重塑低液限粉土水鹽遷移試驗(yàn)研究*

冉武平，李 爽，王亞強(qiáng)，孫 譽(yù)

(1.新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆土木工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊830047；2.新疆民航專業(yè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，新疆 烏魯木齊830016)

0 引言

中西部地區(qū)鹽漬土分布十分廣泛，加之氣候環(huán)境復(fù)雜、鹽漬化嚴(yán)重，故而在自然環(huán)境以及人為因素的影響下，路基易發(fā)生次生鹽漬化，導(dǎo)致道路產(chǎn)生一系列病害，嚴(yán)重影響道路的穩(wěn)定性和耐久性[1]．此外，中西部地區(qū)還廣泛分布著低液限粉土，這類土具有穩(wěn)定性差、力學(xué)性能不良以及毛細(xì)現(xiàn)象顯著等不良工程特性．由于其促進(jìn)毛細(xì)水上升，則會加速水鹽遷移進(jìn)程，使道路在短期內(nèi)就出現(xiàn)各類工程病害[2,3]．且這些病害造成的路基損傷是不可恢復(fù)的，一旦發(fā)生，很難根治[4]．因此，開展低液限粉土路基的水鹽遷移規(guī)律研究是十分必要的．

關(guān)于水鹽遷移的研究主要針對農(nóng)業(yè)用地，學(xué)者們大都借助試驗(yàn)手段研究鹽漬土地區(qū)水鹽遷移規(guī)律及其對農(nóng)作物生長的影響[5-8]．隨著1855年Fick擴(kuò)散定律、1856年達(dá)西定律的提出，1931年Richards[9]把達(dá)西定律引入到多孔介質(zhì)土壤非飽和流動，國內(nèi)外學(xué)者將現(xiàn)有研究成果引入道路結(jié)構(gòu)問題中，對路基土中水分、鹽分的遷移開展了大量研究[10,11]．張宏[12]介紹了農(nóng)業(yè)工程和路基工程領(lǐng)域關(guān)于水鹽遷移與運(yùn)移機(jī)理的有關(guān)成果，并對路基土的鹽漬化問題進(jìn)行了深入研究．邵磊[13]分別對非鹽漬化粉土、弱鹽漬化粉土及礫類土展開研究，得到了水鹽在不同路基土中的遷移規(guī)律，并提出隔斷層設(shè)置技術(shù)．毛愛民[14]調(diào)查了新疆硫酸鹽漬土地區(qū)道路的中心線和左、右路肩部位的含鹽量．張堃[15]通過填筑粉土路基試驗(yàn)段以及開展豎管試驗(yàn)，研究了不同地下水埋深及礦化度條件下的路基內(nèi)水鹽遷移及聚集規(guī)律．秦李林[16]研究了廣源高速公路低液限粉土路基的施工關(guān)鍵技術(shù)，證明了低液限粉土作為高速公路路堤填料能夠滿足路基施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)．另外，還有研究表明水的摩爾濃度和溶質(zhì)的濃度也會對水鹽遷移產(chǎn)生影響[17-21]．由于溶質(zhì)對水分子的吸附作用，使得溶液的活度降低，溶質(zhì)濃度越高，活度越小[22,23]．從已有的研究成果來看，影響水分遷移的外界因素主要包括溫度、降水及地下水埋深等，內(nèi)部因素主要是初始含水率、初始含鹽量及壓實(shí)度等，但都未涉及路基底部水鹽供給源對其遷移的影響．

基于此，在國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，本文從水鹽遷移和擴(kuò)散規(guī)律的表征入手，針對低液限粉土填料開展室內(nèi)土柱試驗(yàn)，重點(diǎn)研究低液限粉土路基在不同水鹽供給源下的水鹽分布特性和規(guī)律．預(yù)期成果對于低液限粉土用于鹽漬土地區(qū)道路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值，并且能為路基工程預(yù)防路基鹽漬化提供理論依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自新疆烏魯木齊市典型道路路基填料，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40―2007）要求進(jìn)行比重試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)及擊實(shí)試驗(yàn)，確定土樣的基本物理參數(shù)，如表1所示．另外，為明確低液限粉土在不同水鹽供給源下的遷移特性，采用“干土加鹽溶液”法配置人工鹽漬土，并將所有制備好的土樣放入密封的塑料桶中以減少水分散失，靜置一晝夜后備用．

表1 土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab 1 Basic physical properties of test soil samples

