不同供給源下粗粒土水鹽遷移特性分析

李 玲， 李 爽， 艾賢臣

(新疆大學建筑工程學院， 烏魯木齊 830047)

鹽漬土作為一種特殊土質(zhì)，在新疆地區(qū)分布十分廣泛[1]。有學者對發(fā)生鹽漬化病害土壤的成分、基本物理性質(zhì)、化學性質(zhì)和力學性質(zhì)以及鹽漬土作建筑地基填筑材料后工程特性展開了較為系統(tǒng)研究[2-3]。目前，鹽漬土路基通常采用粗粒土換填方式處置。而在新疆特殊的氣候環(huán)境及路面覆蓋效應(yīng)的影響下，鹽漬土中的水鹽持續(xù)遷移，使換填的非鹽漬粗粒土路基發(fā)生次生鹽漬化，進而導致路基在水-熱-鹽耦合作用下產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形及強度衰變，嚴重影響道路的使用性能。因此，針對路基填土易發(fā)生次生鹽漬化問題，在不同的邊界條件下，開展新疆鹽漬土地區(qū)粗粒土水鹽遷移時空特性的試驗研究，對于揭示鹽漬土路基病害的發(fā)生以及次生鹽漬化的機理解析具有一定的指導意義。

另外，還有學者研究了蒸發(fā)、降雨、地下水埋深及礦化度條件等外界因素對水鹽遷移的影響[24-26]。冬季土體中的水鹽會向淺層土體或地表發(fā)生遷移，而春季在蒸發(fā)作用的驅(qū)使下鹽分會在地表聚集。張堃[27]通過室內(nèi)外試驗，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，但并未考慮路基施工時所需壓實度對水鹽遷移的影響。李生偉[28]認為通過地基加固、固化劑加固和溫度控制等措施能夠阻斷水鹽遷移通道、減小溫度對土體的干擾。張明亮等[29]認為水鹽遷移會降低粉土和礫類土路基路用性能，但次生鹽漬化對粉土路基路用性能的影響更大。田秋林[30]發(fā)現(xiàn)新疆地區(qū)路基含水量最大的時期為自然環(huán)境下蒸發(fā)量較小的4—6月。吳明洲等[31]研究了沿海灘涂淤泥質(zhì)黏土的水鹽遷移規(guī)律。Muyen等[32]研究了不同土質(zhì)在高礦化度的地下水中的遷移規(guī)律。上述研究均未考慮粗粒土中細粒土含量的影響，對含鹽土體中水鹽遷移規(guī)律和變形機理研究具有局限性。

鑒于此，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，以新疆典粗粒土為研究對象，制備不同細粒土摻量的土樣進行室內(nèi)土柱試驗，分析在不同壓實度及不同水鹽供給源條件下的水鹽遷移時空分布特性，為構(gòu)建鹽漬土地區(qū)道路結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和預防路基次生鹽漬化提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選擇新疆典型的粗粒土路基填料，其級配組成如表1所示?？紤]細粒土摻量對水鹽遷移的影響顯著，故本文在典型的粗粒土樣中分別摻配10%、20%和30%的細粒土(<0.075 mm)，其級配組成如圖1所示。經(jīng)過物性試驗分別得出摻配10%、20%和30%細粒含量的粗粒土土樣，其最大干密度(ρdmax)和最佳含水量(ωop)分別為2.29 g/cm3和5.8%，2.31 g/cm3和6.2%，2.23 g/cm3和7.8%。

