粗粒鹽漬土水鹽遷移試驗研究

王 亞 強(qiáng)， 冉 武 平， 閻 首 名， 邱 永 峰， 毛 永 鑫

( 新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830047 )

0 引 言

隨著國家“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”的推進(jìn)，新疆以公路建設(shè)為代表的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷加大，加上新疆地區(qū)鹽漬土分布十分廣泛，并且在特殊氣候環(huán)境影響下，次生鹽漬化導(dǎo)致道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的各類病害現(xiàn)象顯著，鹽漬土地區(qū)路基的病害防治問題引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視[1]．粗粒土是目前路基結(jié)構(gòu)的主要填料之一，因此明確鹽漬土地區(qū)粗粒土路基水鹽遷移時空分布特性，有針對性地選擇填筑材料是控制路基病害的關(guān)鍵所在．

關(guān)于水鹽遷移的研究主要分為三大類：基于理論研究、基于試驗研究和基于數(shù)值模擬研究．水分遷移最早是通過描述水位線以上水體遷移的毛細(xì)現(xiàn)象開始，也即水氣交界面處水的勢能梯度引起的．18世紀(jì)初，Hauksbee[2]首次提出了毛細(xì)現(xiàn)象．20世紀(jì)后，Washburn[3]認(rèn)為不飽和多孔介質(zhì)中的液體流動遵循普通流體動力學(xué)定律，提出了毛細(xì)管流方程．不飽和多孔介質(zhì)中的液體流動必然遵循普通流體動力學(xué)定律，Richards[4]用Darcy定律解析了多孔介質(zhì)中液體的毛細(xì)運(yùn)動，并建立了Richards方程，至此國內(nèi)外學(xué)者全面開展水汽遷移的研究．

水鹽遷移的研究始于農(nóng)業(yè)土壤學(xué)，法國科學(xué)家Darcy最早研究了土壤水分運(yùn)動過程[5]，得到了滲流速度與水力梯度的關(guān)系，并解釋了土壤中飽和水分的運(yùn)動機(jī)理．Skopp等[6]和Corwin等[7]通過試驗研究構(gòu)建了水、熱、鹽遷移規(guī)律的運(yùn)動方程，完善了水鹽遷移的基本理論．Swami等[8]利用示蹤劑追蹤了溶質(zhì)在黏土基質(zhì)間砂層中的運(yùn)動特性，對分層多孔介質(zhì)中溶質(zhì)遷移行為進(jìn)行了研究．Nielsen等[9]通過室內(nèi)試驗推導(dǎo)了水鹽遷移的經(jīng)驗公式．Bear等[10]研究了非飽和土的鹽分遷移，證明了水鹽平衡與溫度有關(guān)．Nassar等[11]通過封閉土柱試驗，驗證了水-熱-鹽耦合下的水鹽遷移一維計算模型．在國內(nèi)，鄭冬梅[12]研究了鹽漬土在溫度梯度作用下的水鹽遷移規(guī)律，得出溫度梯度和濕度梯度是鹽漬土在冬季發(fā)生水鹽積聚的主要驅(qū)動力．王卓然[13]通過現(xiàn)場觀測，得到了水鹽空間變化規(guī)律，建立了土壤鹽堿化動態(tài)變化模型．馬博[14]以蘭州黃土為研究對象，研究不同條件下非飽和壓實黃土的氯鹽和硫酸鹽毛細(xì)遷移特征．王莉杰[15]通過室內(nèi)人工配制氯鹽漬土，對不同含鹽量鹽漬土進(jìn)行補(bǔ)水條件下的凍融循環(huán)試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果對鹽漬土中水鹽遷移特性進(jìn)行分析研究．丁兆民[16]通過均勻設(shè)計法與凍融循環(huán)結(jié)合，從多個方面分析粗粒鹽漬土鹽脹及遷移特性，并采用多種改良劑進(jìn)行鹽漬土路基改良試驗，研究其力學(xué)性能和路用性能，最終結(jié)合數(shù)值模擬計算，分析鹽漬土路基在凍融循環(huán)下的力學(xué)特性和合理斷面形式．溫小平等[17]對不同材料的隔斷層阻水效果進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了不同粒料組成的材料不同壓實度、含水量和含鹽量對毛細(xì)水遷移規(guī)律的影響，結(jié)果表明砂礫石和卵石作為隔斷層材料能有效阻斷毛細(xì)水作用．呂擎峰等[18]用土柱毛細(xì)水上升試驗，模擬全開放自然條件下鹽漬土的水鹽遷移特征，開展了固化土的水鹽遷移特性研究，說明固化土具有穩(wěn)定持水作用以阻滯鹽分遷移的特性．

