水鹽運移對硫酸鹽漬土鹽-凍脹規(guī)律的影響

王景輝，張衛(wèi)兵，2，唐 蓮，2，趙文娟，3

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院，銀川 750021； 2.寧夏大學 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， 銀川 750021； 3.寧夏大學 節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控寧夏工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

1 研究背景

我國鹽漬土體面積占國土總面積一半以上，目前已將鹽漬土分為八區(qū)和二十七片[1]，鹽漬土受環(huán)境氣候影響，土中水不斷結(jié)冰與融化，伴隨土體鹽分不斷結(jié)晶和溶解，從而引起土體反復發(fā)生鹽-凍脹及融沉，其結(jié)果將造成土體結(jié)構(gòu)破壞，強度和穩(wěn)定性下降，進而使土建工程遭到破壞[2]，同時西北地區(qū)的鹽漬土在冬季兼有凍土屬性，因此鹽漬土的研究非常復雜。本文為科學、合理地解決鹽漬土工程問題，決定將深入研究和把握水鹽運移規(guī)律及其對鹽漬土鹽-凍脹的影響作為突破關(guān)鍵。。

國內(nèi)外學者對水分和鹽分遷移進行了大量的研究，Cary等[3](1972)提出離子在遷移過程中具有Soret效應，使土體溶液形成濃度梯度。Gilpin[4](1979)提出用于研究二次凍結(jié)的數(shù)學模型。Watanabe等[5](2002)通過電解質(zhì)作用解釋多孔介質(zhì)中的滯回機理，并得出未凍水量隨溶質(zhì)濃度的增加而增加，順序為NaCl

國內(nèi)學者在鹽-凍脹量方面的研究層出不窮，邴慧等[20](2011)研究了3種凍結(jié)模式下土體鹽-凍脹量的變化規(guī)律和水分、鹽分的遷移規(guī)律。賴遠明等[21-22](2014—2016)建立了凍脹數(shù)學模型，肖澤岸等[23](2017)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。潘蕾等[24](2018)發(fā)現(xiàn)亞硫酸鹽漬土各周期的鹽-凍脹率曲線為先增后減的趨勢。張衛(wèi)兵等[25](2019)通過電鏡掃描試驗得出土體結(jié)構(gòu)破壞和細顆粒含量增加的主要原因是由凍融循環(huán)引起的。

上述研究在分析水鹽運移和鹽-凍脹量方面具有重要作用，但很少考慮補水條件下的水鹽運移情況下鹽-凍脹規(guī)律。本文以寧夏地區(qū)典型的硫酸鹽漬土為研究對象，為模擬自然條件下補水的情況，制作下層含水量比上層含水量高的異層土，實現(xiàn)對水分、鹽分、溫度及變形進行不間斷監(jiān)測，研究它們之間的關(guān)系，探索硫酸鹽漬土水分鹽分變化的特征和豎向變形的規(guī)律，為進一步研究凍土地區(qū)鹽漬土鹽脹和凍脹規(guī)律提供參考。

2 試驗方法及原材料

2.1 試驗裝置

試驗是在圓柱形的有機玻璃土柱中進行的，試樣高度為260 mm，直徑為100 mm，具體尺寸見圖1。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

用DH3816N 靜態(tài)應力應變測試系統(tǒng)和YHD-20型位移傳感器，采集土柱豎向變形量。用EM50和teros-12采集不同位置處(測點1— 測點4)的溫度、體積含水率和電導率。土柱凍結(jié)裝置為冰柜，為保證凍結(jié)方式為從上往下單向凍結(jié)，在土柱側(cè)壁和底板采用雙層保溫棉包裹。

2.2 試驗方法和試驗工況

土樣采用粉質(zhì)砂土，經(jīng)室內(nèi)試驗測得最大干密度為1.65 g/cm3，顆粒組成見表1。

表1 顆粒組成Table 1 Particle composition

試驗步驟如下：①將土樣用去離子水反復清洗，直到清洗后的溶液通過BaCl2溶液鑒定后無白色沉淀為準；②根據(jù)表2，將洗鹽后的土配制成所需鹽漬土，然后在恒溫下靜置24 h使鹽漬土中的水分鹽分均勻分布；③控制土體壓實度為90%，將鹽漬土分8層裝入有機玻璃容器中，每層土體間刮毛處理使每層土體充分接觸；④應力應變采集儀與位移傳感器連接，EM50與teros-12傳感器連接，teros-12傳感器有4個測點，分別在距底板222、162、98、38 mm位置處，后文中分別稱為測點1、2、3、4；⑤將土柱置入冰柜，溫度控制在-21 ℃進行凍結(jié)過程，持續(xù)16 h，然后打開冰柜，室溫下進行融化過程，靜置8 h，完成一個凍融周期，共進行凍融循環(huán)9次。試驗結(jié)束后，導出實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)，清洗傳感器和試驗裝置以備下次使用。