表1 土樣顆粒含量

圖1 試驗土樣級配曲線

1.2 試驗方案

為考慮不同鹽分供給源和不同密實狀態(tài)的工況，采用φ200 mm的聚氯乙烯(PVC)組成試驗系統(tǒng)，該試驗系統(tǒng)高度800 mm，管壁沿高度每100 mm鉆三個φ5 mm的傳感器插入孔，監(jiān)測土柱不同高度處的水鹽狀況；此外還有底座，底座上每20 mm鉆φ5 mm的水鹽滲流孔，具體如圖2所示。為模擬覆蓋效應(yīng)影響，頂部用塑料袋封口，防止水分蒸發(fā)。傳感器選用NH148土壤傳感器，依據(jù)土壤水分故障檢測率(FDR)方法及土壤電導率交流橋法，在數(shù)據(jù)監(jiān)測過程中，將傳感器的探針部分全部插入土柱中不同高度處的預留孔中，其能夠通過測量介電常數(shù)反映土壤的真實水分含量，再通過測定其電導率和溫度求得鹽度，溫度測量精度為±0.5 ℃，濕度測量精度為±2%，鹽分測量精度為±3 mg/L。數(shù)據(jù)可自動采集、記錄。

圖2 試驗裝置局部示意圖

考慮到新疆氯鹽鹽漬土分布廣泛，故本研究選擇氯化鈉分析純試劑，配置氯鹽溶液和氯鹽漬土。試驗溫度控制為25 ℃，初始含水率則取各土樣的最優(yōu)含水率。試樣的密實度則根據(jù)土質(zhì)路基施工壓實度標準[33]，分別為94%和96%。

鹽漬土地區(qū)路基發(fā)生次生鹽漬化的過程主要表現(xiàn)為兩種現(xiàn)象：一是地下水埋深較淺且礦化程度較高，毛細作用劇烈，水鹽受環(huán)境影響下的自下而上遷移，逐漸導致上部非鹽漬土鹽漬化；二是不含鹽地下水向上遷移，經(jīng)過鹽漬土區(qū)域，攜帶鹽分遷移至上部路基?；诖?，本研究設(shè)計鹽溶液供給源與鹽漬土供給源兩種工況，具體為：①土柱為不含鹽的素土，而底座中加濃度為30 g/L的氯化鈉溶液，形成鹽溶液供給源；②土柱下部40 cm裝填人工配置濃度為4%的氯化鈉鹽漬土，上部則為不含鹽的素土，此時底座中加純水， 形成鹽漬土供給源。按照此工況，設(shè)計土柱實驗，具體如表2所示。

表2 試驗工況

按照上述工況組合，共有12種工況土柱，各土柱分層裝入PVC管中。為達到預設(shè)壓實度，分層裝填高度5 cm，利用標準擊實錘進行擊實，以保證壓實的均勻性，每層填筑土體質(zhì)量可通過式(1)計算，不同壓實度加入的土體質(zhì)量不同，通過測量每層擊實后到頂部的距離來控制每層的壓實度。由于土柱制作、環(huán)境控制、水鹽控制是嚴格按照研究方案執(zhí)行，水鹽遷移的峰值稍有差異，但總體規(guī)律沒有較大偏差，故每個工況僅有一個土柱試件。裝填完成后，從監(jiān)測孔監(jiān)測土柱不同高度處水鹽含量，并作為初始狀態(tài)。然后根據(jù)設(shè)定的水鹽供給源類型，在底座中加鹽溶液或純水，使液面沒過進水孔2 cm，并在底座上覆蓋保鮮膜抑制水分蒸發(fā)，控制水位保持不變。考慮到水鹽遷移的速度，采集頻率為12 h。

m=ρVK=ρd(1+0.01ω)VK

(1)

式(1)中：m為分層土體質(zhì)量，g；ρ為土樣濕密度，g/cm3；V為分層土柱體積，cm3；K為壓實度，%；ρd為土樣最大干密度，g/cm3；ω為土樣含水量，%。

由于傳感器所測含水率為體積含水率，體積含水率與質(zhì)量含水率之間的關(guān)系如式(2)所示，由此可進行轉(zhuǎn)換。

(2)

式(2)中：θω為體積含水率，%；ρd為土的干密度，g/cm3；ρw為4 ℃時水的密度，ρw=1 g/cm3；ω為質(zhì)量含水率，%；ρdmax為土的最大干密度，g/cm3。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽溶液供給源下的水鹽遷移分析

