氯鹽漬土在凍融循環(huán)條件下的水鹽遷移試驗及規(guī)律研究

摘要：為了深入了解凍融條件下氯鹽漬土的水鹽遷移規(guī)律，利用室內(nèi)土柱試驗?zāi)Ｐ停芯吭陲柡望u水補給下經(jīng)多次凍融循環(huán)的氯鹽漬土水鹽運動規(guī)律，考察不同鹽含量、不同凍融循環(huán)次數(shù)、設(shè)置隔斷層對其的影響，目的是深化對水鹽遷移機理的認識，為鹽漬土路基的治理提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：凍融循環(huán)顯著加劇了水鹽的遷移，效果隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而更加明顯；復(fù)合土工膜隔斷層有效限制了下方水分的上行遷移。

關(guān)鍵詞：氯鹽漬土 凍融循環(huán) 隔斷層 水鹽遷移

Experimental Study on Water and Salt Migration and Law of Chlorine Saline Soil Under Freeze-Thaw Cycle Conditions

LI Weifu

CCCC Third Highway Engineering Bureau Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong Province， 518000 China

Abstract： In order to deeply understand the water salt migration law of chlorine saline soil under freeze-thaw conditions， the indoor soil column test model was used to study the water salt movement law of chlorine saline soil after repeated freeze-thaw cycles with saturated brine replenishment， and the effects of different salt content， different freeze-thaw cycles， partition layer were investigated to deepen the understanding of water salt migration mechanism and provide theoretical basis for the treatment of saline soil subgrade. The results show that： Freeze-thaw cycles significantly intensified the migration of water and salt， and the effect becomes more obvious with the increase of freeze-thaw cycles; The composite geomembrane partition layer effectively limits the upward migration of moisture below.

Key Words： Chlorine saline soil; Freeze-thaw cycle; Partition layer; Water and salt migration

在自然環(huán)境中，季節(jié)更替和日夜溫差導(dǎo)致鹽漬土路基經(jīng)歷凍融循環(huán)，此過程伴隨著水分與鹽分含量的持續(xù)變化，鹽分常隨水分向較冷區(qū)域移動。凍融作用使土粒間的水發(fā)生結(jié)凍和融化，鹽分則結(jié)晶或溶解，這改變了土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了其強度、穩(wěn)定性，長期效應(yīng)可能破壞路基的結(jié)構(gòu)，影響其工程特性。萬健^[1]通過控制溫度梯度的方法對鹽漬土進行了水鹽遷移試驗，與無溫度梯度的水鹽遷移試驗結(jié)果進行對比，結(jié)合工程實際和水鹽遷移受其他因素的影響效果，提出提升路基穩(wěn)定性的辦法。郭瑞等人^[2]從模型建制的原理、優(yōu)缺點、適用范圍等方面，對如今國內(nèi)使用的大多數(shù)水鹽遷移模型進行分析，指出當前廣泛使用的模型中存在的弊端，并且預(yù)測了未來水鹽遷移模型的發(fā)展。趙德安等人^[3]以豎管法為基礎(chǔ)，自主研發(fā)設(shè)計了大口徑玻璃管水鹽遷移試驗設(shè)備，經(jīng)過反復(fù)試驗，發(fā)現(xiàn)了含鹽量較低的鹽漬土的水鹽遷移規(guī)律，并且對試驗中設(shè)置的多種隔斷層效果進行分析評價；研究還結(jié)合工程實際給出了不同地區(qū)隔斷層設(shè)置的參考建議，為實際工程中的隔斷層設(shè)計和施工提供了有益的參考和指導(dǎo)。

1工程概況

某鐵路是新疆鐵路網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵一環(huán)，途徑哈密市的伊吾縣、巴里坤縣、昌吉州的木壘縣、奇臺縣等區(qū)域，全長約429.9 km，設(shè)有27個站點，設(shè)計速度為120 km/h。區(qū)域內(nèi)廣泛分布著鹽漬土、膨脹土等特殊性巖土，沿線地表土體松軟且可見白色鹽霜。雨季時，隨著降雨量的增多，鹽漬土中的可溶鹽遇水溶解，在自身重力與外部荷載的作用下，會導(dǎo)致路基土體出現(xiàn)溶陷現(xiàn)象。冬季時，由于晝夜溫差較大，路基土體不斷經(jīng)歷凍融循環(huán)的過程，會導(dǎo)致路基土體出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。因此，鹽漬土地區(qū)路基施工的質(zhì)量要求與沉降的控制要求比一般鐵路項目路基的要求要高，對路基填料的選取及與工過程中的質(zhì)量把控更為嚴格。

2 實驗方案

2.1 試驗儀器

2.1.1溫度控制設(shè)備

本研究使用的低溫恒溫循環(huán)槽（型號LT50DD）能夠在-60～90 ℃范圍內(nèi)控制溫度，精確度達到0.1 ℃。試驗前，確保循環(huán)液的流出和接收端口相連，以實現(xiàn)有效的制冷循環(huán)。循環(huán)制冷系統(tǒng)采用乙二醇防凍液，防止凍結(jié)和管道堵塞。使用常溫補給條件下水鹽遷移試驗中基于豎管法原理自主設(shè)計的大口徑有機玻璃管系統(tǒng)^[4]。