表2 試驗工況Table 2 Test conditions

2.3 teros-12傳感器標定

首先制備不同質(zhì)量分數(shù)的硫酸鈉溶液。然后把teros-12傳感器探頭浸入溶液中，最后通過電腦軟件ECH2O讀取電導率值[26]。

采用Origin處理測量數(shù)據(jù)，擬合teros-12測得的電導率與含鹽量之間的相關(guān)性，如圖2所示。由圖2發(fā)現(xiàn)其相關(guān)性顯著且為正比關(guān)系，其回歸方程為

圖2 teros-12測得的電導率與含鹽量關(guān)系Fig.2 Relation between conductivity measured by teros-12 and salt content

y=0.494 9x+0.12,R2=0.993。

(1)

式中：y為配制好的鹽溶液的質(zhì)量分數(shù)；x為teros-12測得的電導率；R2為擬合系數(shù)。

2.4 試驗溫度場標定

圖3為土體不同位置處溫度分布，測點1—測點4分別代表距離土樣底部222、162、98、38 mm處土體的溫度。凍結(jié)過程中，隨著土樣深度的增加，土體溫度依次升高，真正實現(xiàn)了從土柱頂部向下凍結(jié)的目的，即單向凍結(jié)。融化過程，隨著土樣深度的增加，土體溫度依次降低。

圖3 土體不同位置處溫度分布Fig.3 Temperature distribution at different positions in the soil

3 結(jié)果與分析

3.1 凍融循環(huán)中土體水分鹽分的運移和溫度的變化對鹽-凍脹的影響

3.1.1 土體鹽分的運移

工況一與工況二土體水分鹽分和溫度的變化對鹽-凍脹的影響一致，因篇幅所限，以工況一為例。圖4為工況一中第1、3、5、9次凍融周期中不同位置處電導率隨溫度變化。

圖4 不同位置處電導率隨溫度變化Fig.4 Changes of conductivity at different positions with temperature

由圖4可知，凍結(jié)階段，從右往左看，在10～-7 ℃時電導率持續(xù)增加，其原因是結(jié)冰導致水分和鹽分遷移，但更多由鹽分遷移所導致；在-7～-15 ℃時電導率呈現(xiàn)“斷崖式”降低，其原因是大量土體水相變?yōu)楸盅杆贉p少，土體溶液溶解的電解質(zhì)減少，導電性降低所致?？傮w來看，在0 ℃以下，測點3處土體電導率值始終大于測點4處，其原因是凍結(jié)鋒面在測點2、3之間出現(xiàn)，水分從土體底部向上移動，測點4處土體鹽分隨著水分移向測點3處，使測點3處土體鹽分累積所致。

圖5為工況一凍結(jié)階段-5 ℃時不同高度處土柱電導率關(guān)系。從圖5可看出，測點3處電導率明顯大于測點4處，這是由于鹽分向測點3移動所致，說明凍結(jié)鋒面的存在會使鹽分從底部向上移動[26]。

圖5 -5 ℃時不同高度土柱電導率變化Fig.5 Changes of conductivity at different heights of soil column at -5 ℃

融化階段，-15～0 ℃時電導率變化呈“弧形”變化趨勢，即微弱減少后微弱增加；0～5 ℃時冰相變?yōu)樗?，電導率明顯升高，5 ℃以后電導率快速增加至最大值，且測點3、4處土體鹽分增長較快。

綜上所述，土體凍結(jié)時土體鹽分會向凍結(jié)鋒面移動，而土體融化時先從小孔隙中的冰晶開始融化，呈現(xiàn)出底層電導率上升的現(xiàn)象，這與周家作等[27]研究成果一致。

3.1.2 土體水分的運移

圖6為工況一不同位置處含水率隨溫度的變化。由圖6(a)可看出測點2、3、4處土體初始含水率基本一致，但依據(jù)試驗工況設置，測點2處土體初始含水率應與測點1處保持一致，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是測點2處土體體積含水率比測點3處低，制樣完成后土體水分從測點3處向測點2處運移，使得測點2處水分增多，體積含水率增大。

圖6 不同位置含水率隨溫度變化Fig.6 Variation of water content at different positions with temperature