對距離土柱底部不同高度處土體水分、鹽分含量的測量結(jié)果進行分析，探究在鹽溶液供給源下細粒土含量和壓實度對粗粒土水鹽遷移的影響，選擇A-1、B-1、C-1、A-2、B-2和C-2土柱為研究對象，并采集18 d的實驗數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 壓實度為94%的水鹽空間分布特性

圖4 壓實度為96%的水鹽空間分布特性

2.1.1 細粒摻量對粗粒土水鹽遷移的影響

細粒土作為粗粒骨架的填充材料，由于改善填料的空隙特性，進而對水鹽的遷移速度和特性顯著影響。

由圖3可知：在壓實度為94%及鹽溶液供給條件下， 40 cm以下A-1、B-1及C-1土柱的水鹽遷移均較顯著，且C-1土柱在40 cm以下質(zhì)量含水率為46.8%，換算后已達到飽和狀態(tài)；而在40 cm以上，較下部土柱內(nèi)水鹽遷移明顯減緩。在水鹽遷移范圍內(nèi)，隨著細粒土摻量從10%增至30%，總體來講C-1土柱水鹽含量最大，其次是A-1號土柱，而B-1土柱則最小，說明細粒土含量對水鹽遷移影響較顯著水鹽遷移過程的發(fā)生，究其原因主要是隨著細粒土含量增加孔隙率不斷減小由此引起水鹽遷移阻力也增加，但隨著細粒土含量繼續(xù)增加，盡管空隙率繼續(xù)減小，但細粒土含量增加對水鹽的基質(zhì)吸力影響更顯著，進而出現(xiàn)上述水鹽遷移規(guī)律。

由圖4可知：在壓實度為96%及鹽溶液供給源條件下， A-2號土柱水鹽含量幾乎沒有變化，說明沒有遷移；隨著細粒土含量的增加，土柱水鹽遷移趨勢逐漸增強，其中C-2號土柱的水鹽遷移趨勢最顯著。C-2土柱在40 cm以下依然濕度處于飽和狀態(tài)；在20～40 cm范圍內(nèi)鹽濃度幾乎沒有變，可認為是鹽分積聚；在40～50 cm范圍內(nèi)出現(xiàn)較大的鹽濃度梯度，說明水鹽遷移量很小，逐漸出現(xiàn)遷移衰減。

2.1.2 壓實度對粗粒土水鹽遷移的影響

對比圖3和圖4可知：當細粒土摻配量為10%時，A-1土柱的水鹽遷移水平較A-2土柱顯著，且A-2號土柱的水鹽幾乎沒有遷移，說明細粒土含量較少時，增加壓實度能夠有效抑制水鹽遷移現(xiàn)象；當細粒土摻量為20%時，水鹽含量均發(fā)生明顯變化，B-2土柱較B-1號土柱的水鹽遷移顯著，說明壓實度越高，水鹽遷移越劇烈；當細粒土摻量為30%時，C-2土柱的水鹽遷移水平依然較C-1土柱的顯著，這說明細粒土含量增加后降低壓實度可減小水鹽遷移。

2.2 鹽漬土供給源下的水鹽遷移分析

為探究鹽漬土供給源下的細粒土含量和壓實度對粗粒土水鹽遷移的影響，選用細粒土摻配量分別為10%、20%和30%，壓實度分別為94%和96%的A-3、B-3、C-3、A-4、B-4和C-4工況土柱為研究對象，試驗結(jié)果如圖5、圖6所示。試驗數(shù)據(jù)為18 d的監(jiān)測結(jié)果。

