍脹機(jī)理研究還需要完善。

（3）在單一物理場(chǎng)下土體凍融循環(huán)特征對(duì)鹽漬土影響的研究已經(jīng)非常多，對(duì)于單因素作用下水鹽運(yùn)移對(duì)鹽漬土影響研究較多。但考慮多場(chǎng)耦合下土體凍融特征和水鹽運(yùn)移對(duì)鹽漬土影響的研究較少，這已成為目前研究的焦點(diǎn)。

（4）國(guó)內(nèi)外對(duì)單因素作用下鹽漬土鹽凍脹數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建較多，多場(chǎng)耦合作用下數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建較少。這些數(shù)學(xué)模型還需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐，以增加其準(zhǔn)確性。