目前對粗粒鹽漬土的研究主要集中在鹽脹及溶陷特性、凍融剪切和路用性能等方面，對其水分和鹽分遷移及時空分布特性研究較少，本文針對新疆地區(qū)典型區(qū)域的粗粒土，通過開展室內(nèi)土柱試驗，采取兩種不同鹽分供給形式，重點(diǎn)分析水鹽在短期、長期內(nèi)的遷移規(guī)律，并明確鹽分的遷移方向和遷移速率，為新疆鹽漬土地區(qū)道路設(shè)計與施工提供一定的理論依據(jù)，為后續(xù)的水鹽遷移理論研究提供參考．

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗材料取自烏魯木齊市典型道路路基填料，按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)要求進(jìn)行篩分，試驗結(jié)果如表1所示．

由表1可知，原路基填料的主要粒徑在5～40 mm，不含粒徑小于0.075 mm的細(xì)粒成分．因此，為明確不同細(xì)粒含量的粗粒土水鹽遷移特性，在原路基填料中摻一定含量的細(xì)粒土，細(xì)粒含量分別為10%、20%和30%，對其余級配進(jìn)行設(shè)計使其連續(xù)，如圖1所示．

表1 路基土的顆粒組成

1.2 試驗?zāi)Ｐ图皟x器

土柱采用內(nèi)徑19.2 cm、外徑20 cm的硬PVC管材，高度設(shè)計為80 cm，土柱下端用套頭封堵；土柱底部每隔2 cm打一個直徑為0.5 cm的滲水孔，沿高度方向每隔10 cm設(shè)置一組數(shù)據(jù)采集孔，局部設(shè)計如圖2所示．

本次數(shù)據(jù)采集使用NH148-40～80WSY土壤水分、溫度、電導(dǎo)率數(shù)據(jù)采集儀，通過土壤水分FDR方法與土壤電導(dǎo)率交流橋法測量，該采集儀已自動將電導(dǎo)率換算為鹽含量．通過驗證，常溫條件下測試基本穩(wěn)定，采集儀如圖3所示．

2 試驗過程

2.1 試驗方案

由于氯鹽漬土具有吸濕性和保濕性，路基浸水后易軟化，并且鹽分溶解后使土體孔隙增大、密度減小，降低路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性，導(dǎo)致路面產(chǎn)生病害[19]，因此，本文針對氯鹽漬土展開研究．初始含水率控制為5%，接近10%細(xì)粒含量土樣的最佳含水率；試驗溫度為25 ℃，壓實度控制為94%．選擇兩種鹽分供給：