2.2.1 細粒土含量對粗粒土水鹽遷移的影響

由圖5可知：在壓實度為94%及鹽漬土供給源條件下，30%細粒土摻配的C-3柱土水鹽遷移顯著高于20%和10%細粒土摻配量的B-3和A-3土柱，說明細粒土含量對水鹽遷移影響顯著；就C-3土柱而言，在50 cm以濕度基本達到飽和狀態(tài)；而A-3土柱水鹽含量總體較小，且沿深度變化不明顯；B-3土柱則在50 cm以下水鹽含量變化顯著，這說明了隨細粒土摻配量增加，鹽漬土供給源的水鹽遷移越顯著。

圖5 壓實度為94%的水鹽空間分布特性

由圖6可知：當土柱壓實度為96%時，A-4土柱水鹽含量沿高度出現(xiàn)了波動，這說明土體中的水鹽發(fā)生遷移現(xiàn)象，但總體遷移不顯著。而B-4號土柱水鹽在40 cm以下遷移速率較快，在40 cm以上遷移較微弱；C-4土柱的水鹽遷移出現(xiàn)了顯著的波動性，說明水鹽是分階段遷移-集聚-再遷移的運移模式。究其原因主要是由于隨著土柱高度的增加，鹽分向上遷移的能力逐漸削弱隨著下部水鹽遷移使水鹽勢能增加后則繼續(xù)向上遷移，致使該位置水鹽勢能降低，從而形成了波動顯著的水鹽含量分布特征。

2.2.2 壓實度對粗粒土水鹽遷移的影響

由圖5和圖6對比分析可知：當粗粒土中的細粒土摻配量為10%時，A-4土柱水鹽遷移較A-3土柱顯著，由此說明，當細粒土摻配量為20%時，40 cm以下B-4土柱水鹽梯度分布明顯高于B-3土柱。當細粒土摻配量為30%時，C-3和C-4土柱的水鹽含量沿深度分布特性基本一致，只是C-3土柱在相同深度處的水鹽含量略高于C-4號土柱，即壓實度越大，水鹽含量越小。說明細粒土含量較多時，壓實度的增加會抑制鹽漬土供給源下的水鹽遷移。

圖6 壓實度為96%的水鹽空間分布特性

2.3 不同供給源下的粗粒土水鹽遷移分析

為探究不同供給源下的粗粒土水鹽遷移特性，選用壓實度為96%的兩種供給源影響下的細粒土摻量為10%、20%和30%的A-2和A-4土柱、B-2和B-4土柱、C-2和C-4土柱展開研究。通過在各土柱的10、40和70 cm處的水鹽實時監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，繪制水鹽遷移時程曲線，如圖7～圖9所示。

圖7 細粒土摻量為10%的土柱水鹽時程分布特性

圖8 細粒土摻量為20%的土柱水鹽時程分布特性

圖9 細粒土摻量為30%的土柱水鹽時程分布特性

由圖7可知，當細粒土摻量為10%時，不同水鹽供給源條件下的水鹽時程分布不同。A-2土柱在三個高度處，水鹽時程曲線總體較平緩，說明水鹽遷移幾乎未發(fā)生。而A-4土柱水鹽時程曲線波動顯著，總體規(guī)律為：濕度和鹽分變化趨勢具有一致性；10 cm高度處的濕度和鹽分濃度總體水平最高；盡管40 cm和70 cm處的濕度和鹽分含量的峰值比較接近，但水鹽時程曲線的波動形態(tài)大不相同， 40 cm高度處水鹽含量分布波動劇烈，這是由于不斷的水鹽向上遷移和不斷的下部水鹽補給所造成的。而在5～10 d時間段內(nèi)10 cm處的高含水率25%左右，而鹽濃度為800～1 600 mg/L，均為最顯著水平。70 cm處的水鹽含量從2 d開始急劇增加，在5 d達到最大值，隨后迅速下降，到8 d就維持在較低的水平。