凍結(jié)階段，隨著溫度的降低，各層體積含水率均不斷減小，在-8～-10 ℃體積含水率降幅最大，在-10～-15 ℃時體積含水率緩慢降低至最小值。特別地，圖6(a)中測點1、2處土體溫度低于0 ℃以后，體積含水率出現(xiàn)明顯降低，而測點3、4處土體體積含水率變化不明顯，說明測點1、2處土體孔隙水結(jié)冰，凍結(jié)鋒面在測點2、3間出現(xiàn)。由圖6中的(b)、(c)、(d)圖可知：測點2、3土體初始體積含水率基本保持在35%左右，測點4土體初始體積含水率保持在45%左右；同時溫度降低至-5 ℃以前，測點3土體體積含水率隨溫度降低而升高，說明測點4土體水分向測點3遷移，即水分向凍結(jié)鋒面移動，再次證明凍結(jié)鋒面在測點2和測點3之間出現(xiàn)[26]。

融化階段， 從左往右看， -15～-5 ℃時體積含水率無變化； -5～0 ℃時底層有緩慢變化； 0～5 ℃時頂層與底層均有明顯變化， 說明融化階段是雙向融化， 這與戴黎聰?shù)萚28]研究成果一致； 5 ℃以后迅速增長， 可以認為土體中冰的融化溫度為5 ℃左右[26]。

總體來看，第1次凍融循環(huán)，凍結(jié)階段和融化階段含水率受溫度影響曲線不閉合，但隨著凍融次數(shù)的增加，該曲線趨于閉合。凍結(jié)階段和融化階段該曲線為2條不同走勢曲線，依據(jù)電解質(zhì)效應，凍結(jié)階段孔隙溶液逐漸凍結(jié)，冰的“純化”作用使溶液濃度增大，凍結(jié)溫度進一步降低；融化階段鹽晶體溶解吸熱，土體溫度回升變緩，體現(xiàn)出明顯“滯回效應”，該研究成果可為進一步研究滯回效應提供參考[26]。

圖7為工況一凍結(jié)階段-5 ℃時不同高度處土柱含水率變化。土體在-5 ℃時，測點1處體積含水率極低，其原因是該處水分大部分凍結(jié)，測點2處水分部分凍結(jié)，測點3、4處水分基本未凍結(jié)。第1次凍融后含水率降低明顯，其原因是融化階段歷時短，且融化末期土體溫度只有10 ℃，土體中冰未完全溶解所致[26]。

圖7 -5 ℃時不同高度土柱含水率變化Fig.7 Changes of moisture content at different heights of soil column at -5 ℃

3.2 凍融循環(huán)中鹽-凍脹與溶陷的變化規(guī)律

3.2.1 工況一

圖8為工況一第1次凍融周期水分、鹽分、溫度、變形規(guī)律。由圖8(a)可知凍結(jié)時段出現(xiàn)3個變化區(qū)(調(diào)整區(qū)、快速增長區(qū)和緩慢增長區(qū))，融化時段出現(xiàn)1個變化區(qū)(快速融陷區(qū))。

圖8 第1次凍融土體水分、鹽分、溫度變形規(guī)律 (工況一)Fig.8 Deformation of soil varying with water content, salt content and temperature in the first freeze-thaw cycle in working condition 1

從調(diào)整區(qū)看出，土體豎向變形量出現(xiàn)微小降低，之后出現(xiàn)緩慢回升現(xiàn)象。產(chǎn)生微小降低現(xiàn)象的原因是溫度的降低使土顆粒間空隙縮小，土顆粒間隙趨于緊密，即為凍縮現(xiàn)象；出現(xiàn)緩慢回升現(xiàn)象的原因是芒硝從土體溶液中析出，芒硝首先填補土體空隙，然后破壞土體骨架，最后土體發(fā)生膨脹變形，宏觀表現(xiàn)為緩慢回升。

在快速增長區(qū)，由圖8(b)土體變形量與土體溫度關(guān)系看出溫度從5.5 ℃降為-10 ℃，由圖8(c)土體變形量與土體含水率關(guān)系看出體積含水率減小60%，由圖8(d)土體變形量與土體電導率關(guān)系看出電導率減少36%。此區(qū)域土體變形量大有2方面原因：一方面硫酸鈉溶解度快速降低，會析出大量芒硝；另一方面負溫下水分相變?yōu)楸?，體積膨脹，同時土體水分的減少會增加土體溶液的濃度，促使芒硝進一步析出。此區(qū)域土體中同時產(chǎn)生芒硝和冰晶體，導致土體骨架發(fā)生劇烈變形，在宏觀表現(xiàn)為豎向變形快速增長[26]。