2.2 試驗不同工況設(shè)置

本文主要探究凍融循環(huán)次數(shù)、隔斷層及粉煤灰摻入氯鹽漬土改良后在凍融循環(huán)條件下對水鹽遷移規(guī)律的影響。工況一、二、三的設(shè)置情況與常溫補給條件下的水鹽遷移試驗工況設(shè)置情況一致。

2.3實驗步驟

2.3.1設(shè)備調(diào)試

首先設(shè)置好低溫恒溫槽的溫度，并且通過軟管連接制冷頭以啟動制冷循環(huán)。同時，對外露軟管進行保溫，確保制冷效率。試驗前，設(shè)備將進行空運行，以檢驗達到預(yù)定溫度的能力與排除潛在故障。

（1）土樣制備。根據(jù)需求，計算所需的水和鹽的量。隨后，根據(jù)不同試驗條件，準備相應(yīng)的土樣。

（2）土柱安裝。首先，密封有機玻璃管的孔洞；其次，按10 cm分層將土樣壓實到規(guī)定密度，確保每層平整緊密。完成填裝后，用絕緣材料對管體進行保溫，特別加強孔洞部分的保溫，并且在底部使用保溫棉以隔絕外界影響。之后，安裝制冷頭，以確保與土柱表面良好接觸。

（3）凍融循環(huán)參數(shù)設(shè)置。凍融循環(huán)的溫度設(shè)置基于《國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心》的氣溫數(shù)據(jù)，選取-15～15 ℃作為試驗溫度范圍。設(shè)定一個凍融周期為48 h，包括24 h的凍結(jié)和24 h的自然融化，分別進行3、5、7次凍融循環(huán)^[5]。

（4）觀測數(shù)據(jù)并分析。數(shù)據(jù)觀測和分析旨在探索鹽漬土在不同凍融循環(huán)次數(shù)對各工況的水鹽遷移規(guī)律的影響。試驗結(jié)束后，逐層取土樣，使用烘箱烘干法和洗鹽法測定其含鹽量和含水率。

3實驗結(jié)果與分析

進行凍融循環(huán)條件下氯鹽漬土的水鹽遷移試驗后，對進行不同凍融循環(huán)次數(shù)的土柱模型進行分層取樣，獲得了每個工況在不同凍融循環(huán)次數(shù)下含水率和易溶鹽含量與土柱模型高度的關(guān)系曲線。選取初始含鹽量為5%的土柱模型進行對比，分析了各工況在凍融循環(huán)補水條件下的試驗結(jié)果，進一步探討了凍融循環(huán)對水分和鹽分遷移的影響。

3.1實驗數(shù)據(jù)與分析

通過對模型不同高度處的土體進行分層取樣和含水率測量，繪制出模型垂直方向上含水率隨高度的變化曲線，如圖1所示。結(jié)果顯示：3次凍融循環(huán)后水分遷移高度為48.8 cm，5次凍融循環(huán)后水分遷移高度為54.3 cm，7次凍融循環(huán)后，水分遷移高度為59.9 cm，相較于常溫補給條件下的水分遷移高度，分別高了3.0 cm、8.5 cm、14.1 cm。在經(jīng)歷3輪凍融循環(huán)后，相較于初始狀態(tài)，土柱各層含水率普遍上升。這突顯了尤其是在凍融循環(huán)初期，凍融過程對水分從溫暖區(qū)域向冷區(qū)域遷移具有顯著促進作用^[6]。

如圖2所示，設(shè)置在70 cm深的兩布一膜復(fù)合土工布隔斷層有效阻止了下方水分向上遷移，導(dǎo)致70 cm以上含水率僅為14.01%。由于這層隔斷的存在，隔斷層下方的土體無法為上方土體進行水源供給，導(dǎo)致75 cm和80 cm深度的土壤含水率分別降低2.89%和0.87%，均低于起始的25%含水率，說明復(fù)合土工布隔斷層具有顯著的阻水效果^[7]。

從圖3中不難看出，當溫度變化時，鹽分會跟隨溫度梯度遷移。觀察到70 ～100 cm區(qū)間內(nèi)的鹽分增長不超過0.1%，表明鹽分在土體凍融周期中不能穿過兩布一膜復(fù)合土工布隔斷層，導(dǎo)致土層上部幾乎無鹽分。顯示出，無論是氣態(tài)還是液態(tài)遷移，兩布一膜復(fù)合土工布均能有效隔斷水分和鹽分^[8]。

4結(jié)論

（1）研究了凍融循環(huán)下氯鹽漬土的水鹽遷移特性，分析了遷移高度與土柱模型在不同高度的含水率和含鹽量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)顯著加劇了水鹽的遷移。

（2）分析在常溫與凍融循環(huán)條件下氯鹽漬土的水鹽遷移，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)顯著增強了水分和鹽分的遷移。隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，試件含水率普遍上升。

（3）通過試驗，研究了凍融循環(huán)條件下復(fù)合土工膜隔斷層的效果。結(jié)果表明，該隔斷層有效限制了下方水分的上行遷移。此外，在凍融周期中，鹽分也未能穿越復(fù)合土工膜，這證明了復(fù)合土工膜能夠有效隔斷水分和鹽分的遷移，無論是氣態(tài)還是液態(tài)遷移，進而保護上層土體避免受到鹽堿化的威脅。

參考文獻

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