由圖8可知：當細粒土摻量為20%時，兩種供給源條件下各土柱在不同高度處的水鹽均開始遷移；B-4土柱在70 cm處水鹽含量低于B-2土柱，由此說明B-2土柱的水鹽遷移現(xiàn)象顯著，故而造成水鹽在土柱頂部的含量顯著增加。但二者的鹽濃度時程曲線總體較平緩，而濕度時程曲線則相對波動性較大；在10 cm和40 cm處B-4土柱的水鹽含量均高于B-2土柱，且B-4土柱在10 cm處濕度已達飽和狀態(tài)，水分不發(fā)生遷移，但鹽分仍在遷移。

由圖9可知：當細粒土摻量為30%時，兩種水鹽在土柱10 cm高度處，C-2號土柱與C-4號土柱水鹽時程曲線的波動形態(tài)與量值幾乎一致，且濕度在1 d內(nèi)均達到了飽和狀態(tài)，鹽濃度也在1 d內(nèi)迅速增至峰值，且峰值相差不大，總體呈現(xiàn)先增長后減小的趨勢特征。在40 cm處，兩土柱的濕度都達到了飽和狀態(tài)，但C-4土柱先達到飽和，這說明純水較鹽溶液在土體中遷移速度快；就鹽濃度而言，C-4土柱較C-2土柱不僅峰值高且波動也顯著，這是由于C-2土柱的水鹽是從外界進入土柱底部而后逐漸開始遷移，故而鹽分時程曲線波動較小。而C-4號土柱下部40 cm范圍內(nèi)是鹽漬土，鹽分供給源較近，且由于鹽分致使純水遷移更加迅速，因此快速的水分遷移攜帶鹽分遷移，致使上部鹽含量增加較顯著，而下部鹽含量逐漸減小，供給能力下降，因此鹽分時程曲線波動顯著。在土柱70 cm處，水鹽含量較10 cm和40 cm處顯著降低，但C-4土柱水鹽含量較C-2略高，說明鹽漬土供給源下水分遷移高度更高，進而攜帶更多鹽分向上遷移。

綜上所述，供給源不同，水鹽遷移有所不同，鹽分遷移水平很大程度上取決于水分遷移水平；在相同工況條件下，就黏滯性純水低于鹽溶液，同時受到鹽分梯度影響，故而純水在鹽漬土和素土中的遷移能力總體高于鹽溶液在素土中的遷移能力；此外，細粒土含量也顯著影響水鹽遷移能力。

3 結(jié)論

(1)總體來說，水、鹽遷移趨勢具有一致性，鹽分遷移水平取決于水分遷移水平；當土體濕度處于飽和狀態(tài)時，鹽分依然會發(fā)生遷移；純水在土中的遷移速度大于鹽溶液的遷移速度；水鹽遷移速率隨時間的變化呈先快后慢的趨勢。

(2)鹽溶液供給源下的水鹽遷移速率較小，但遷移高度較高；細粒土含量越多，水鹽遷移越劇烈；壓實度越高，細粒土含量對水鹽遷移的影響越顯著。當細粒土含量為10%時，壓實度的增大使得水鹽遷移高度增加；而當細粒土含量為20%和30%時，壓實度提高增加了底部的水鹽含量，但有效地抑制了水鹽遷移的高度。

(3)鹽漬土供給源下的受純水補給，水鹽前期遷移速率較大，但后期遷移速率有所減?。患毩Ｍ梁吭蕉?，水鹽遷移越劇烈，但壓實度為96%時60 cm以上細粒土含量越少，水鹽遷移越劇烈。當細粒土含量為10%時，壓實度的增加促進水鹽遷移過程；當細粒土含量為20%和30%時，壓實度的增加反而抑制水鹽遷移過程。

(4)明確粗粒土中細粒土含量與壓實度在不同水鹽供給源條件下的水鹽遷移特性對于鹽漬土地區(qū)路基結(jié)構(gòu)設(shè)計十分重要，研究成果可應(yīng)用于新疆鹽漬土地區(qū)的路基結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為其提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。