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)系統(tǒng)由PVC管材、傳感器及底座組成．PVC管材的外徑為20 cm，壁厚0.4 cm；沿高度方向每隔10 cm鉆三個(gè)并排、直徑為5 mm的監(jiān)測孔；頂部用塑料袋封口，模擬路面結(jié)構(gòu)引起的覆蓋效應(yīng)．傳感器選用NH148土壤溫-濕度-鹽分傳感器，其通過測量介電常數(shù)反映土壤的真實(shí)水分含量，再通過測定其電導(dǎo)率和溫度求得鹽度，溫度測量精度為±0.5°C，濕度測量精度為±2%，鹽分測量精度為±3 mg/L．?dāng)?shù)據(jù)可自動采集、記錄．

鹽漬土地區(qū)路基次生鹽漬化的發(fā)生過程一般分為兩種情況：一種是含鹽地下水隨著土體內(nèi)的孔隙不斷向上遷移，攜帶鹽分進(jìn)入全部換填后的素土路基中，導(dǎo)致鹽分聚集在路基土中；另一種是鹽漬土地基中的鹽分進(jìn)入換填后的素土路基，導(dǎo)致路基次生鹽漬化．不同情況下的水鹽遷移過程也不相同，因此，本次試驗(yàn)選擇兩種鹽分供給源，分別為鹽溶液供給源和鹽漬土供給源．初始含水率控制為4%；壓實(shí)度根據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范JTG F10―2006》中的土質(zhì)路基壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)，選用路基最低控制標(biāo)準(zhǔn)90%；鹽分選用氯化鈉分析純試劑；人工配置鹽漬土的含鹽量根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40―2007）中對鹽漬土的劃分標(biāo)準(zhǔn)，選擇2%，屬中鹽漬土；鹽溶液濃度同樣控制為2%．

根據(jù)不同水鹽供給源方式設(shè)置兩個(gè)土柱：土柱A高150 cm，全部裝填低液限粉土，底部每隔2 cm鉆直徑為5 mm的透水孔，并在底座內(nèi)加入配置好的鹽溶液，確保水位始終高于底部圓孔2 cm，以便鹽溶液無壓力地進(jìn)入土柱中；土柱B高200 cm，下部50 cm裝填人工配置鹽漬土，上部150 cm裝填低液限粉土．兩個(gè)土柱的設(shè)計(jì)局部示意圖如圖1、圖2所示．

圖1 土柱A局部示意圖（單位：cm）Fig 1 Local schematic diagram of Soil columns A(unit:cm)

圖2 土柱B設(shè)計(jì)局部圖（單位：cm）Fig 2 Local schematic diagram of Soil columns B(unit:cm)

在裝樣前先將所有土樣烘干，然后按照對應(yīng)的含水率進(jìn)行配制，根據(jù)預(yù)設(shè)的壓實(shí)度分層裝入PVC管中，每層裝土厚度為5 cm，利用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)錘對試驗(yàn)土體進(jìn)行擊實(shí)，以達(dá)到預(yù)設(shè)的壓實(shí)度并能保證整個(gè)土體壓實(shí)的均勻性．對壓實(shí)后的土柱每孔位置處的水鹽進(jìn)行監(jiān)測，以此狀態(tài)作為水鹽遷移的初始狀態(tài)．?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測在前12 h內(nèi)每90 min進(jìn)行一次，以后每12 h進(jìn)行一次，每次都在數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行讀數(shù)，試驗(yàn)持續(xù)觀測周期為15天．

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽溶液供給源下的水鹽遷移特性分析

為探究在鹽溶液供給源下低液限粉土的水鹽遷移時(shí)空分布特性，對距離土柱底部不同高度處的水鹽含量進(jìn)行分析，作各孔位水鹽時(shí)程曲線如圖3所示，空間分布曲線如圖4所示．

圖3 土柱A各孔位水鹽時(shí)程曲線Fig 3 The time curves of water and salt in each hole of the A soil column

由圖3（a）可知，土柱A中20 cm、40 cm和60 cm處的水分遷移趨勢隨時(shí)間推移先是快速上升，達(dá)到峰值后開始上下波動，后出現(xiàn)緩慢下降趨勢，這是因?yàn)樵撎幘嚯x鹽溶液較近，水分在向上遷移積聚到一定程度后，致使該處與上部的濕度梯度不斷增大，從而加劇了水分向上遷移，致使該位置處的濕度減小，出現(xiàn)下降；而80 cm、100 cm和120 cm處的質(zhì)量含水率達(dá)到最大后沒有出現(xiàn)下降趨勢，究其原因主要是隨著高度增加向上和向下遷移勢都有所降低，從下部遷移來的水分和向上部遷移的水分幾乎達(dá)到一致，這也說明水分遷移達(dá)到了平衡狀態(tài)．由圖3（b）可以明顯地觀察到鹽分遷移趨勢與水分遷移趨勢一致．此外，土柱80 cm和100 cm處達(dá)到的水鹽峰值較其他位置的大，這是由于在下部水鹽不斷向上遷移的過程中，隨著高度的增加，基質(zhì)吸力不斷減小，導(dǎo)致土柱80 cm～100 cm處出現(xiàn)水鹽積聚層，故水鹽峰值較大．