(1)鹽溶液供給源：土柱整體裝填素土，素土為不摻配鹽分的土樣，底座內(nèi)放置2%的鹽溶液，編號為R組．

(2)鹽漬土供給源：土柱下部40 cm為干鹽土加水法人工配制的鹽漬土，上部40 cm為素土，底座內(nèi)放置純凈水，編號為T組．

試驗分組如表2所示．

表2 試驗分組

2.2 試驗步驟

(1)將3組試驗土樣烘干，按試驗方案中的初始含水率和鹽漬土濃度配制素土和鹽漬土，密封12 h以使水分和鹽分均勻分布在土體中，如圖4所示．

(2)采用分層壓實法進(jìn)行裝填，每層填筑高度為5 cm，每層擊實完需對層間進(jìn)行拉毛處理，使層間連續(xù)．

(3)填筑完成后將土柱頂端密封，模擬路面覆蓋效應(yīng)．

(4)按表2要求分別在底座中加入鹽溶液或純水，如圖5所示．

(5)前12 h內(nèi)每2 h采集一次數(shù)據(jù)，然后每12 h 采集一次數(shù)據(jù)，監(jiān)測時長為25 d．

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 短期水鹽遷移規(guī)律

為明確短期粗粒土水鹽遷移規(guī)律，選擇12 h 內(nèi)的實測數(shù)據(jù)，對于鹽溶液供給源情況，試驗結(jié)果如圖6、7所示；對于鹽漬土供給源情況，試驗結(jié)果如圖8、9所示．

由圖6(a)可知：R-1柱10 cm處的體積含水率在12 h內(nèi)快速增加，峰值達(dá)到54.4%；20 cm和30 cm處的體積含水率也略有增大，不過增幅逐漸減小，說明R-1柱12 h內(nèi)遷移高度達(dá)30 cm．由圖6(b)可知：R-2柱的體積含水率在整個土柱高度范圍內(nèi)不斷波動，10 cm處的體積含水率峰值為15.3%，70 cm處的體積含水率峰值為12.5%，說明此時水分遷移速率較小，但遷移高度較高．由圖6(c)可知：R-3柱的體積含水率變化不大，說明水分幾乎未發(fā)生遷移．

由圖7可知：R-1柱10 cm處的鹽濃度峰值為1 037 mg/L，遠(yuǎn)大于R-2柱和R-3柱的，說明鹽分遷移量隨水分遷移量的增加而增加，即鹽分的運(yùn)動是隨著水分的遷移變化而進(jìn)行的．并且與水分遷移趨勢一致的是：R-1柱的鹽分遷移高度也為30 cm；R-2柱70 cm處的鹽濃度略有增加，說明鹽分遷移到了70 cm處．不同的是R-3柱10 cm 處的鹽濃度在4 h和8 h時較大，說明測量值有瞬時的突增．

綜上可知，當(dāng)鹽分來源于鹽溶液時，短期內(nèi)隨著粗粒土中細(xì)粒含量的增加，水分和鹽分遷移量逐漸減小，遷移量最大的是細(xì)粒含量為10%的土柱，這是由于隨著細(xì)粒含量不斷增加，土體內(nèi)部孔隙率不斷減?。}分分子主要以水分為載體遷移，隨著孔隙率減小，水分遷移受阻愈來愈顯著，故而水鹽遷移總體下降．且水分和鹽分遷移運(yùn)動規(guī)律具有一致性，說明了鹽隨水走的遷移模式．

由圖8(a)可知：T-1柱0～30 cm的體積含水率在2 h內(nèi)達(dá)到100%，而30 cm以上體積含水率幾乎沒有變化，說明水分迅速向上遷移到30 cm處；且到12 h時含水率無明顯差異，說明水分向上與向下遷移量幾乎相等，處于穩(wěn)定狀態(tài)．由圖8(b)可知：T-2柱處于飽和狀態(tài)的高度較T-1柱低；水分遷移高度達(dá)到40 cm，且該處體積含水率波動較大，其峰值為85%．由圖8(c)可知：T-3柱在20 cm以下范圍內(nèi)土體處于飽和狀態(tài)；遷移高度也達(dá)到40 cm，但該處體積含水率峰值為29.5%，遠(yuǎn)小于T-2柱的．