在緩慢增長區(qū)，此區(qū)域土體體積含水率為20%，極低的含水率致使豎向變形變緩。

在融化階段只出現(xiàn)快速融陷區(qū)，此區(qū)域融陷量隨時間增加而降低，融陷速度基本一致，但降溫初期(10 min左右)土體融陷量稍大于其他時間段。對比凍結(jié)階段土體溫度下降速度，融合階段土體溫度上升速度要快很多[26]。

圖9為第2—第9次凍融周期土體變形分區(qū)(工況一)，從中可知第1次凍融周期調(diào)整區(qū)歷時3 h，而第2—第9次凍融周期調(diào)整區(qū)歷時1.5 h，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是前者凍結(jié)階段初始溫度高，而后者經(jīng)過一次凍融后初始溫度變低所致，因此初始溫度高則調(diào)整區(qū)歷時長，初始溫度低則調(diào)整區(qū)歷時短。

圖9 第2—第9次凍融土體變形分區(qū)(工況一)Fig.9 Zoning of deformation from the second to the ninth cycles in working condition 1

總體來說，凍脹階段分為調(diào)整區(qū)、快速增長區(qū)和緩慢增長區(qū)3個區(qū)域。融化階段只有快速融陷區(qū)。單次凍融周期中，由圖8(a)、圖9可看出，時間與豎向鹽-凍脹量的關(guān)系圖呈現(xiàn)“桃尖型”趨勢，每次凍融鹽-凍脹量均大于融陷量;且凍融次數(shù)越多，鹽-凍脹量越大(本文凍融總時間為9 d，若增加凍融時長，鹽-凍脹量會趨于一定值)，反映出鹽-凍脹量的累加性。

3.2.2 工況二

在工況二中上下層土體含水率不同，含鹽量相同。圖10(a)為第1次凍融周期土體變形分區(qū)(工況二)，與工況一相比該凍結(jié)階段無調(diào)整區(qū)。此現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是工況二土體含鹽量大，溫度降低后硫酸鈉晶體析出并充分填充土體空隙，使土骨架沒時間出現(xiàn)凍縮現(xiàn)象就立刻發(fā)生膨脹變形所致[26]。

圖10(b)為第2—第9次凍融周期土體變形分區(qū)(工況二)，發(fā)現(xiàn)第2—第9次凍融均出現(xiàn)調(diào)整區(qū)，原因是第1次凍融時土體第1層、第2層的初始含鹽量高，經(jīng)過凍融循環(huán)后土體中的的初始含鹽量降低，降溫時土體產(chǎn)生的芒硝晶體減少，對土體骨架的破壞程度同樣減小，故而出現(xiàn)調(diào)整區(qū)[26]。

圖10 不同凍融次數(shù)下土體變形分區(qū)(工況二)Fig.10 Zoning of deformation under different freez-thaw cycles in working condition 2

由圖9和圖10(b)可知，無論工況一與工況二，在第2—第9次凍融周期，土體鹽-凍脹速率與融陷速率基本一致，而實際中隨著凍融次數(shù)的增加,土體變形會變緩[29]，其主要原因是凍融時間短，凍融次數(shù)少(一個周期24 h，共9個周期)，導致土體的變形還處于增長階段，并未達到變形放緩階段[26]。

4 結(jié) 論

(1)凍結(jié)階段凍結(jié)鋒面形成以后，土體底部水分向凍結(jié)鋒面移動，并帶動鹽分向上聚積。土體在-10 ℃出現(xiàn)大量凍結(jié)，在5 ℃出現(xiàn)大量融化現(xiàn)象。土體體積含水率和電導率隨溫度升降循環(huán)存在明顯“滯回效應”。

(2)凍結(jié)階段土體發(fā)生膨脹，豎向變形可分為3個階段，調(diào)整階段由土體中生成芒硝填充土體空隙及局部結(jié)構(gòu)微膨脹所致；快速變形階段由土體水分相變?yōu)楸Ъ按罅棵⑾跷龀鲈斐赏凉羌軇×遗蛎浰?；緩慢變形階段由土體水分相變量極少對土骨架影響微弱所致。融化階段只有快速融沉區(qū)，且融沉速度為一定值。

(3)土體鹽分的存在對土體豎向變形的影響顯著。含硫酸鈉土體豎向變形隨時間的變化關(guān)系呈現(xiàn)“桃尖型”趨勢。凍融循環(huán)中土體豎向變形趨勢基本一致，即變形速率一致，呈現(xiàn)較好的“記憶性”。若凍融總時間長，則隨凍融次數(shù)的增加，鹽-凍脹率會逐漸趨于1;若凍融總時間短，則隨凍融次數(shù)的增加，鹽-凍脹率不斷增加。