圖4 土柱A各孔位水鹽空間分布曲線Fig 4 The distribution curves of water and salt in each hole of the A soil column

由圖4（a）可知，質(zhì)量含水率隨土柱高度的增加呈現(xiàn)不斷波動趨勢，說明低液限粉土的水鹽遷移過程受到基質(zhì)吸力、溶質(zhì)吸力與重力的多重影響，極不穩(wěn)定；土柱A中的水分在3 d時(shí)的遷移高度達(dá)到60 cm，6 d達(dá)到80 cm，9 d達(dá)到100 cm，12 d達(dá)到110 cm，15 d達(dá)到130 cm，說明在低液限粉土中水分向上遷移的速度很快．由圖4（b）可知，鹽分在各時(shí)段的遷移高度與水分遷移高度一致；3 d和6 d的遷移速率大于其他三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的遷移速率，說明低液限粉土前期鹽分遷移速率較快，后逐漸減小，這是因?yàn)榍捌邴}分隨水分向上遷移產(chǎn)生較大的濃度梯度，隨著鹽分不斷遷移，濃度梯度逐漸減小，導(dǎo)致鹽分遷移速率減?。?/p>

2.2 鹽漬土供給源下的水鹽遷移特性分析

同樣針對土柱B的水鹽含量進(jìn)行分析，得出鹽漬土供給源下低液限粉土的水鹽遷移時(shí)空分布特性，試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示．由圖5的時(shí)程曲線可知，土柱B的水鹽遷移整體趨勢與土柱A相比較不顯著：水分幾乎未發(fā)生遷移；而鹽分雖發(fā)生了遷移，但遷移量較少，說明當(dāng)土柱底部無水分供應(yīng)、鹽分僅由鹽漬土供給時(shí)，低液限粉土在15 d內(nèi)基本未發(fā)生明顯遷移，即阻斷地下水能夠有效地阻礙低液限粉土水鹽遷移進(jìn)程．由圖5（b）可知，隨時(shí)間的推移，土柱高度越高，水鹽含量越低，這是由于該狀態(tài)下的鹽分主要受重力影響，不能繼續(xù)向上遷移，故出現(xiàn)高度越高，遷移量越少的現(xiàn)象．

圖5 土柱B各孔位水鹽時(shí)程曲線Fig 5 The time curves of water and salt in each hole of the B soil column

由圖6的空間分布曲線可知，土柱B中水鹽含量隨土柱高度的增加波動顯著，但各孔位質(zhì)量含水率和鹽濃度的變化量較少，說明土柱B內(nèi)部存在遷移現(xiàn)象，只是由于沒有水源供給，導(dǎo)致水鹽含量波動范圍較?。蓤D6（b）可知鹽分整體有緩慢向上遷移的趨勢，說明下部鹽漬土中的鹽分會緩慢遷移至上部無鹽分的低液限粉土中，但遷移量較少，說明水分遷移是引起鹽分遷移的最主要因素．

圖6 土柱B各孔位水鹽空間分布曲線Fig 6 The distribution curves of water and salt in each hole of the B soil column

3 結(jié)論

（1）低液限粉土水鹽遷移過程受到基質(zhì)吸力、溶質(zhì)吸力與重力的多重影響，在達(dá)到平衡狀態(tài)后，水鹽會在土體中儲存、擴(kuò)散，形成水鹽積聚層．

（2）當(dāng)鹽分由底部鹽溶液供給時(shí)，水分和鹽分遷移趨勢一致，且遷移速率極快，15 d的遷移高度就達(dá)130 cm；距底部水源較近的土體達(dá)到的水鹽含量最大值較距水源較遠(yuǎn)的土體小，且達(dá)到最大值后逐漸減小，而距水源較遠(yuǎn)的土體達(dá)到最大值后逐漸穩(wěn)定．

（3）當(dāng)鹽分由底部鹽漬土供給時(shí)，水鹽雖有遷移，但遷移量較少，且遷移現(xiàn)象不明顯，說明鹽分向上遷移的主要動力來自水分遷移．

（4）鹽溶液供給源下的低液限粉土水鹽遷移較鹽漬土供給源顯著，即底部有水分供給時(shí)的水鹽遷移速率遠(yuǎn)大于無水分供給，因此阻斷地下水能夠有效地阻礙低液限粉土水鹽遷移進(jìn)程．