由圖9(a)可知：T-1柱10 cm處的鹽濃度小于20 cm處的鹽濃度，這是10 cm處鹽漬土中鹽分在濃度梯度作用下向底座中的純凈水中遷移所致．由圖9(b)和(c)可知：T-2柱和T-3柱鹽分遷移趨勢相似，但T-2柱的遷移過程波動較劇烈；T-2柱2 h時20和30 cm處由于試驗誤差導(dǎo)致了鹽濃度明顯差異，理應(yīng)接近整體變化趨勢．由圖9(a)、(b)和(c)對比可知：T-1柱的鹽濃度峰值為3 277 mg/L，T-2柱為3 824 mg/L，T-3柱為5 084 mg/L，說明隨著細(xì)粒含量的增加，短期內(nèi)鹽分遷移速率逐漸增大．

綜上可知，當(dāng)鹽分來源于鹽漬土?xí)r，隨細(xì)粒含量的增加，水分遷移量逐漸減少，鹽分遷移量增大，土體處于飽和狀態(tài)的高度逐漸降低，但遷移高度有所增加．此時由于下部土柱中存在大量鹽分，短期內(nèi)具有很大的溶質(zhì)勢，并且隨著細(xì)粒含量的增加顆粒間的孔隙減小，導(dǎo)致土體基質(zhì)吸力增大，使水分有較大的遷移動力，水分向上遷移后形成較大的濃度梯度，使鹽分在基質(zhì)吸力和溶質(zhì)吸力的耦合作用下不斷向上遷移，并且隨著高度的增大，遷移能逐漸減小，導(dǎo)致高處的體積含水率較?。?/p>

3.2 長期水鹽遷移規(guī)律

為明確長期粗粒土水鹽遷移規(guī)律，選取每個土柱6、12、18和24 d的鹽濃度，分析水鹽遷移分布特性．對于鹽溶液供給源情況，試驗結(jié)果如圖10(a)、(b)、(c)所示；對于鹽漬土供給源情況，試驗結(jié)果如圖10(d)、(e)、(f)所示．

由圖10(a)、(b)、(c)可知：當(dāng)鹽分來源于鹽溶液時，R-1柱的鹽濃度峰值出現(xiàn)在20～30 cm處；R-2柱的鹽濃度峰值出現(xiàn)在20 cm處，說明鹽分向20～30 cm處進(jìn)行遷移聚集；R-3柱在整個土柱高度范圍內(nèi)均有鹽分遷移；3個土柱鹽濃度變化范圍分別為0～1 300 mg/L、0～600 mg/L、0～460 mg/L，可說明當(dāng)細(xì)粒含量逐漸增加時，長期鹽濃度遷移量逐漸減小．由R-1柱中24 d的鹽濃度變化趨勢可知鹽濃度峰值在向30 cm處遷移；而40 cm處鹽濃度分界明顯，其上部雖有鹽分遷移，但遷移幅度大幅減??；同時對比R-1柱10 cm處短期和長期的鹽濃度變化值可以發(fā)現(xiàn)，該處的鹽濃度值呈先增大后減小的趨勢．由圖10(b)可以看出R-2柱在40 cm處也有一個明顯的分界線，即40 cm以下鹽分呈先增大后減小的趨勢，40 cm 以上呈逐漸增大的趨勢，預(yù)測24 d后該柱的鹽濃度峰值區(qū)域會出現(xiàn)在50～70 cm．由圖10(c)可知：R-3柱兩端的鹽濃度呈減小趨勢，中部的鹽濃度呈增大趨勢，這主要是由于水鹽從下部向中部遷移，而中部再向上部遷移，但隨著高度增加，遷移勢逐漸減小，從而導(dǎo)致鹽分向中部聚集．

由圖10(d)、(e)、(f)可知：當(dāng)鹽分來源于鹽漬土?xí)r，T-1柱和T-2柱的鹽分均遷移至40 cm處，而T-3柱則遷移至50 cm處，說明細(xì)粒含量越大，長期水鹽遷移的高度越高；對比3個土柱的鹽分遷移量可以發(fā)現(xiàn)，T-1柱6 d到24 d鹽濃度由1 631 mg/L到950 mg/L，T-2柱由2 639 mg/L到1 493 mg/L，T-3柱由4 618 mg/L到1 473 mg/L，減少的遷移量分別為681、1 146和3 145 mg/L，說明鹽分遷移量隨細(xì)粒含量的增加而增大，水鹽遷移劇烈程度也逐漸增大．

綜上可知，隨著細(xì)粒含量的增加，鹽溶液供給源長期水鹽遷移量逐漸減小，鹽漬土供給源則不斷增大．

3.3 鹽分遷移方向

針對土柱10、30、50和70 cm高度處的鹽濃度變化值，探究鹽濃度與時間的關(guān)系，分析鹽分遷移方向試驗結(jié)果如圖11所示．

由圖11(a)可明顯看出：R-1柱10和30 cm處的鹽濃度呈先增后減的趨勢，50 cm處的鹽濃度呈波動增長的趨勢，70 cm處的鹽濃度緩慢增長；10 cm處的鹽濃度峰值為1 065 mg/L，峰值出現(xiàn)時間在6 d；30 cm處的鹽濃度峰值為1 440 mg/L，出現(xiàn)在14 d；30 cm處的鹽濃度在8 d 時超越了10 cm處，說明鹽分向上遷移．由圖11(b)可知：R-2柱10 cm處的鹽濃度峰值為564 mg/L，出現(xiàn)在4 d；30 cm處鹽濃度波動劇烈，波動范圍為100～300 mg/L；其余高度處的鹽濃度呈先增大、后減小、再增大的趨勢，鹽分遷移在15 d左右出現(xiàn)低谷．由圖11(c)可知：R-3柱各個高度處鹽濃度波動劇烈，整體呈逐漸增大的趨勢；且均在24 d后有所減小，說明鹽分遷移勢能在24 d時有所減小，導(dǎo)致鹽分遷移量逐漸減小．

由圖11(d)、(e)、(f)可以看出，鹽漬土供給源的3個土柱10和30 cm處的鹽濃度都是迅速增大再緩慢減小，再逐漸趨于平穩(wěn)；T-1柱50和70 cm 處的鹽濃度基本沒有變化，T-2柱50 cm處鹽濃度有微弱的增大，說明該處鹽分向上遷移量很少；T-3柱50和70 cm處的鹽濃度緩慢增大，說明下部鹽分在不斷向上遷移．此外，通過測定底座中水的含鹽量可知其鹽濃度由初始時的0 mg/L 增至后期約10 000 mg/L，說明鹽漬土中的鹽分在較大濃度梯度作用下，不斷向底部水中遷移，其中鹽濃度梯度是其主要遷移動力．

綜上可知，鹽溶液供給源時，鹽分主要向上遷移；鹽漬土供給源時，鹽分大量向下遷移，少量向上遷移，且隨細(xì)粒含量增加遷移量增多；當(dāng)非鹽漬土路基遇到礦化程度高的地下水位上升時，其礦物鹽會逐漸向路基上部遷移聚集，此時應(yīng)在路基底部設(shè)置隔斷層，避免路基與礦物鹽溶液的直接接觸，或者控制路基填料的細(xì)粒含量．鹽漬土路基下地下水上升時，其鹽分會大量向下溶解，可通過控制細(xì)粒含量來控制水鹽遷移．

3.4 鹽分遷移速率

以鹽濃度測量值為對應(yīng)高度處橫截面的鹽濃度，并且每個截面的面積相同，則認(rèn)為截面的鹽分流量是相鄰兩次測量的結(jié)果之差，其與時間的比值可認(rèn)為是其遷移速率的直觀表達(dá)，如下式所示，其結(jié)果如圖12所示．

vs=(Qn+1-Qn)/Δt

其中vs表示鹽濃度流速(mg·L-1·h-1)，Qn表示鹽濃度值(mg·L-1)，Δt表示時間(h)．

由圖12(a)可見：鹽溶液供給源10 cm處初始遷移速率最快的是R-1柱，其次是R-3柱和R-2柱，初始時刻遷移速率為正值，說明鹽分以遷入為主；在5 d開始，R-2柱和R-3柱的遷移速率首先出現(xiàn)負(fù)值，而R-1柱在7 d出現(xiàn)，此時鹽分主要以遷出為主；10 cm高度處前期遷移速率整體大于后期遷移速率，而R-3柱遷移速率呈正弦式波動，說明整個周期鹽分在不斷遷移．由圖12(b)可見：R-1柱30 cm處遷移速率波動性加大，大于10 cm處，說明R-1柱在此處遷移最為劇烈；R-2柱和R-3 柱的遷移速率波動性相同．由圖12(c)可見：50 cm處的遷移速率都有所減小，R-1柱在16～22 d時遷移速率有突增，其余土柱遷移速率波動性都較?。蓤D12(d)可見：70 cm處前期遷移速率都很小，R-1柱遷移速率幾乎不變，R-2柱和R-3 柱在16 d開始遷移速率有小范圍的升高．由圖12(a)、(b)、(c)和(d)可見：隨著高度的上升，遷移速率逐漸減??；R-1柱遷移速率的峰值隨高度增加有延后趨勢，其次波動性最小的為R-3柱．

由圖12(e)可以看出：T-1柱起始遷移速率為65.71 mg·L-1·h-1，T-2柱為102.21 mg·L-1·h-1，T-3柱為161.92 mg·L-1·h-1，可見其初始速率逐漸增大．由圖12(f)可見：30 cm處遷移速率在正負(fù)間交替波動，說明此處鹽分遷移在反復(fù)經(jīng)歷一個遷移、補(bǔ)充、平衡的過程；遷移速率隨時間的增加逐漸減小，此時遷移速率變化波動最大的依舊是T-3柱．由圖12(g)和(h)可見：整體遷移速率明顯減小，遷移速率波動性最強(qiáng)的仍是T-3柱；高度增加時，T-3柱遷移速率峰值的出現(xiàn)也有延后趨勢．

綜上所述，隨著土柱高度的增加，整體遷移速率減小，鹽溶液供給源遷移速率出現(xiàn)峰值的延后趨勢越明顯；鹽溶液供給源時，遷移速率隨著細(xì)粒含量的增加先減小后增大；鹽漬土供給源時，遷移速率隨著細(xì)粒含量的增加而增大．

4 結(jié) 論

(1)短期內(nèi)，鹽溶液供給源水分和鹽分遷移量隨著細(xì)粒含量的增加而減??；鹽漬土供給源隨著細(xì)粒含量的增加，水分遷移量逐漸減少，遷移高度增加，鹽分遷移量逐漸增大．

(2)長期內(nèi)，鹽溶液供給源鹽分遷移量隨著細(xì)粒含量的增加而減??；而當(dāng)鹽漬土為供給源時細(xì)粒含量越多，其鹽分遷移越劇烈，遷移高度越高，與短期規(guī)律一致．

(3)鹽溶液供給源鹽分遷移速率隨著細(xì)粒含量的增加先減小后增大，遷移速率最快的為10%細(xì)粒含量土柱，而鹽漬土供給源時，隨著細(xì)粒含量的增加其遷移速率逐漸增大，30%細(xì)粒含量土柱最顯著；隨著時間的增加，遷移速率逐漸減小并趨于平緩；土柱高度升高，整體遷移速率減小，鹽溶液供給源遷移速率出現(xiàn)峰值的時間逐漸延后．

(4)對于鹽分來源于含鹽地下水情況，提高填筑粗粒土的細(xì)粒含量可有效控制水鹽遷移；對于鹽分來源于鹽漬土情況，宜采用細(xì)粒含量較少的粗粒土進(jìn)行填筑，可以有效阻止水鹽遷移．